Báo cáo cuối kỳ đề tài mở khoá cửa bằng module sim dùng vi điều khiển arduino uno

HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ---ĐỀ TÀI MÔN HỌCNGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNGCHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI:MỞ KHOÁ CỬA BẰNG MOD

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

ĐỀ TÀI MÔN HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Tp Hồ Chí Minh - 05/2023

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Nguyễn Việt Anh MSSV: 20161156

Tp Hồ Chí Minh - 05/2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

GIẢNG VIÊN KÝ TÊN

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Liệt kê hình vẽ ix

Liệt kê bảng vẽ ……… xi

Tóm tắt xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 2

1.3 Mục tiêu 3

1.4 Giới hạn 3

1.5 Nội dung nghiên cứu 3

1.6 Bố cục 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tổng quan vi điều khiển VN8-01 6

2.2 Đặc điểm thiết kế phần cứng VN8-01 9

2.2.1 Thiết kế CPU dạng RISC 9

2.2.2 Cấu trúc Pipeline 5 tầng 9

2.3 Tổ chức bộ nhớ trong VN8-01 12

2.3.1 Bộ nhớ chương trình 12

2.3.2 Bộ nhớ dữ liệu 13

2.4 Cấu trúc I/O của VN8-01 15

2.5 Xử lý ảnh 17

2.6 Xử lý tín hiệu 15

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 71

3.1 Mục đích sử dụng mở rộng các chuẩn giao tiếp 72

3.2 Chuẩn truyền thông 1 dây (1-wire) 73

3.2.1 Tổng quan về cảm biến 1 dây 73

3.2.2 Giao thức giao tiếp của chuẩn truyền thông 1 dây 73

3.2.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 76

3.3 Chuẩn truyền nối tiếp 2 dây - I2C 84

3.3.1 Đặc điểm truyền thông I2C 84

3.3.2 Quá trình giao tiếp giữa 2 thiết bị trên bus I2C 86

3.4 Ứng dụng minh họa dùng cảm biến 1 dây kết hợp IC truyền thông I2C 95

3.5 Thiết kế hệ thống giao tiếp camera và máy tính 96

3.6 Thiết kế chương trình 98

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 99

4.1 Giới thiệu .100

4.2 Thi công hệ thống những kết quả khác 103

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 116

5.1 Kết quả 1 .117

5.2 Kết quả 2 117

5.3 Kết quả 3 và những kết quả khác 118

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119

6.1 Kết luận

6.2 Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC

LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát VN8-01 6

Hình 2.2: Sơ đồ chân VN8-01 7

Hình 2.3: CPU xử lý 5 giai đoạn 10

Hình 2.4: Kiến trúc đường ống 5 tầng 11

Hình 2.5: 1 lệnh đơn cần 5 xung clock 11

Hình 2.6: Tổ chức bộ nhớ chương trình trong VN8-01 12

Hình 2.7 Hoạt động của PC đối với lệnh thường và lệnh rẽ nhánh 13

Hình 2.8: Cấu trúc của 1 lệnh đơn 14

Hình 2.9: Các nguồn ngắt của VN8-01 17

Hình 2.10: Hoạt động của Stack và thanh ghi PC 18

Hình 2.11: Cấu trúc thanh ghi INTCON 19

Hình 2.12: Cấu trúc thanh ghi PIR1 20

Hình 2.13: Cấu trúc thanh ghi PIE1 21

Hình 2.14: Cấu trúc thanh ghi OPTION 22

Hình 2.15: Clock ngõ vào cho các bộ Timer 0,1,2 22

Hình 2.16: Sơ đồ khối của Timer0 25

Hình 2.17: Sơ đồ khối bộ định thời 1(Timer1) 29

Hình 2.18: Cấu trúc thanh ghi T1CON 29

Hình 2.19: Sơ đồ khối của Timer2 32

Hình 2.20: Cấu trúc thanh ghi T2CON 32

Hình 2.21: Thiết kế hoạt động cho chức năng WDT 34

Hình 2.22: Sơ đồ khối Watchdog-Timer 35

Hình 2.23: Chế độ hoạt động của CPP và nguồn Timer 39

