nghiên cứu và mô phỏng bộ mở khóa cửa bằng cảm biến nhận dạng vân tay

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BỘ MỞ KHÓA CỬA BẰNG CẢM BIẾN NHẬN DẠNG VÂN TAY SINH VIÊN : TRẦN TRƯỜNG KHUYÊN 70Thursday, June 13, 20249:07:13 PM9:07:13 P

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG

BỘ MỞ KHÓA CỬA BẰNG CẢM BIẾN NHẬN DẠNG VÂN TAY

SINH VIÊN : TRẦN TRƯỜNG KHUYÊN

70Thursday, June 13, 20249:07:13 PM9:07:13 PM70Thursday, June 13, 20249:07:13 PM9:07:13 PM70Thursday, June 13, 20249:07:13 PM9:07:13 PM

hghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hoc

hghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hoc

hghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hochghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hoc

70hghieh euu dae diem eau true va tai xihh euc mot xo trahg thai ruhg tai vuoh puoe gic beh eh thchh hocThursday, June 13, 2024

Trang 2

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

(1): Trần Trường Khuyên, MSSV: 15021171 (2): Đỗ Hữu Minh Lâm, MSSV: 15015311

2 Tên đề tài

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BỘ MỞ KHÓA CỬA BẰNG CẢM BIẾN NHẬN DẠNG VÂN TAY

3 Nhiệm vụ (Nội dung và số liệu ban đầu)

Tìm hiểu về các loại khóa cửa sử dụng vân tay đã có trên thị trường Tìm hiểu về các loại cảm biến vân tay, mạch vi điều khiển

Tìm hiểu về cách thức khóa mở cửa

Tìm hiểu về cơ chế an toàn khi có sự cố xảy ra

Thiết kế bộ mở khóa cửa bằng cảm biến nhận diện vân tay

4 Kết quả dự kiến

Mô hình hoàn thiện phù hợp với kích thước thực tế, dự kiến giá cả phù hợp.

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 20… Sinh viên

Trang 3

Trang 4

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

CHƯƠNG 1 : THỰC TRẠNG 1

CHƯƠNG 2 : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 3 : NỘI DUNG ĐỀ TÀI 4

