Xây dựng mô hình mở cửa bằng thẻ từ

Hoạt động của hệ thống kiểm soát cửa bằng thẻ từ 11... KHẢO SÁT Sơ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 21LCD Liquid Crystal Display LED Light EmittingDiode med milicandela PWM Pulse WidthModu

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

1.1.2 Hoạt động của hệ thống kiểm soát cửa bằng thẻ từ 11

2.1 KHẢO SÁT Sơ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 21

LCD (Liquid Crystal Display)

LED (Light EmittingDiode)

med (milicandela)

PWM (Pulse WidthModulation)

RFID (RadioFrequency Identification)

USB (Universal Serial Bus)

Hình 1.1: Hệ thong kiềm soát ra vào cửa bằng thẻ từ 9 Hình ỉ 2: Đần đọc thẻ cảm ứng 9

Hình 1 3: Thẻ nhân viên 10

Hình 1 4: Hoạt động của hệ thong kiếm soát cửa bằng thẻ từ 11

Hình 1 5: Mạch phát triên Arduino Uno R3 12

Hình 1 6: Giao tiếp của ATmega328 với các ngõ ra của Arduino Uno R3 14

Hình 1 7: Module đọc thẻ RFID RC522 14

Hình 1 8: Thẻ thụ động (thẻ từ trắng + móc khóa) 125KHz 15

Hình 1 9: LCD 20x4 xanh lá 15

Hình 1 10: cấu tạo cùa Led 17

Hình 1 11: Buzzer 19

Hình 1 12: Động cơ RC Servo 9G 19

Hình 1 13: Giao diện làm việc với IDE 20

Hình 2 1: Sơ đồ khối của hệ thong 21

Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thong cửa tự động dựa trên RFID và Arduino 22

Hình 2 3: Lưu đồ thuật toán 23

Hình 3 ỉ: Sơ đồ mạch thi công 28

Hình 3 2: Sơ đồ bo trí lỉnh kiện 28

Hình 3 3: Toàn bộ mạch thi công hoàn chỉnh 29

Hình 3 4: Trạng thái bam đầu của hệ thống 29

Hình 3 5: Kiêm tra thẻ 29

Hình 3 6: Thông báo hiển thị khi thẻ sai, cửa đóng đèn đỏ sáng, còi báo 30

Hình 3 7: Thông báo hiên thị khi thẻ đúng 30

Hình 3 8: Trạng thái khi thẻ đúng, đèn xanh sáng, nhạc chuông báo, cửa mở 30

Hình 3 9: Trạng thái hiến thị đếm ngược sau 10 giây cửa sẽ đóng 31

7

c PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các hệ thống cửatự động được sửdụng hiệnnay là dùngcảm biến để truyền đạt tính hiệu Vì vậy mà nó có rất nhiều kiểu dáng, hình thức của khác nhau, như: cửa trượt tựđộng, cửa mởtự động xếp lóp, Ngoài ra, còn có các loại cửa tự động dựa trên tác động

cơ, như: cửa xoay tựđộng, cửa bán tự động Tuy nhiên, có mộtdạng cửatự động dựa trên

hệ thống đọc thẻ cho phép mở cửa khi nhận dạng đúngthẻyêu cầu

Môhình mở cửa bằng thẻ từ được chúng tôi xây dựng dựa trên hoạt động củamoduleđọc thẻ RFID và mạch phát triển Arduino Uno R3, vớihình thức là một môhình nhỏvới định hướng nghiên cứucơ bản để đi đến một hệ thốnghoàn chỉnh

2 Mục đích nghiên cứu

Mô hìnhđóng mở cửa tự động bằngthẻtừ

3 Đối tượng và khách thể nghiên cứu

Đối tượng: Mô hình mởcửa bằngthẻtừ

Khách thể: Arduino UNO

4 Giả thuyết nghiên cứu

Tác giả đã đưahệ thống đóng mở cửa tự động bằng thẻ từ vào giảng dạy thông qua việc mô phỏng trênmô hìnhđóng mở cửa tự động bằng thẻ từ dùng ArduinoƯno

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xâydựngmô hình đóngmở cửa tự động bằng thẻ

6 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu liên quanđếnđề tài nghiên cứu