Hình 2.24: Cấu trúc thanh ghi CCPCON 39

Hình 2.25: Cấu trúc thanh ghi PIR1 40

Hình 2.26: Vị trí bit CCPIE 40

Hình 2.27: quan hệ giữa CK bổn phận (Thigh) và CK xung (Tcycle) 42

Hình 2.28: Sơ đồ khối Capture của ngõ vào CCPI 43

LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang

Bảng 2.2: Vùng giá trị bộ nhớ Ram/bank 14

Bảng 2.3: Mô tả thanh ghi INTCON……… 19

Bảng 2.4: mô tả thanh ghi PIR1……… 20

Bảng 2.5: Mô tả thanh ghi PIE1……… 21

Bảng 2.6: Mô tả thanh ghi OPTION……… 22

Bảng 2.6: Mô tả thanh ghi OPTION……… 25

Bảng 2.7: Mô tả thanh ghi T1CON……… 29

Bảng 2.8: Mô tả thanh ghi T2CON……… 32

Bảng 2.9: Mô tả thanh ghi CCPCON……… 39

Bảng 2.10: Mô tả nội dung bít cờ ngắt……… 40

Bảng 2.11: Mô tả chức năng bit CCPIE……… 40

Bảng 2.12: Mô tả chức năng thanh thi TXSTA……… 51

Bảng 2.13: Mô tả chức năng thanh ghi RCSTA……… 52

Bảng 2.14: Mô tả chức năng của cờ ngắt……… 54

Bảng 2.15: Mô tả chức năng bit cờ ngắt……… 54

Bảng 2.16: Công thức tính tốc độ Baud……… 55

Bảng 2.17: Các bước thiết lập bộ truyền bất đồng bộ……… 60

Bảng 2.18: Các bước thiết lập bộ nhận bất đồng bộ……… 62

Bảng 2.19 Các bước thiết lập cho bộ truyền MASTER……… 64

Bảng 2.20: Các bước cấu hình bộ nhận đồng bộ Master……… 66

Bảng 2.21: Các bước để thiết lập một chế độ truyền đồng bộ SLAVE ……… 67

Bảng 2.22: Các bước cấu hình chế độ nhận đồng bộ Slave……… 69

Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lưu lượng trong bộ nhớ độ phân giải 12bits… 79

Bảng 3.2: Giá trị cấu hình tương ứng với từng độ phân giải……… 80

Bảng 4.1: Mô tả chức năng chân của GLCD……… 109

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, thế giới đang ngày càng phát triển về mọi lĩnh vực đồng thời giúp cuộc sống của conngười phát triển song song theo đó Nhất là về lĩnh vực công nghê, khi con người đầu tư chất cámcũng như hiểu biết để phát triển và tìm tòi những cái mới về công nghệ Trong lĩnh vực công nghệkhông thể không kể đến công nghê không dây Vì thế, nhóm 1 chọn đề tài “Mở khoá cửa bằng modulesim dùng vi điều khiển Arduino Uno” Đề tài mở khoá cửa bằng module sim là một dự án kỹ thuậtnhằm áp dụng công nghệ sim để điều khiển cửa một cách an toàn và hiệu quả Đây là một trongnhững ứng dụng phổ biến của công nghệ sim trong lĩnh vực an ninh và an toàn Hệ thống mở khoácửa bằng module sim thường bao gồm một đầu đọc sim, một bộ xử lý, một bộ nhớ và một cơ chế điềukhiển cửa Khi người dùng muốn mở cửa, họ cần cung cấp thông tin tài khoản của mình (tên đăngnhập và mật khẩu) thông qua sim Sau đó, hệ thống sẽ kiểm tra thông tin này và nếu chính xác, sẽ chophép cửa mở ra Với ưu điểm của công nghệ sim như tính tiện lợi, bảo mật cao, độ tin cậy cao và khảnăng xử lý nhanh, đề tài mở khoá cửa bằng module sim đang được áp dụng rộng rãi trong các lĩnhvực như nhà ở, văn phòng, khách sạn, tòa nhà và các khu vực công cộng khác Ngoài ra, đề tài nàycòn mở ra nhiều cơ hội cho các nhà phát triển để phát triển và tối ưu hóa các tính năng của hệ thống,nhằm đáp ứng được nhiều nhu cầu khác nhau của người dùng

1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các linh kiện: Arduino Uno, Module Sim800C, LCD, keypad 4x4

và khoá từ

NỘI DUNG 2: Xây dựng kiến trúc hệ thống mở khoá cửa bằng module sim bao gồm cơ chếxác thực, gửi nhận tin nhắn sms, nhập mật mã từ keypad do module sim gửi đến.