3.1 Giải pháp : 4

3.2 Các vật tư thiết bị được sử dụng 6

3.2.1 Bộ khóa cơ 6

3.2.2 Cảm biến vân tay R308 7

3.2.3 Khóa chốt điện ( Solenoid lock LY-03) 15

3.2.4 Arduino UNO R3 18

3.2.5 Cảm biến hồng ngoại (IR SENSOR) 24

3.2.6 Cảm biến từ (Magnetic Door Switch Sensor) 29

3.2.7 Mạch biến đổi 5V sang 12V 31

3.2.8 Pin dự phòng: 32

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN,LỰA CHỌN, THIẾT KẾ 34

4.1 Arduino UNO R3 34

4.2 Cảm biến vân tay R308 35

4.3 Khóa chốt điện ( Solenoid lock LY-03) 35

Trang 5

4.4.1 Các linh kiện của cảm biến tiệm cận 36

4.4.2 Sơ đồ nguyên lý, giải thích và thiết kế 41

4.6.6 Bảng báo giá vật tư 58

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 59

Trang 6

Hình 3.1: Cảm biến vân tay 4

Hình 3.2: Sơ đồ giải thuật của thiết kế 5

Hình 3.3: Ổ khóa cơ 6

Hình 3.4: Cảm biến vân tay 7

Hình 3.5: Thông số kích thước cảm biến vân tay Đơn vị mm 9

Hình 3.6: Sơ đồ khối logic của hệ thống sinh trắc học 12

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của 1 cảm biến vân tay 13

Hình 3.8: Dấu vân tay 14

Hình 3.9: Nguyên lý nhị phân hóa dữ liệu 14

Hình 3.10: Khóa từ LY-03 15

Hình 3.11: Nguyên lý hoạt động của khóa từ 15

Hình 3.12: Khóa chốt điện từ của hảng Vigatech- VI-280LS 16

Hình 3.13: Khóa chốt điện từ Soyal AR-EBL-AD Đài Loan 17

Hình 3.14: Khóa chốt từ KC002 17

Hình 3.15: Arduino Uno R3 18

Hình 3.16: Sơ đồ chân của chip ATmega328P 19

Hình 3.17: Phần mềm Arduino IDE(Intergrated Development Environment) 23

Hình 3.18: Cảm biến tiệm cận 24

Hình 3.19: Tác động giác tiếp có bề mặt phản xạ 25

Hình 3.20: Tác động gián tiếp bề mặt không phản xạ 26

Hình 3.21: Cảm biến tiệm cận trên điện thoại di động 27

Hình 3.22: Mô hình Robot dò line sử dụng cảm biến hồng ngoại 28

Hình 3.23: Các bộ báo động, chống trộm 29

Hình 3.24: Cảm biến từ 29

Hình 3.25: Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ 30

Hình 3.26: Mạch biến đổi 5V sang 12V 31

Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi 5V sang 12V 32

Trang 7

Hình 4.1: Board Arduino Uno R3 34

Hình 4.2: Cảm biến vân tay R308 35

Hình 4.3: Solenoid 35

Hình 4.4: Cảm biến tiệm cận 36

Hình 4.5: Led phát hồng ngoại 37

Hình 4.6: Sơ đồ chân và ký hiệu của led phát hồng ngoại 37

Hình 4.7: Photodiode (led thu hồng ngoại) 38

Hình 4.8: IC LM358N 39

Hình 4.9: Sơ đồ chân của IC LM358N 39

Hình 4.10: Biến trờ 40

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý cảm biến tiệm cận 41

Hình 4.12: Nguyên mẫu cảm biến tiệm cận 42

Hình 4.13: Sơ đồ mạch in cảm biến tiệm cận 42

Hình 4.14: Cảm biến tiệm cận được thiết kế 43

Hình 4.15: Sơ đồ chân Atmega328 45

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của cả tổng thể mô hình 46

Trang 8

Bảng 3.1 Thông số cảm biến vân tay R308 8Bảng 3.2 các công giao tiếp 9Bảng 4.1: Bảng giá vật tư 58

Trang 9

CHƯƠNG 1 : THỰC TRẠNG

Trong thời đại hiện nay đa số người dân Việt Nam sử dụng các loại ổ khóa cơ truyền thống để khóa cửa hoặc khóa cổng (loại ổ khóa chìa) Tại thời điểm hiện tại độ an toàn của các loại ổ khóa cơ truyền thống này đã không còn được đảm bảo nữa Với khả năng tinh vi, bọn trộm thời nay đã có thể phá khóa cửa trong thời gian ngắn Mặt hạn chế lớn nhất của các loại khóa này là không có bất kỳ một hình thức báo động nào, kẻ gian sau khi bẻ khóa và đột nhập có thể thực hiện hành vi trộm cắp mà chủ nhà không hề hay biết Hoặc đôi khi vô tình làm mất, để quên chìa khóa đâu đó làm cho chủ nhà không thể mở cửa vào nhà mà phải chờ người nhà về mở, đôi khi phải nhờ thợ sửa khóa tới mở rất tốn thời gian và tiền bạc

Với cổng chính của những khu nhà trọ, mỗi khi có người vào ở, ta phải cấp cho họ một chìa khóa để ra vào, và khi họ trả phòng ta phải thu lại chìa khóa ấy Việc phát và lấy lại chìa này còn nhiều bất cập: người ở trọ cho người khác mượn chìa khóa, người ở trọ tự ý đi làm chìa khác để phòng hờ khi làm mất, khi trả phòng người ở trọ không trả lại chìa khóa,… Những điều trên có thể làm cho chủ trọ khó quản lý số lượng chìa khóa, tệ hơn là có thể dẫn đến tình hình trộm cắp do không quản lý được số lượng chìa khóa này

