Đồ án về khoá cửa điện tử có các tính năng như: Thay đổi mật khẩu của khoá cửa quan sát quá trình trên LCD1602, thuật toán thay đổi mật khẩu chuyên nghiệp;đóngmở từ xa qua điện thoại. Ngoài ra khoá trạng thái của khoá cửa trên app điện thoại và trạng thái đóng mở khoá cửa khi nhập pass đồng bộ hoàn toàn với nhau.
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điện tử, đang mang lại nhiều thay đổi tích cực cho cuộc sống con người Các thiết bị hiện đại với độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và tính bảo mật tốt đang góp phần nâng cao hiệu quả trong hoạt động hàng ngày Sự tiến bộ này không chỉ làm cho cuộc sống trở nên văn minh và hiện đại hơn mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
An ninh và sự tiện lợi luôn là mối quan tâm hàng đầu của con người Khoá cửa truyền thống, mặc dù cần thiết cho mọi ngôi nhà, chỉ đảm bảo an toàn cơ bản
Thiếu tin cậy về phương diện tin cậy và an toàn.
Xảy ra sự cố cho người dùng khi chìa khoá bị quên/mất.
Người dùng uôn phải mang chìa khoá theo bên mình.
Xuất phát từ những hạn chế này, em đã thiết kế và thi công một mạch ứng dụng nhỏ : “ Khoá Điện Tử” Với những ưu điểm :
Nâng cao độ an toàn bảo mật đáng kể (mật khẩu lên đến 6 kí tự).
Tiện lợi cho việc sử dụng khi mở khoá bằng mật khẩu và điện thoại thông minh.
Dễ dàng cho người quản lý bằng điện thoại thông minh.
Việc chọn đề tài này giúp chúng tôi nắm vững nguyên lý hoạt động của các thành phần trong mạch, đồng thời củng cố kiến thức và trải nghiệm thực tế trong thiết kế và thi công mạch in.
Nội Dung Đề Tài
Sử dụng module WiFi để truyền nhận dữ liệu với Smartphone, quá trình này được điều khiển bởi vi điều khiển PIC18F4550 Vi điều khiển này thực hiện hai nhiệm vụ chính: xử lý dữ liệu và điều khiển kích đóng ngắt các Relay nhằm quản lý các thiết bị điện.
Ý Tưởng Thiết Kế
Điều khiển, giám sát tình trạng khoá cửa từ xa qua điện thoại thông minh.
Đổi và nhập mật khẩu mở khoá qua bàn phím ma trận 4x4.
Hiển thị trạng thái khoá cửa thông qua màn hình LCD1602.
Theo dõi lịch sử đóng mở cửa qua điện thoại.
Sử dụng pin dự phòng khi gặp tình trạng mất điện.
Nhập mật khẩu đúng: Khoá điện mở + đèn báo sáng + LCD + thông báo lên LCD.
Nhập mật khẩu sai: Loa kêu + thông báo lên LCD Nếu sai quá 3 lần sẽ đẩy thông báo lên điện thoại.
Mục Tiêu Thiết Kế
Khoảng cách điều khiển và giám sát trạng thái khoá cửa > 30m
Công suất tiêu thụ < 70% công suất nguồn cấp DC 12V/2A
Hiển thị trạng thái khoá cửa lên LCD16x2
Độ trễ mở khoá cửa dưới 2s sau khi nhập đúng mật khẩu.
Cơ chế mở khoá cửa: qua điện thoại và bàn phím.
Tóm Tắt Nội Dung
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các kết nối và truyền thông
Giao tiếp thức truyền thông nối tiếp I2C được sử dụng phổ biến và rộng rãi Trên bus I2C, nhiều thiết bị Master và Slave có thể giao tiếp với nhau
SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu.
SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp.
Cả 2 đường SDA và SCL phải được nối với VCC thông qua điện trở kéo lên Quá trình truyền dữ liệu chỉ có thể bắt đầu khi bus I2C không hoạt động(bus I2C được xem như không hoạt động khi cả hai đường SDA và SCL đều ở mức cao sau điều kiện dừng. Điều kiện khởi động: Đường SDA chuyển từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển từ mức cao xuống mức thấp. Điều kiện dừng: Đường SDA chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao sau khi đường SCL chuyển từ mức thấp lên mức cao.