NỘI DUNG 3: Thiết sơ đồ khối, sơ đồ nối dây

NỘI DUNG 4: Thi công và chạy mạch

NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện

1.3 GIỚI HẠN

Giới hạn về khoảng cách: Hệ thống mở khoá cửa bằng module sim có thể bị hạn chế về khoảngcách giữa đầu đọc sim và thiết bị điều khiển cửa Khoảng cách này thường chỉ từ vài mét đến vài chụcmét, do đó không phù hợp cho các khu vực có diện tích lớn

Giới hạn về độ ổn định: Hệ thống mở khoá cửa bằng module sim cần được thiết kế và triểnkhai chính xác để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống Nếu không được thiết kế vàtriển khai đúng cách, hệ thống có thể gặp phải các lỗi hoặc sự cố gây ra các vấn đề an ninh

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương 4: Thi công mạch

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Giới thiệu phần cứng

2.1.1 Arduino Uno

Giới thiệu

Arduino UNO R3 là một loại bo mạch vi điều khiển, được sử dụng phổ biến trong họ Arduino.Chúng được phát hành vào năm 2011, và là phiên bản thứ 3 mới nhất của bảng Arduino Ưu điềm củaArduino là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), cấp ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa,nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được Mạch kit này được phát triểndựa trên ATmega328P với mục đích kiểm soát và giữ bộ vi điều khiển Những model hiện tại đượctrang bị gồm 1 công giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích vớinhiều board mở rộng khác nhau

Hình 2.1 Arduino Uno

Nguyên lý hoạt động

Arduino Uno R3 được sử dụng bằng cách gắn vào máy tính thông qua một cáp USB Sau khi đã lắpđặt xong, chúng ta sẽ sử dụng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit Khi đấunối thành công, mạch sẽ kích hoạt và bắt đầu

Vai trò của mạch kit Arduino UNO R3

UNO được thiết kế để hỗ trợ sự phát triển của phần mềm Arduino IDE 1.0 Lý do mạch kit này cótên Arduino UNO R3 là vì chúng là phiên bản sửa đổi mới nhất, thứ 3 của Arduino Uno Có một sốthay đổi:

Chip điều khiển USB được thay đổi từ ATmega8U2 (flash 8K) thành ATmega16U2(flash 16K) Điều này không làm tăng flash hoặc RAM có sẵn cho các bản phác thảo

Trang bị thêm ba chân mới Trong đó, các chân I2C (A4, A5) được đưa ra bên cạnhbảng gần AREF Một chân IOREF bên cạnh chân đặt lại, là một bản sao của chân 5V

Nút đặt lại hiện nằm bên cạnh đầu nối USB, giúp dễ tiếp cận hơn khi sử dụng tấm chắn.Ngoài ra, mạch kit này cũng đóng vai trò quan trọng và chính trong bảng bảng USB-Arduino

Đặc điểm

Một trong những ưu điểm nổi bật của mạch kit arduino uno r3 là người sử dụng có thể thay đổi bộ viđiều khiển trên bảng trong trường hợp họ gặp phải sự cố hay mắc lỗi

Ngoài ra, bộ kit này còn mang đến cho người sử dụng nhiều tính năng tuyệt vời như:

Khả năng tháo rời

Tích hợp sẵn trong DIP (gói nội tuyến kép)

Khả năng điều khiển ATmega328

Dễ dàng tải lập trình

Ưu điểm cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là: Arduino có một cộng đồng hỗ trợ lớn vàmột bộ thư viện hỗ trợ phong phú Cùng với “lá chắn” phần cứng bổ sung phía sau Điều này sẽ làmột sự lựa chọn tuyệt vời cho những người mới bắt đầu làm việc trong lĩnh vực thiết bị điện tửnhúng

Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

Sơ đồ chân

Hình 2.2 Sơ đồ chân Arduino Uno

Chức năng các chân của arduino uno

không phải chân cấp nguồn vào

nối dương cực vào chân nà và cực âm vào chânGND

Khi sử dụng các thiết bị sử dụng những nguồnđiện riêng biệt thì phải nối các chân này

áp là 5V Không được sử dụng để lấy nguồn từchân này

tương tự như khi nối chân RESET với GND quađiện trở 10KΩ

ở 2 mức điện áp 0V và 5V với các dòng vào/ratối đa trên mỗi chân là 40 mA

2 chân Serial: 0(RX) và 1(TX) Dùng để gửi (transmit - TX) và nhận (Receive

- RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thểgiao tiếp với các thiết bị khác thông qua 2 chânnày, như gắn thêm màn hình LCD để hiển thị.Chân PWM: 3, 5,6,9, 10 và 11 Cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8

bit( giá trị từ 0 -> 2 -1 tương ứng với 0 - 5V 8Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO),