Trong các công ty, văn phòng thường có một số phòng có tính bảo mật cao (phòng chứa tài liệu của công ty, phòng đặt máy chủ của công ty IT, phòng của giám đốc,…) khả năng bị người xấu vào trộm tài sản hoặc đánh cắp dữ liệu của các phòng này khá là cao nếu như vẫn sử dụng ổ khóa cơ truyền thống Tuy các khu vực này đã lắp camera nhưng camera chỉ mang vai trò xem lại tình huống để truy tìm thủ phạm, còn vụ việc đã xảy ra rồi (dữ liệu đã bị đánh cắp và tuồn ra cho công ty đối thủ, máy chủ bị nhiễm vi rút máy tính làm ảnh hướng đến hoạt động của cả công ty,…) thì khó có thể sữa chữa mọi thứ như ban đầu

Vì các lý do đó mọi người đang dần chuyển sang sử dụng các loại khóa thông mình để tăng độ an toàn và tiện dụng Đối với loại khóa thông minh sử dụng vân tay mà nhóm nghiên cứu có thể đáp ứng độ bảo mật và tiện dụng trong các trường hợp trên Với hộ gia

Trang 10

đình và khu nhà trọ sử dụng khóa vân tay có thể hạn chế tình trạng quên mang hoặc làm mất chìa khóa, tăng cường độ bảo mật cho gia đình, không cần phải mất công đi ra ngoài cắt chìa mới mỗi khi có người mới vào ở Với các công ty sử dụng khóa vân tay sẽ tăng cường độ bảo mật vì rất khó để phá được khóa vân tay Nhưng với các loại ổ khóa vân tay có trên thị trường hiện nay thì giá thành rất cao, với giá tầm 3 triệu thì chỉ có chức năng mở khóa bằng vân tay chứ không có nhiều chức năng như báo động khi có người cố phá khóa, cảnh báo cửa chưa được đóng lại, để có đầy đủ chức năng thì giá thành của sản

phẩm rất là cao (khoảng 9 triệu – sản phẩm của hảng Yale Hàn Quốc) [1] nên vẫn còn rất

nhiểu chủ khu trọ còn e ngại chưa muốn lắp đặt ổ khóa vân tay cho khu trọ của họ Do vậy nhóm đã nghiên cứu thiết kế loại khóa vân tay có đủ chức năng (đăng ký/xóa vân tay,báo động khi chưa đóng cửa, báo nhập sai vân tay) với 1 mặt ngoài chỉ có cảm biến vân tay, 1 mặt trong là ổ khóa cơ (ổ khóa cơ phía trong sử dụng cho trường hợp khẩn cấp khi ổ khóa vân tay bị hư bất ngờ thì dùng chìa để mở khóa từ bên trong) và dãy nút nhấn (1 nút dùng để mở cửa từ bên trong đi ra ngoài, 3 nút dùng để đăng ký/xóa vân tay) với giá thành rẻ hơn

Trang 11

CHƯƠNG 2 : TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và tự động hóa ta có thể hoàn toàn áp dụng để làm ra các loại ổ khóa thông minh giúp giảm tình trạng trộm cắp và để quên chìa khóa Hiện nay có rất nhiều loại ổ khóa thông minh trên thị trường (ổ khóa cơ thông minh với khả năng báo động nếu có người chạm vào sau vài giây mà chưa mở khóa, ổ khóa sử dụng mật mã, ổ khóa sử dụng thẻ từ, ổ khóa sử dụng vân tay, ) Tuy vậy với mỗi loại ổ khóa thông minh đều có khuyết điểm riêng của nó:

 Ồ khóa cơ thông minh: tuy có khả năng báo động nhưng vì sử dụng cơ chế của khóa cơ truyền thống nên vẫn rất dễ bị bẻ khóa nhanh chóng

 Ổ khóa sử dụng mật mã: dễ bị phá khóa do đa số mật mã là ngày đặc biệt đối với chủ nhà hoặc sơ ý làm lộ ra mật khẩu

 Ổ khóa sử dụng thẻ từ: thường được sử dụng trong các khu chung cư rất dể bị sao chép thẻ từ bằng các loại máy sao chép thẻ từ, có thể dể dàng mua các loại máy sao chép thẻ từ có sẵn rất nhiều trên thị trường và giá rất đa dạng