- Nghiên cứulý thuyết

- Nghiên cứu xây dựngmôhình hệ thống thựctế

- Đánh giá, so sánh kết quả và kết luận

7 Phạm vi ảnh hưởng

Đe tài “Xây dựng mô hình đóng mở cửa bằng thẻ từ” được tác giả tiến hành nghiên cứu dựa trên tình hình thực tế tại khoa Điện - Điện tử trường Cao đắng Công nghệ ThủĐức nhằm đáp ứng nhu cầugiảng dạy và họctập của giảng viên và học sinh sinh viên

D PHẨN NỘI DUNG

1.1 HỆ THÔNG KIẺM SOÁT RA VÀO CỬA BẢNG THẺ TỪ

1.1.1 Các thành phần chính của hệ thống

Hình 1 1: Hệ thống kiếm soát ra vào cửa bằng thẻ từ

Hệ thống sử dụng các hình thức xác thực bằng điện tử Xử lý và điều khiển hoàn toàn tự động Mang lại sự tiện lợi, tiện nghi cho người sử dụng và quản lý.

Hệ thống kiểm soát cửa là 1 chuỗi khép kín, gồm các thiết bị như đầu đọc thẻ, thẻ từ, bộ điều khiến trung tâm Được kết nối với nhau để hoạt động tuần hoàn.

❖ Đầu đọc thể cảm ứng:

Hình 1.2: Đầu đọc thẻ cảm ứng

9

- Nơi đọc thẻ đế ra hiệu lệnh mở cửa cho nhân viên

- Được kết nối với trung tâm kiếm saot và phần mềm quản lý trên máy tính

- Vận hành tự động và sử dụng pin AA Có hỗ trợ in các lịch sử ra vào thông qua kết nối.

- Quy định thời gian ra vào cửa cho nhân viên theo múi giờ đã đặt sẵn

- Màn hình hiển thị trạng thái của thiết bị Các thông tin ngày giờ, số thẻ, tên nhân viên.

- Quản lý chế độ ngày nghỉ, lễ, phép, tăng ca chính xác nhất

- Tích hợp chế độ chống xâm phạm, cạy phá thiết bị

❖ Thẻ nhân viên

Card Design

Hình 1 3: Thẻ nhân viên

- Là thẻ từ đã được phân quyền và có một mã số duy nhất

- Các thông tin của mỗi nhân viên được lưu trong phần mềm ứng với một mã thẻ.

- Sử dụng nguồn 12V/370mA hoặc 24V/185mA

- Được kết nối trực tiếp với đầu đọc thẻ Cho phéo theo dõi tình trạng của cửa.

Phần mềm kiểm soát

- Phần mềm được cài đặt trên máy tính, kết nối với đầu đọc thẻ Cho phép kiểm soát cửa ra vào trực tuyến Tải các dữ liệu offline

- Hiển thị thông tin nhân viên, giờ ra vào cửa chính xác

- Giúp tính công - tính lương cho từng nhân viên

- Phân quyền cho người sử dụng.

1.1.2 Hoạt động của hệ thống kiểm soát cửa bằng thẻ từ

Hình 1 4: Hoạt động của hệ thống kiêm soát cửa bằng thẻ từ

- Thiết bị kiếm soát sẽ được gắn vào cửa các văn phòng nơi làm việc hay các phòng ban cần được giám sát ra vào chặt chẽ Hệ thống có thể sử dụng hai đầu đọc thẻ cảm ứng cho chiều vào

và chiều ra Hệ thống cũng có thể sử dụng một đầu đọc thẻ cho chiều vàovà dùng nút Exit cho chiều ra sẽ tiện lợi hơn.

- Các đầu đọc tại cửa ra vào được kết nối với nhau, kết nối với phầm mềm quản lý Các dữ liệu ra vào được lưu trữ trên đầu đọc, sau đó sẽ được truy xuất và gửi về phần mềm kiểm soát trên máy tính người quản lý.

- Mỗi nhân viên sở hữu một thẻ từ cảm ứng Trên đó có mã số đã được đăng ký trên phầm mềm về các thông tin của nhân viên Hoặc in trực tiếp thông tin về tên tuổi, công ty, ảnh lên thẻ từ.