13(SCK)

4 chân này có thể truyền phát dữ liệu bằnggiao thức SPI tới các thiết bị khác

thì đèn led này sẽ nhấp nháy để báo hiệu Nóđược nối với chân số 13 Khi chân này được sửdụng, đèn led sẽ sáng

6 chân analog(A0 -> A5) Cung cấp độ phân giải 10 bit(0 → 2 -1) để10

đọc giá trị điện áp trong khoảng 0 -> 5V

2 chân A4(SDA) và A5(SCL) 2 chân A4(SDA) và A5(SCL)

Thông số kỹ thuật

-Dải điện áp đầu vào 5V-20V DC;

- Thiết kế khe cắm thẻ SIM tự hành, hỗ trợ thẻ 2G / 3G / 4G hoặc thẻ nhỏ;

- Mô-đun sẽ tự động kết nối với mạng sau khi bạn bật nguồn;

- Tương thích với nhiều cổng nối tiếp đơn chip;

- Giao diện tai nghe và micrô dành riêng;

- Hỗ trợ chức năng TTS DTMF;

- Giao thức Bluetooth 3.0, ăng-ten Bluetooth nâng cao, hỗ trợ SPP cổng nối tiếp và dịch vụ âm thanh;

- Giao diện BAT chạy bằng pin lithium dành riêng, bạn có thể sử dụng pin lithium 3.7V hoặc pin lithium 18650;

- Giao diện IPEX dành riêng, giao diện SMA, giao diện ăng ten lò xo, có thể được sử dụng trong các dịp khác nhau;

- Với chỉ báo công việc: đèn LED sẽ nhấp nháy 1 lần mỗi giây khi không có mạng, không lắp thẻ SIM hoặc thẻ SIM và sẽ nhấp nháy 1 lần mỗi 3 giây trong điều kiện bình thường.

- Kích thước bảng: 40,9 * 51,3mm

Hình 2.4 Sơ đồ chân

Chức năng các chân

cấp nguồn tối đa là 4,4V - 5,2V

module

Indicator) Sử dụng để thông báo khi có cuộcgọi đến

Đầu chốt có hình tròn đường kính 10mm làm bằng thép cứng nên rất chắc chắn Sản phẩm đượcthiết kế thường mở 12vdc, chỉ khi có điện mới đóng và mở được cửa Để tiện lợi hơn, chúng ta nêntìm hiểu và sử dụng sản phẩm khóa chốt cửa điện tử sử dụng Pin Có thể đóng mở cửa chỉ cần sửdụng năng lượng Pin cho tiện lợi

Hình 2.5 Khoá chốt điện từ

Nguyên lý hoạt động

Hệ thống khóa này có chức năng hoạt động như một ổ khóa cửa sử dụng Solenoid để kíchđóng mở bằng điện

Sử dụng điện áp 12VDC là loại thường mở với chất lượng cực tốt và độ bền cao

Khóa có thể sử dụng chung với các mạch chức năng tạo thành một hệ thống khóa chốtthông minh

Thông số kỹ thuật

Độ trễ 0-3-6s

Vật liệu: Vỏ hợp kim nhôm

Nguồn điện: 12VDC

Dòng điện: dòng khởi động: 0.8A; dòng làm việc 0.2A

Yêu cầu nguồn cấp: 12VDC/1-3A

Kích thước: L20xD3.4xH4.2 cm

Trọng lượng: 0.46k

2.1.4 Adapter 12V-2A

Nguồn 12V 2A được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị sử dụng điện áp 12VDC, nguồn có thiết

kế nhỏ gọn, độ bền cao và dòng đầu ra ổn định lên đến 2A

Hình 2.6 Adapter 12V-2A Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: AC 100V-240V 50-60Hz

- Điện áp ra: DC 12V

- Cường độ dòng điện: 2A

- Chiều dài dây: 150cm

- Hiệu quả hoạt động: 95%

LCD 16x2 (16 ký tự trên 2 hàng) là một loại màn hình hiển thị ký tự thông dụng được sử dụng trongnhiều ứng dụng điện tử Màn hình này có kích thước 16 cột x 2 hàng và mỗi ô có thể hiển thị một ký

tự Nó được kết nối với vi điều khiển hoặc các thiết bị khác để hiển thị thông tin tương ứng

Hình 2.7 LCD 16x2 xanh dương

Thông số kỹ thuật

LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)

5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2

Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi

LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm

2.1.6 Module I2C Arduino

Giới thiệu