Nhưng ổ khóa vân tay lại đa dụng hơn hẳn, vì sử dụng vân tay để mở khóa nên chỉ có người đã đăng ký vân tay mới mở được khóa, khả năng phá khóa rất thấp, nếu có nhiều người khác cần mở khóa để ra vào thì đăng tay rất nhanh chóng và tiện dụng

Sử dụng ổ khóa vân tay có thể hạn chế việc bị trộm cắp phá khóa, không sợ làm mất chìa khóa không thể mở khóa ra vào, khả năng đa dụng có thể đăng ký thêm vân tay cho người khác ra vào đồng thời có thể xóa vân tay của người đó, có hệ thống bào hiệu còi cảnh báo người sử dụng khi chưa đóng cửa lại sau thời gian nhất định

Đối với các khu nhà trọ thường sẽ có 1 cánh cổng chính để ra vào, sử dụng ổ khóa vân tay cho loại cổng này sẽ tăng cao độ bảo mật và tiện dụng cho cả khu trọ Mỗi lần có người mới vào trọ chỉ cần đăng ký thêm vân tay của họ để mở cổng mà không cần phải đi cắt thêm chìa khóa, nếu có người trả trọ thì chủ trọ chỉ cần xóa vân tay của người đó, tránh được trường hợp người trong khu trọ đưa cho người ngoài mượn chìa khóa cổng ra vào tự do giảm thiểu khả năng mất cắp

Trang 12

CHƯƠNG 3 : NỘI DUNG ĐỀ TÀI

3.1 Giải pháp

Sử dụng các công nghệ hiện có chế tạo ra loại khóa thông minh đáp ứng các nhu cầu về độ an toàn và độ tiện dụng Đề tài này áp dụng cảm biến vân tay và 1 mặt của ổ khóa cơ để làm bộ khóa thông minh

Sử dụng cảm biến vân tay để làm ổ khóa thông minh đóng mở cửa ra vào bằng vân tay

Hình 3.1: Cảm biến vân tay

Với cảm biến vân tay ta có thể dể dàng nhận dạng của người dùng (những người đã đăng ký vân tay để sử dụng) với người ngoài (những người chưa đăng ký để sử dụng) Kết hợp với các linh kiện điện tử khác ta có thể làm ra được 1 bộ khóa thông minh đáp ứng những nhu cầu trên

Sau khi xác định được giải pháp, việc tiếp theo là phải xây dựng một sơ đồ giải thuật để định hình toàn bộ cách thức hoạt động của bộ khóa cửa vân tay

Trang 13

Hình 3.2: Sơ đồ giải thuật của thiết kế

Trang 14

3.2 Các vật tư thiết bị được sử dụng 3.2.1 Bộ khóa cơ

Để thực hiện mô phỏng nhóm sử dụng 1 bộ khóa cơ để làm nền cho đồ án Vì cảm biến vân tay sử dụng điện để duy trì hoạt động nên cần vẫn cần phải có 1 cơ chế mở khóa tay thông thường để dự phòng trường hợp ổ khóa đột ngột bị mất điện hoặc bị hư (bị người khác cố tình phá cảm biến, chủ nhà quên thay pin cho bộ khóa)

Hình 3.3: Ổ khóa cơ

Trang 15

3.2.2 Cảm biến vân tay R308

Hình 3.4: Cảm biến vân tay

R308 là cảm biến vân tay đọc riêng biệt, có khả năng đọc vân tay tốc độ cao

Trang 16

Thông số của cảm biến vân tay:

Bảng 3.1 Thông số cảm biến vân tay R308 [2]

(số liệu từ user manual của sản phẩm)

Nguồn DC 3.6V - 6V Giao tiếp UART(TTL logical level)/USB1.1 Dòng điện làm việc Định mức : 100mA

Peak : 150mA

Chế độ giao tiếp 1:1 và 1:N

Baud rate 9600bps Kích cở ký tự 256bytes Thời gian lấy ảnh <0.5s Kích cở mẫu 512 bytes Dung lượng chứa mẫu 256 Cấp độ bảo mật 5(1,2,3,4,5(cao nhất))