- Để ra vào cửa nhân viên cần sử dụng thẻ từ trước đầu đọc thẻ cảm ứng Khi nhận được tín hiệu của thẻ từ đầu đọc thẻ truyền thông tin về phần mềm quản lý Khi thông tin trên thẻ trùng

11

khớp với thông tin đăng ký trên phần mềm quản lý, lệnh mở cửa sẽ được thực hiện Thực hiện thao tác tương tự với lệnh mở cửa để đi ra khỏi phòng hoặc sử dụng phím Exit thay cho lệnh mở cửa

- Mọi dữ liệu thông tin nhân viên, giờ ra vào quẹt thẻ trên đầu đọc Được lưu trữ toàn bộ trên phần mềm quản lý Đây là căn cứ đế chấm công và tính lương cho nhân viên.

1.2 GIỚI THIỆU LINH KIỆN sử DỤNG

1.2.1 Mạch Arduino Uno R3

ResetButton LED —Load & Pin 13

14x Digital IN/OUT(6x PWM~ OUT)

(5V, 40mA)

LED Power ON(Greenor Orange)USB

DC Power Jack PowerOUT PowerIN 6x Analog IN

(AC-to-DC adapter) (5V,3.3V) (9V battery) (0-5V10-bitADC)

(7-12V)

Hình Ỉ 5: Mạch phát triển Arduino Uno R3

< ♦ Thông so kỹ thuật:

o Chip điều khiển chính: ATmega328

o Chip nạp và giao tiếp UART: ATmegal6U2

o Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc trònDC

o Số chân Digital: 14 (6 chân PWM)

o Số chân Analog: 6

o Dòng ra tối đa trên GP1O: 40mA

o Dòng ra tối đa trên chân cấp nguồn 3.3VDC:150mA

o Dung lượngbộ nhớ Flash: 32KB

o SRAM: 2KB

o EEPROM: 1KB

o Tốc độ thạch anh: 16MHz

Arduino Uno R3 CÓ 14 chân Digitaldùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có haimức điện áp là ov và 5V với dòng vào/ ratối đa là 40mA

❖ Chức năng các chân của Arduino Uno R3:

o 2 chân Serial 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL, Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với các thiết bị khác thông qua hai chânnày

o Chân PWM (~) 3,5,6,9,10 và 11: cho phépxuấtra xung PWMvới đọ phân giải là 8 bit Có thể điều chỉnh điện áp ra ở các chânnàytừmức ov đến 5Vthay vì chỉ cố định mức ov và5Vnhư những chânkhác

o Chângiao tiếp SPI: 10 (SS), 1l(MOSI), 12 (M1SO), 13 (SCK): Ngoài chứcnăng thông thường, bốn chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

o LED 13: trên Arduino có 1 đén led màu cam Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được sử dụngthìLED sẽ sáng

o 6 chân Analog (AO -A5): cung cấp độphân giải tín hiệu lObit để đọc giá trị điệnáp trong khoảng ov đến 5V Với chân AREF trên board, cóthể đưa vàođiện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cung cấp điện

áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trongkhoảng ov đến 2.5V vớiđọ phân giảilà 10 bit

❖ Chip ATmega328:

13

[Arduino Pinsj [Arduino Pins'!

reset Pin#1: PC 6 4-* ** Pin #28: PC5

Pin # 2: PDO 4-* 4—► Pin # 27: PC4

Analog Input 5 Analog Input 4

Digital pin 1 (TX) Pin #3: PD1 44 4-4 Pin # 26: PC3 Analog Input 3

Digital pin 2 Pin # 4: PD2 4-4 4-4 Pin # 25: PC2 Analog Input 2

Digital pin 3 (PWM) Pin # 5: PD3 4-4 ** Pin # 24; PC 1

Digital pin 4 Pĩn # 6: PD4 ^4 wPin # 23 PCO

Voltage (VCC) Pin # 7: vcc 4-4 **Pin # 22: GND

Ground Pin # 8: GND4-4 4-»Pin ti 2-1: Aref

Crystal Pin # 9: PB6 w 4-4Pin # 20:AVCC

Crystal Pin # 10:PB7 4-4 H|S 1 4^>Pin # 19:PB5

Analog Input 1 Analog Input 0

Ground (GND) Analog Reference Voltage (VCC) Digital Pin 13

Pin # 11 : PD5 4—4 4-4 Pin # 18:PB4

Pin # 12: PD6 4-4 4—4 Pin # 17: PB3

Digital Pin 12 Digital Pin 11 (PWM)