Hình 2 2: Điều kiện Bắt đầu/ Dừng
Here is a rewritten paragraph that complies with SEO rules:"Mỗi khung trong một tin nhắn được theo sau bởi một bit xác nhận hoặc không xác nhận, gọi là bit ACK/NACK Khi một khung địa chỉ hoặc khung dữ liệu được nhận thành công, thiết bị nhận sẽ trả lại một bit ACK (0) cho thiết bị gửi tại vị trí bit thứ 9, ngược lại sẽ trả lại bit NACK (1) nếu không thành công."
Quy trình để thiết bị Master có thể truy cập đến thiết bị Slave.
Trường hợp 1: Thiết bị Master muốn gửi dữ liệu đến Slave
Master gửi điều kiện bắt đầu và địa chỉ của Slave Slave sẽ kiểm tra và xác nhận
Master gửi dữ liệu đến Slave Slave sẽ kiểm tra và xác nhận.
Master kết thúc quá trình truyền với điều kiện dừng.
Trường hợp 2: Nếu Master muốn nhận/đọc dữ liệu từ Slave
Master gửi điều kiện bắt đầu và gửi địa chỉ cho Slave Đợi Slave kiểm tra và xác nhận.
Master gửi địa chỉ thanh ghi được yêu cầu đọc cho Slave.
Master nhận dữ liệu từ Slave.
Master kết thúc quá trình truyền/ nhận với điều kiện dừng.
Hình 2 3: Ví dụ giao tiếp I2C
Wifi (Wireless Fidelity) là công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu đến các thiết bị kết nối mà không cần dây Sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại và radio, nhưng có đường truyền ngắn hơn Để thiết lập kết nối Wifi, cần có Router (bộ thu phát), thiết bị này nhận thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu vô tuyến và phát đi Các thiết bị di động sẽ thu nhận tín hiệu này và giải mã thành dữ liệu cần thiết Quá trình cũng có thể diễn ra ngược lại, khi Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter, giải mã và gửi thông tin qua Internet.
Những chuẩn Wifi phổ biến hiện nay:
Tổng Quan Về Linh Kiện Chính Sử Dụng Trong Mạch
Hình 2 4: Sơ đồ chân của C1815
Bảng 2 2: Các thông số tối đa của 2SC1815
Bảng 2 3: Các thông số hoạt động của 2SC1815
Relay là một công tắc điện từ hoạt động nhờ vào dòng điện nhỏ, có khả năng bật hoặc tắt dòng điện lớn hơn Tâm điểm của relay là nam châm điện, nơi cuộn dây trở thành nam châm tạm thời khi có dòng điện chạy qua Relay có thể được coi như một đòn bẩy điện, cho phép dòng điện nhỏ kích hoạt thiết bị sử dụng dòng điện lớn hơn.
Bảng 2 4: thông số cuộn dây của Relay YL303H-S-5vdc-1z
Bảng 2 5 thông số giới hạn tại các tiếp điểm
Các chân của rơ le thường được ký hiệu là COM, NC và NO.
COM (chân chung) là chân kết nối chính, luôn liên kết với một trong hai chân còn lại Việc chân COM kết nối với chân nào phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của rơ le.
NC (Normally Closed): Thường đóng Khi rơ le ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này.
NO (Normally Open): Thường mở Khi rơ le ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này.
Hình 2 6: Sơ đồ chân của Relay
Trong khi vận hành có một số bước cơ bản xảy ra khi rơ le cơ điện được cấp điện hay ngắt điện:
Điện áp cung cấp cho cuộn dây tạo ra từ trường.
Từ trường được chuyển thành lực cơ học bằng cách hút phần ứng
Phần ứng động đóng/mở một hoặc nhiều tiếp điểm điện.
Các tiếp điểm cho phép chuyển mạch điện sang tải như động cơ, bóng đèn,…
Sau khi điện áp cuộn bị loại bỏ từ trường biến mất các tiếp điểm tách ra và trở về vị trí bình thường
Các tiếp điểm có thể thường đóng hoặc thường mở.