Môi trường lưu trữ Nhiệt độ: -40°C-+85°C

RH:<85% Kích thước tổng thể 54.5*20.6*23.8mm

Trang 17

Hình 3.5: Thông số kích thước cảm biến vân tay Đơn vị mm (số liệu từ user manual của sản phẩm)

Các cổng truyền thông nối tiếp:

Bảng 3.2 các công giao tiếp (số liệu từ user manual của sản phẩm)

Pin number Name Type Chức năng 1 Vin In Đầu vào dương nguồn 2 GND - Tính hiệu nối đất 3 TD In Đầu ra dữ liệu TTL logical level 4 RD Out Đầu vào dữ liệu TTL logical level

Thời gian reset: khi bật nguồn, mất khoảng 500ms để thiết bị tự cài đặt Trong giai đoạn này, module không nhận bất kỳ lệnh từ bên ngoài

Để đáp ứng nhu cầu của các khách hàng khác nhau, hệ thống của module cung cấp thư viện cho người dùng

Trang 18

 Notepad:

Hệ thống đặt 1 bộ nhớ 512bytes (16 trang * 32 bytes) cho sổ tay người dùng, khi mà nguồn bị ngắt thì các dữ liệu của notepad vẫn sẽ được lưu lại Khi viết notepad vào 1 trang thì toàn bộ 32bytes của trang đó vẫn sẽ được viết hết bởi nội dung gốc

 Bộ nhớ đệm:

Hệ thống có 1 bộ nhớ ảnh đệm và 2 bộ nhớ đệm cho thư mục ký tự 512bytes trong bộ trống của Ram của module.người dùng có thể đọc hoặc viết bất kỳ bộ nhớ đệm nào qua mục giới thiệu

Lưu ý: Nội dụng của các bộ nhớ đệm trên sẽ bị xóa khi nguồn bị ngắt

Trang 19

Hệ thống thư viện lệnh điều khiển cảm biến vân tay:

 Begin(): Khởi tạo giao diện nối tiếp và tốc độ baud

 Adafruit_Fingerprint(): Quy định chân pin RX, TX giao tiếp từ mạch điều khiển ngoài

 Verify password(): Kiểm tra mật khẩu truy cập của cảm biến (mật khẩu mặc định là 0x0000000) Lệnh này còn dùng để kiểm tra cảm biến có hoạt động và phản hồi hay không

 getImage(): Nếu cảm biến phát hiện vân khi dùng lệnh này cảm biến sẽ lưu lại ảnh của vân tay đó vào thư mục ImageBuffer và phản hồi về hệ thống lệnh xác nhận thành công , nếu không phát hiện vân tay lệnh sẽ phản hồi về hệ thống “can’t detect finger”

 Image2Tz(): Định dạng ảnh của vân tay qua mẫu kỹ thuật số  createModel(): Từ 2 mẫu kỹ thuật số tạo 1 mẫu mới

 emptyDatabase(): Xóa toàn bộ dữ liệu của cảm biến  storeModel(): Lưu các mẫu đã được đếm để quét sau

 loadModel(): Tải lên mẫu vân tay từ bộ nhớ flash vào file Buffer1

 getModel(): Chuyển các mẫu vân tay 256 bit từ file buffer vào thiết bị thông qua cổng UART

 deleteModel(): Xóa 1 mẫu trong bộ nhớ

 fingerFastSearch(): Tìm kiếm vị trí bộ nhớ lưu trữ vân tay vừa quét qua cảm biến, sau khi tìm kiếm thứ tự vị trí lưu trữ được lưu vào biến fingerID  getTemplateCount(): Tra xem có bao nhiêu mẫu đang được lưu trong cảm

biến

 setPassword(): Cài đặt mật khẩu cho cảm biến, nếu cài đặt mật khẩu mới thì trong những lần giao tiếp tiếp theo cảm biến sẽ yêu cầu mật khẩu để giao tiếp với cảm biến

Trang 20

Công nghệ sinh trắc học áp dụng trong cảm biến vân tay :

Hình 3.6: Sơ đồ khối logic của hệ thống sinh trắc học (Hình ảnh được lấy từ trang Wikipedia - sinh trắc học)