Pin # 13: PD7 4-4 4-4PÌO # 16:PB2

Pin # 14: PB0 4-4 4-4Pin # 15:PB1

Digital Pin 1O (PWM) Digital Pin 9 (PWM)

Hình 1 6: Giao tiếp của ATmega328 với các ngõ ra của Arduino Uno R3

o Giao tiếp: SPI

o Tốc độ truyền dữ liệutối đa: 10Mbit/s

Giớithiệuthẻ sử dụng cho module RFID:

Hình ỉ 8: Thẻ thụ động (thẻ từ trắng + móc khóa) 125KHz

Nguyên lý hoạt động: Khi đua thẻ RFID vào vùng hoạt động của đầu đọc RFID Sóngvô tuyến phát ra từ đầu đọc sẽcung cấp chothẻ RFID một dòng điện đủ nhỏ để kíchhoạthệ thống mạch điện nằmtrong thẻ giúp nó gửi lại tín hiệuhồi đáp và thục hiệntrao đổi dữ liệutheo yêu cầu củabộđiềukhiểnkết nối với đầuđọc RFID

❖ Chức năng các chân cứa LCD

o Chân 1: (Vss) Chânnối đất cho LCD, chân nốivới GNDcủa mạch điều khiển

o Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, chânnốivớivcc = 5V củamạch điều khiển

o Chân 3: VEE làchân điều chỉnhđộtươngphản của LCD

o Chân 4: RS Làchân chọnthanh ghi (Register select) Nốichân RS với logic “0” (GND) hoặc logic“1” (VCC) để chọn thanh ghi

- Logic “ ”: Bus DB0-DB7 sẽnối với thanh ghi lệnhIR của LCD (ởchế

độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

- Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

o Chân 5: R/W làchân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/Wvới logic “0”để LCD hoạtđộng ởchế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ởchế độ đọc

o Chân 6: E Là chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lênbus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép củachânE

- Ở chế độ ghi: Dữliệuở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấpnhận) thanhghibên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tínhiệu chân E

- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khiphát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữở bus đến khi nào chânE xuống mức thấp

o Chân 7 - 14: DBO- DB7 - Tám đường của bus dữ liệu dùng đểtraođổithông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả8 đường, với bit MSB là bit DB7

- Chế độ 4 bit: Dữ liệu đượctruyền trên 4 đường từDB4 tới DB7, bit MSB làDB7

o Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền

o Chân 16: GND cho đèn nền

1.2.4 LED

Hình 1 10: cấu tạo cùa Led

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa làđiốt phát quang) là các điốt

có khả năng phát ra ánh sáng haytiahồngngoại, tử ngoại Cũng giốngnhư điốt, LEDđược cấutạotừ một khối bán dẫn loạip ghép vớimột khối bándẫn loại n Độ sáng của LED phụ thuộc vào cường độ năng lượng phát ratừ điốthoặc từ2 điện cực bên trong

♦ ỉ* Đặc điểm - tính chất

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp màbước sóng ánh sángphát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mứcnăng lượng (và màu sắc củaLED)hoàn toàn phụ thuộc vào cấutrúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

17

Loại LED Điện thếphân cực thuận

Vàng 2 - 2,5VXanh lá cây 2 - 2,8V

❖ Thông số kỹ thuật LED 5mm:

❖ Phân loại LED

LED hiển thị có đặc điểm phátsáng khác nhau:

• LED chóp gâysựchú ý hoặc cảnh báo, LED hoạt động bằng mạch dao động với tần số được định sẵn

• Bi-colourLED làLED có haibộ phát sáng có màukhác nhau trong cùng một thiếtbị để hiển thịtrạng thái hệ thống, vd: on hoặc off