LM7805, hay còn gọi là 7805, là IC ổn áp cung cấp đầu ra 5V Đây là một loại IC ổn áp dương thuộc dòng LM78xx, thường được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thương mại và giáo dục Nó là giải pháp lý tưởng để cung cấp năng lượng cho các mạch tích hợp kỹ thuật số TTL.
Bảng 2 6 các thông số hoạt động của LM7805
Điện áp hoạt động: 12VDC
Hình 2 8 Khoá cửa a Cấu tạo bên trong
Hình 2 9: Cấu tạ khoá cửa b Nguyên lý hoạt động:
Hình 2 10: Nguyên lý hoạt động của khoá cửa
Khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó hoạt động như một nam châm điện, làm cho trục khoá bên trong cuộn dây bị hút và lò xo bị nén lại Lực và tốc độ chuyển động của trục khoá phụ thuộc vào cường độ từ thông tạo ra trong cuộn dây.
Khi dòng điện bị ngắt, từ thông sinh ra bởi cuộn dây biến mất, lò xo trở về vị trí ban đầu.
Module I2C chuyển đổi từ giao tiếp song song sang giao tiếp I2C cho LCD16x2 Việc này tiết kiệm Pin khi kết nối giữa LCD16x2 và Esp32.
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Giao tiếp với LCD : 4bit dữ liệu, điều khiển
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Bảng 2 7: địa chỉ PCF8547 / PC8547T
Thiết lập các chân R1,R2,R3,R4 là các chân Output và giữ ở mức cao.Các chân C1,C2,C3,C4 là các chân Input có điện trở kéo lên.
Đưa tín hiệu ra ở các Output R1 đến R4 ở mức 1, thì các chân Input từ C1 đến C4 vẫn ở mức 1 dù có phím nào được nhấn hay không.
Lần lượt đưa tín hiệu đầu ra ở mức 0 tại các chân Ri, nếu chân Ci ở mức 0 thì phím ở hàng Ri cột Ci được nhấn.
Số chân Ký hiệu chân Mô tả chân
Lựa chọn thanh ghi địa chỉ/dữ liệu
5 RW Lựa chọn thanh ghi Đọc/Ghi
6 EN Cho phép xuất dữ liệu
Bus dữ liệu giao tiếp
15 A Chân dương đèn màn hình
16 K Chân âm đèn màn hình
Bảng 2 9: thông số kỹ thuật của LCD16x2 Địa chỉ 3 vùng nhớ của LCD
Bộ nhớ DDRAM (Display Data RAM) lưu trữ mã ký tự để hiển thị trên màn hình Những mã ký tự này sẽ tham chiếu đến bitmap ký tự được lưu trữ trong CGROM, nơi đã được định nghĩa trước hoặc có thể được người dùng tự định nghĩa.
Bộ phát kí tự ROM – CGROM
Bộ phát kí tự ROM (CGROM) lưu trữ các kiểu bitmap cho từng kí tự được định nghĩa, cho phép LCD hiển thị theo bảng mã ASCII Mỗi mã kí tự được lưu trong DDRAM sẽ tham chiếu đến vị trí tương ứng trong CGROM.
Bộ phát kí tự RAM – CGRAM:
Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng.
CPU: Xtensa Dual-core 32-bit LX6.
Tốc độ xử lý: 160MHz đến 240MHz
Hình 2 15: Ngoại vi của Module ESP32 DEVkit V1
18 kênh bộ chuyển đổi ADC( Analog to Digital conveter), 3x SPI, 3x
ADC và DAC được gán cho các chân cố định Tuy nhiên đối với UART, I2C, SPI,… có thể quyết tự quyết định thông qua việc khai báo.
Hầu hết các chân đều có điện trở pullup.
Station Mode: Kết nối đến các điểm truy cập.
Acesc Point: Trở thành điểm truy cập.
Hoạt động đồng thời là STA và AP
Các chế độ bảo mật khác nhau cho những chế độ trên (WPA, WPA2,…)Lưu ý: Không sử dụng ADC2 khi sử dụng Wifi.
THI CÔNG
Thiết Kế Mạch
3.1.1 Sơ đồ mạch : a Sơ đồ khối hoạt động:
Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống b Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3 2: Sơ đồ nguyên lý
Khối nguồn gồm Adapter 12V/2A và mạch hạ áp xuống 5V sử dụng LM7805.