Nguyên lý hoạt động của cảm biến vân tay:

Khi được cấp nguồn càm biến sẽ ở trạng thái chuẩn bị, sau khi được cấp lệnh bắt đầu cảm biến bật led sáng để chờ quét vân tay Sau khi quét và lưu vân tay vào bộ nhớ tạm, cảm biến sẽ chuyển hình ảnh vân tay sau dữ liệu dạng số Nếu người dùng chọn chế độ đăng ký vân tay thì dữ liệu số này sẽ được lưu vào bộ nhớ của cảm biến, nếu người dùng chỉ đang quét để xác nhận vân tay thì dữ liệu số của vân tay sẽ không được lưu trữ mà chỉ xét vân tay có đúng hay không và phản hồi tín hiệu đúng /sai về hệ thống

Trang 21

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của 1 cảm biến vân tay

(Hình ảnh tham khảo từ bài viết “How finger print work” của tác giả Robert Triggs trên trang Androidauthority.com)

Khi đặt ngón tay lên màn kín của cảm biến, nguồn ánh sáng của cảm biến sẽ phản chiếu hình ảnh dấu vân tay vào lens sau đó cảm biến hình ảnh sẽ nhận và lưu lại hình ảnh vân tay

Trang 22

Hình 3.8: Dấu vân tay

(Hình ảnh được lấy từ trang web vantayihr.com)

Vân tay con người có những đường cong, có những đường nét nổi lên và những đường vân tay chìm xuống như những thung lũng, khi đưa vân tay qua cảm biến, cảm biến sẽ chụp hình ảnh vân tay, phần màu đen nổi trên hình là những đường nét nổi phần da trực tiếp chạm vào mặt kín, đường trắng không màu là những đường nét chìm phần da không trực tiếp chạm vào mặt kín tạo thành những lỗ hổng không khí

Hình 3.9: Nguyên lý nhị phân hóa dữ liệu (Hình ảnh được lấy từ trang web vantayihr.com)

Cảm biến sẽ dựa vào các đường nét trắng đen này đưa hình ảnh trở thành dữ liệu số để lưu trữ và so sánh với các vân tay khác Bởi vì ai cũng có dấu vân tay khác nhau nên sẽ tạo ra dữ liệu số khác nhau và cảm biến vân tay áp dụng điều này để phát hiện các vân tay khác nhau

Trang 23

3.2.3 Khóa chốt điện (Solenoid lock LY-03)

Hình 3.10: Khóa từ LY-03

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp sử dụng: 12 VDC  Dòng điện tiêu thụ: 0.8A  Công suất tiêu thụ: 9.6W  Sử dụng Solenoid từ  Tốc độ phản ứng: < 1s  Thời gian kích liên tục: < 10s  Đi kèm gá chốt khóa

Hình 3.11: Nguyên lý hoạt động của khóa từ

Trang 24

Nguyên lý hoạt động:

Ở trạng thái bình thường (khi chưa có điện cấp vào) lò xo sẽ đẩy cho chốt bật ra, khi được cấp điện vào cuộn dây bên trong sẽ thành nâm châm điện kéo chốt khóa vào trong

Cấu trúc của khóa từ bao gồm khung ngoài, dây điện nối 2 đầu cuộn dây với (-) (+) của nguồn điện 1 chiều, lò xo đàn hồi, trục piston ở giữa, cuộn dây đồng quấn nhiều vòng trục piston đặt giữa cuộn dây Áp dụng hiện tượng cảm ứng điện từ, khóa từ hoạt động như 1 nam châm điện, khi cấp nguồn vào cuộn dây dòng điện chạy xung quanh cuộn dây sẽ tạo ra từ trường ở giữ cuộn dây và từ trường này sẽ hút trục piston đẩy vào trong, ở trạng thái bình thường khi không có điện lò xo sẽ đẩy trục piston ra ngoài như 1 chốt khóa

Một số loại khóa từ khác:

Hình 3.12: Khóa chốt điện từ của hảng Vigatech- VI-280LS (Hình ảnh và thông số tham khảo trên trang http://vken.vn) Thông số kỹ thuật:

Trang 25

- Điện áp 12V/480mA hoặc 24V/240mA - Kích thước: 250Lx47Wx11H(mm) - Trọng lượng: 2.5kg

- Giá thành: 1.000.000 vnd

Hình 3.13: Khóa chốt điện từ Soyal AR-EBL-AD Đài Loan (Hình ảnh và thông số tham khảo trên trang http://vken.vn) Thông số kỹ thuật :

- Nguồn sử dụng : 12V

- Kích thước: 205L x 35W x 2H (mm) - Giá thành : 680.000vnd

Trang 26

Thông số kỹ thuật:

- Kích thước:205L x 35W x 40H (mm) - Nguồn sử dụng: 12VDC/80mA - Giá thành : 750.000vnd

Trang 27

Hình 3.16: Sơ đồ chân của chip ATmega328P (Hình ảnh tham khảo từ trang Arduino.cc)

Thông số của Arduino UNO R3:

 Sử dụng vi điều khiển ATmega328p  Điện áp hoạt động 5V

 Điện áp đầu vào định mức : 7 ~12V  Điện áp đầu vào giới hạn : 6~20V

 Chân digital I/O 14 chân (6 chân PWM output)  Chân PWM digital 6 chân

 Chân chân đầu vào analog 6  Dòng sử dụng I/O pin 20mA  Dòng sử dụng 3.3V pin: 50mA

Trang 28

 Bộ nhớ flash : 32KB (ATmega 328P) với 0.5KB dùng bởi bootloader  SRAM : 2KB(ATmega 328P)

 EEPROM : 1KB (ATmega 328P)  Clock speed : 16MHz

 LED Builtin : 13  Chiều dài : 68.4mm  Chiều rộng 53.4mm  Trọng lượng 25g

Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu

cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, ta sẽ làm hỏng Arduino UNO R3 [3]

Các chân năng lượng:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết

bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau  5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của

nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở

chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc

chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Trang 29

Vi điều khiển ATmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino UNO R3 có:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash

của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi

lập trình sẽ lưu ở đây Khi khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

 1KB cho EEPROM (Electrically ErasebleProgrammable Read Only Memory): đây

giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra trên Arduino Board

Mạch Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –

RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải

8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức

năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

Trang 30

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút

Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

 Arduino UNO R3 có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu

10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với

chân AREF trên board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân

analog Tức là nếu ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác Ở mô hình này do không có nhu cầu sử dụng tín hiệu Analog nên các chân này sẽ không được sử dụng

Trang 31

Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

Hình 3.17: Phần mềm Arduino IDE(Intergrated Development Environment)

Trang 32

3.2.5 Cảm biến hồng ngoại (IR SENSOR)

Hình 3.18: Cảm biến tiệm cận

(Hình ảnh tham khảo trên trang Etechnophiles.com)

Trong mô hình của đề tài nhóm sử dụng một cảm biến hồng ngoại để kích hoạt cảm biến vân tay để tránh trường hợp cảm biến vân tay luôn trong trạng thái chờ để quét (sáng đèn liên tục), gây tốn pin và dễ thu hút sự chú ý của người lạ Trước khi đi vào phần chế tạo cả nhóm xin nói tổng quát về cảm biến hồng ngoại, cơ chế làm việc cũng như ứng dụng của nó

Cảm biến hồng ngoại là gì ?

Cảm biến hồng ngoại là một thiết bị phát hiện ra tia hồng ngoại rơi trên nó Có nhiều loại cảm biến hồng ngoại khác nhau tùy vào các ứng dụng khác nhau: Cảm biến tiệm cận (được dùng trong các điện thoại cảm ứng và Robot tránh vật cản), cảm biến tương phản (được dùng trong các Robot dò line) và trong các bộ đếm/cảm biến vật cản

(dùng cho việc đếm hàng hóa và trong các báo chống trộm) [4]