• Tri-colourLED là LED có ba bộ phát với màu khác nhau trong cùng một thiết bị

để tạora các màu sắc khác nhau, vd: hệ thống đèn giao thông

• LED RGB (đỏ, xanh lá, xanhdương) có bộ phận điều khiển được tích hợp bêntrong để tạo ra sự kết họp các màu cơ bản và được sử dụng chủ yếu trong trang trí

và giải trí

1.2.5 Buzzer

♦♦» Thông sổ kỹ thuật:

o Điện áp hoạt động: 3.5 - 5.5VDC

o Dòngđiện tiêu thụ: <25Ma

o Biên độ âmthanh: >80dB

19

Hình 1 13: Giao diện ỉàm việc với IDE

1.3.2 Ngôn ngữ lập trình

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino đều được lập trình bằng ngôn ngữ riêng Ngônngữnày dựa trên ngôn ngữ Wiring Và Wiring lạilà một biếnthể của C/C++.Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từngôn ngữ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ dể họclậptrìnhcho Arduino

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH - THIẾT KÉ HỆ THỐNG

2.1.1 Sơ đồ khối và chức năng

2.1.1.1 Sơ đồ khối

Hình 2 1: Sơ đồ khối của hệ thống

2.1.1.2 Chức năng các khối

* Khối đọc tín hiệu:

Là khối nhận biết mã ID (có trên thẻtừ) và phát tín hiệu chứa mã ID đó đến khối

xửlý trung tâm Khối sử dụng module đọc thẻ RFID RC522

* Khối xửlí trungtâm:

Tiếp nhận tín hiệu được gửi đến từ khối đọc tín hiệu Nhận diện và xử lý kết quảsau đó xuất ra yêu cầu thực hiện Khối sử dụng mạch phát triển Arduino UnoR3

Trên Arduino Uno R3 gồm có các khối:

- Khối chuyển đổi Serial - USB: giao tiếp COM ảo qua USB, nạp chưong trình

- Khối nguồn: cân bằng điện áp đúng với điện áp yêu cầu, cung cấp nguồn điệncho toàn hệ thống

- Các cổng điện áp: cung cấp điệnáp vào các thiết bị

- Các cổng Analog in: cổng logic 0-1 vào với mức điện áp 0 - 5V tươngứng

- Khối các cổng Digital in- out: cóthể nhận điện áp vào hoặc xuấtđiện ápra

* Khối hiển thị:

21

Là phần hiểnthị các thôngsố xuất ra và các thông báo cần thiết cho hệ thống Trong khối này sử dụng: LCD 16x2 (hiểnthị), Led RGB và buzzer (thông báo).

và xuất các yêu cầu đến các khối hiển thị vàđộng cơ

2.2 LẬP TRÌNH CHO ARDƯINO

2.2.1 Luu đồ thuật toán

Hình 2 3: Lưu đồ thuật toán

2.2.2 Chương trình lập trình cho Arduino

//khoi tao thu vien

Liquidcrystal lcd(A0, Al, A2, A3, A4, A5);

int My_mfrc522_Tagl[5] = {0x83,0xEC,0x90,0xAC,0X00};

//bien de giu access_card

boolean My_Card = false;

int melody[] = {N0TE_C4, N0TE_G3, N0TE_G3, N0TE_A3, N0TE_G3, 0, N0TE_B3,

//neu ma ID khong khop, bao sai the

if( My_mfrc522_Tag[i] != mfrc522.uid.uidByte[i] &&

My_mfrc522_Tagl[i] != mfrc522 uid uidByte[ i])

{ My_Card = false;

int noteDuration = 1000/noteDurations[thisNote] ;

int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;

delay(pauseBetweenNotes);

// ngung phat

noTone(8) ;

25

CHƯƠNG 3: THI CÔNG MẠCH

3.1 Sơ ĐÒ MẠCH THI CÔNG

Hình 3 ỉ : Sơ đồ mạch thi công

3.2 BỐ TRÍ LINH KIỆN

Hình 3 2: Sơ đồ bố tri ỉinh kiện

3.3 KÉT QUẢ

Hình 3 3: Toàn bộ mạch thi công hoàn chỉnh

Hình 3 4: Trạng thái ban đầu của hệ thống

Hình 3 5: Kiêm tra thẻ

29

Hình 3 6: Thông báo hiên thị khi thẻ sai, cửa đóng đèn đỏ sáng, còi báo

Hình 3 7: Thông báo hiên thị khi thẻ đúng

Hình 3 8: Trạng thái khi thẻ đúng, đèn xanh sáng, nhạc chuông báo, cửa mở

Hình 3 9: Trạng thái hiên thị đêm ngược sau 10 giây cửa sẽ đóng

31