Nguồn cấp cho mạch là nguồn VDC 12V được lấy từ adapter thông qua jack
DC được gắn trên mạch.
Thông số kỹ thuật của adapter:
Điện áp đầu vào: AC100- 240V 50/60HZ
Chiều dài đường dây đầu ra: tổng chiều dài 1,2m
Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lý Adapter 12V/2A
Mạch hạ áp từ 12V/2A xuống 5V/5W để cung cấp điện cho Esp32 và LCD Để ngăn chặn điện áp gợn do Adapter gây ra, cần sử dụng tụ C9 và C10 nhằm đảm bảo nguồn điện ổn định.
Tụ C9 giúp lọc điện áp đầu vào cho chân Vin của Lm7805, đảm bảo cung cấp điện áp ổn định và tạm thời khi nguồn điện gặp sự cố sụt áp đột ngột.
Tự C10 giúp lọc điện áp cung cấp cho tải từ chân Vo của IC7805, đồng thời cung cấp điện áp tạm thời cho tải khi xảy ra tình trạng sụt áp đột ngột.
Hình 3 5Mạch hạ áp xuống 5V (LM7805)
LED “D1” hoạt động như đèn báo nguồn, với điện áp sụt trên điện trở R1 để bảo vệ LED khỏi hư hỏng Công tắc “SW1” đảm bảo an toàn cho mạch, giúp tránh các sự cố ngoài ý muốn và giảm thiểu rủi ro hư hại cho jack cắm Để duy trì hiệu suất mạch lâu dài, tải không nên vượt quá 80% công suất nguồn (5V/1A sau khi hạ áp) Sử dụng tản nhiệt phù hợp là cần thiết, vì chênh lệch điện áp giữa đầu ra và đầu vào sinh ra nhiệt, và nếu chênh lệch này quá lớn, nó có thể gây hỏng hóc và mất an toàn.
Nhiệt tạo ra = (Điện áp đầu vào – 5V) X Dòng điện đầu ra
Với điện áp đầu vào Vin = 12V, điện áp đầu ra 5V và dòng tối ra sau khi hạ áp là 1A Năng lượng nhiệt sinh ra là 7W.
Công suất của nguồn cung cấp sau khi qua mạch hạ áp:
Có vai trò nhập liệu Độ dài của mật khẩu nhập bằng 6.
Công suất tiêu thụ của khối này không đáng kể
Hình 3 6: Khối nhập c Khối hiển thị:
Có vai trò hiển thị trạng thái khoá cửa và hiển thị nhập liệu Khối hiển thị gồm LCD16x2 giao tiếp với Module Esp32 qua giao tiếp I2C 4bit
Công suất tiêu thụ của LCD: được tính dựa trên tổng công suất thụ của đèn nền LCD và công suất hoạt động của LCD.
Công suất tiêu thụ của LCD: max * *
P LCD SV SC BSV BSC
SC SuppleCurrent BSV Backlight SupplyVoltage BSC Backlight Supply Current
Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý module I2C LCD
Module I2C được xây dựng dựa trên IC mở rộng Port I/O PCF8574.Định dạng khung địa chỉ của Module I2C LCD :
Hình 3 9: Các bit dịa chỉ module I2C
Các chân A0, A1 và A2 của IC PCF8574 / PCF8574T và PCF8574A mặc định được kéo lên mức cao, trong khi các bit địa chỉ A3, A4, A5, A6 được cố định là 0100 và 0111 tương ứng Do đó, địa chỉ mặc định của thiết bị là 0x27 Số Slave trên bus I2C có thể thay đổi lên đến 8 khi thực hiện thay đổi jumper trên các bit A0, A1 và A2, làm cho các chân này được kéo xuống mức 0.
Biến trở RV1 điều chỉnh độ tương phản của LCD16x2. d Khối công suất
Hình 3 10: Khối Relay và Buzzer
Nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm để tiến hành điều khiển thiết bị
Khi tín hiệu điều khiển xuất ra từ Esp32 là mức 0 ( tức 0,4V) thì “Q4” không dẫn do không có dòng IBE Nên Relay lúc này không làm việc.