Cơ chế làm việc

Cảm biến hồng ngoại cơ bản là một thiết bị bao gồm một LED hồng ngoại (IR LED) và một photodiode (một loại điốt bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện

tích theo hiệu ứng quang điện) mà được gọi chung là photo-coupler LED hồng ngoại phát

ra tia hồng ngoại, photodiode sẽ tiếp nhận các tia hồng ngoại này và xuất tín hiệu ở ngõ ra

Trang 33

cảm biến Có nhiều cách để tia hồng ngoại tác động đến photodiode, trong bài báo cáo này ở đây chỉ đề cập đến 2 cách chính: Tác động trực tiếp và tác động gián tiếp

 Tác động trực tiếp:

Nếu đặt LED hồng ngoại đối diện photodiode để toàn bộ tia hồng ngoại phát ra từ LED hồng ngoại được truyền đến photodiode Điều này sẽ tạo ra một làn tia hồng ngoại vô hình giữa LED hồng ngoại và photodiode Nếu đặt một vật không trong suốt chắn ngang làn tia này, bức xạ hồng ngoại sẽ không đến được photodiode và sẽ bị phản lại hoặc bị hấp thụ bởi vật cản này Cơ chế này được dùng trong các bộ đếm sản phẩm hay trong các bộ báo chống trộm

 Tác động gián tiếp:

Chúng ta biết rằng màu đen hấp thụ tất cả các tia bức xạ và màu trắng thì phản lại các bức xạ này Trong mô hình này nhóm sẽ dùng kiến thức cơ bản này để xây dựng mô hình cảm biến hồng ngoại Nếu ta đặt LED hồng ngoại và photodiode cạnh nhau thì bức xạ hồng ngoại sẽ phát ra thẳng về cùng hướng mà photodiode hướng tới, do đó sẽ không có tác động nào bức xạ hồng ngoại nào lên photodiode Nhưng nếu đặt một vật không trong suốt lên phía trước LED hồng ngoại và photodiode thì sẽ xảy ra 2 trường hợp

Trang 34

o Vật có bề mặt không phản xạ

Nếu là vật không phản chiếu, (Màu đen hay các màu tối khác), thì hầu hết các bức xạ sẽ bị hấp thụ bởi vật này, việc đặt vật không phản chiếu cũng giống như việc không đặt vật nào trước LED hồng ngoại, và do đó sẽ không có tác động nào lên photodiode.(Xem hình b)

Hình 3.20: Tác động gián tiếp bề mặt không phản xạ

Trang 35

Các ứng dụng

 Cảm biến tiệm cận

Hình 3.21: Cảm biến tiệm cận trên điện thoại di động

Để tạo ra cảm biến tiệm cận chúng ta sử dụng phương pháp tác động gián tiếp

phản chiếu Bức xạ hồng ngoại phát ra bởi LED hồng ngoại sẽ bị phản chiếu lại trên

photodiode bởi một vật Vật này đặt càng gần, cường độ tác động lên photodiode càng cao Cường độ này được chuyển hóa tương tự thành điện áp bởi một mạch điện tử, và sau đó được dùng để đo khoảng cách

Các cảm biến tiệm cận này có thể thấy được trên các điện thoại cảm ứng Trên màn hình cảm ứng của điện thoại, khi đưa điện thoại lên gần tai để nghe gọi thì màn hình phải tắt tạm thời để nếu có vô tình chạm vào màn hình thì sẽ không có tác động

 Robot dò line

Cảm biến hồng ngoại là bộ phận chính trong cơ chế hoạt động của robot dò line Các cảm biến này phát hiện màu sắc bên dưới nó và gửi tín hiệu đến vi đều khiển hay mạch chủ từ đó đưa ra quyết định dựa trên thuật toán được thiết lập bởi người chế tạo Các cảm biến này dựa trên phương pháp tác động gián tiếp phản chiếu/không phản chiếu LED hồng ngoại phát ra tia hồng ngoại mà ở trạng thái bình thường sẽ bị phản trở lại cảm biến từ bề mặt màu trắng quanh đường line màu đen, và sẽ tác động lên photodiode Ngay khi các tia hồng ngoại này rơi trên đường màu đen, các bức xạ sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi màu đen, vì thế không có bức xạ hồng ngoại nào phản lại cảm biến