Khi GPIO_5 của module Esp32 xuất tín hiệu mức 1 (3,3V), điện trở R3 phân cực cho transistor Q4, khiến Q4 hoạt động ở chế độ bão hòa Dòng điện chạy qua cuộn dây của Relay làm cho tiếp điểm kín, kích hoạt khoá điện tử và LED “D2” sáng, báo hiệu rằng tiếp điểm Relay đang ở trạng thái kín.
Ngoài ra còn có buzzer được nối trực tiếp GPIO_17 của Esp32
Tính toán các giá trị linh kiện trong khối :
Bước 1: Xác định thông số tải điều khiển. Điều khiển Relay 5V bằng Module esp32, điện áp xuất ra ở chân GPIO mức 1 là 3,3V Chọn “Relay 5V (YL303H-S-5vdc-1z)”.
Bảng 3 1: Thông số cuộn dây của Relay
Relay 5V này cần cấp điện áp 5 / 0,36 V W vào 2 đầu cuộn dây để có thể kích Relay để thay đổi trạng thái tiếp điểm
Sử dụng công thức : P U I tính dòng tiêu thụ của cuộn dây :
Dòng tiêu thụ của cuộn dây:
Hoặc với giá trị nội trở bên trong cuộn dây 69 10% có thể tính được dòng tiêu thụ của cuộn dây bằng định luật Ohm
Dựa vào thông số tải đã tính toán, transistor kênh NPN 2SC1815 được chọn do điện áp rơi trên transistor V CE = 50 V lớn hơn nhiều so với điện áp cung cấp, giúp tránh nguy cơ cháy transistor Hơn nữa, dòng kích relay I C max > 72 mA đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Bảng thông số của Transistor 2SC1815 cần chú ý :
Bảng 3 2: Giá trị Ic tối đa của Transistor 2SC1815
Bảng 3 3: Thông số các giá trị của 2SC1815 cần chú ý
Để tính toán và phân cực transistor dẫn ở chế độ bão hòa, cần lưu ý rằng transistor được điều khiển bằng dòng Trong chế độ bão hòa, dòng collector (I_C) bằng hệ số khuếch đại dòng điện (β) nhân với dòng base (I_B) Với β được chọn là 25, việc này đảm bảo transistor hoạt động hiệu quả trong mạch.
Khi transistor dẫn bão hòa dòng I CE I LED I RL 2 Dựa vào thông số Transistor 2SC1815 các giá trị được tính như sau :
Giá trị điện trở R2 được tính :
Chọn giá trị điện trở chuẩn gần nhất 330
Với dòng I C I LED I RL 2 10 mA 72 mA 82 mA
Giá trị điện trở R4 được tính :
Chọn giá trị điện trở chuẩn gần nhất 750
Chọn điện trở R4 = 33 kΩ ± để đảm bảo dòng qua R4 không đáng kể, không ảnh hưởng đến việc phân cực transistor Cài đặt trạng thái mặc định của transistor luôn đóng, với cực B nối đất để tránh hiện tượng trôi điện áp khi không có tín hiệu điều khiển.
Công suất tiêu thụ của khối Relay:
Bảng 3 4: Công suất khối công suất e Khối điều khiển:
Hình 3 11: Khối điều khiển trung tâm
Khối này có nhiệm vụ chính là đảm bảo sự liên kết và điều khiển các khối khác, giúp chúng thực hiện đúng các chức năng theo yêu cầu của mạch và chương trình.
Hình 3 12: Sơ đồ nguyên lý Module Esp32
Công suất của Module Esp32 lớn nhất ở chế độ bình thường Dòng tối đa mà ESP32 sử dụng lên đến 260mA
Công suất cung cấp của Adapter 12V: P 12 V 12 *2 A A 24 W
Công suất tiêu thụ của toàn mạch:
TT Lock LCD CS ESP ToaNhiet
P TT Công suất tiêu tán của cả mạch.
P Lock Công suất tiêu thụ của khoá cửa.
P LCD Công suất tiêu thụ của khối hiển thị.
P CS Công suất tiêu thụ của khối công suất.
P ESP Công suất tiêu thụ của module esp32.
P Công suất toả nhiệt trên mạch hạ áp.
Phần trăm công suất mà mạch sử dụng so với nguồn 59,58 0 0