Mạch Khoá Số Điện Tử

Mạch ứng dụng khóa số điện tử là một trong các sản phẩm có thể đáp ứng được nhu cầu bảo mật cho con người.. Trong quá trình thực hiện còn gặp nhiều cản trở như: mạch chỉ thiết kế với một

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, hiện đại, thế giới chúng ta đã và đang từng ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Với sự phát triển của các kỹ thuật cũng như các thiết bị điện tử đã tạo ra hàng loạt thiết bị điện tử có đặc điểm nổi trỗi như: độ chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ nhanh, giá thành lại rẻ đã góp phần thúc đẩy sự hiệu quả trong các hoạt động của con người Bên cạnh nước ta đang đi đến giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì điện tử đang dần trở thành môn khoa học đa nhiệm vụ Nó

đã đáp ứng được những nhu cầu thiết yếu của con người Một trong những nhu cầu thiết yếu đó là tính bảo mật cho cá nhân, tổ chức, đoàn thể, xí nghiệp Công việc bảo mật là cần thiết Mạch ứng dụng khóa số điện tử là một trong các sản phẩm có thể đáp ứng được nhu cầu bảo mật cho con người

Đồ án này đặt mục tiêu: thiết kế, mô phỏng và thi công một mạch khóa số điện tử với các yêu cầu như tính ổn định cao, giá thành rẻ và tính thẩm mỹ Xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn đã định hướng nội dung và phương pháp giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng tiến độ Trong quá trình thực hiện còn gặp nhiều cản trở như: mạch chỉ thiết kế với một mật khẩu cho trước chứ không thay đổi được theo ý muốn, mạch chỉ đơn thuần là ứng dụng của khóa số điện tử mà chưa đạt được yêu cầu là khóa số điện tử như yêu cầu

đã đặt ra ban đầu

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠCH ỨNG DỤNG CỦA KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

1.1. Tổng quan về ứng dụng của mạch khóa số

Mạch ứng dụng của khóa số điện tử là mạch số sử dụng các linh kiện điện

tử để tạo ra một thiết bị bảo mật nhằm bảo vệ các thiết bị, tài sản của con người Khi muốn mở khóa phải tác động tới mã số đã được thiết lập sẵn Mạch ứng dụng của khóa số điện tử: khi mở khóa thì phải nhập đúng mật khẩu là một dãy các số liên tiếp nhau, nếu nhập đúng các dãy số đó thì đèn báo hiệu sẽ sáng và nếu như ta nhập sai không đúng với những con số theo tuần tự của mật khẩu thì đèn báo hiệu không sáng, thay vào đó đèn cảnh báo sẽ sáng

Ứng dụng của mạch ứng dụng của khóa số điện tử là làm khóa cửa điện

tử cho các hệ thống cần mang tính bảo mật như: nhà riêng, cơ quan, công ty, nhà máy…Dùng để bảo vệ thiết bị, tài sản của cá nhân, tập thể…, cụ thể như két sắt, khóa chống trộm…

1.2. Sơ đồ khối mạch khóa số

Trên hình 1.1 là sơ đồ khối một mạch ứng dụng của khóa số điện tử tổng quát

Trong đó:

Khối nguồn: Nhằm cung cấp nguồn điện 5V cho toàn bộ hoạt động của

hệ thống làm việc

Khối giao tiếp: Nhằm tạo ra giao diện làm việc đơn giản, thuận lợi, dễ dàng sử dụng cho người dùng

Khối điều khiển: Điều khiển hoạt động của mạch và thiết lập bảo mật cho mạch điện

Khối hiển thị: Hiển thị đèn báo hiệu khi mật mã đã trùng khớp với mật

mã của hệ thống và hiển thị đèn cảnh báo khi ta nhập sai mật khẩu

Trong đồ án thiết kế hệ thống mạch này, bài toán đặt ra là phải thiết kế một mạch ứng dụng của khóa sốđiện tử sử dụng mật mã đã được thiết lập sẵn, hoạt động chính xác, đảm bảo tính ổn định, thẩm mĩ , chi phí thi công thấp, dễ thực hiện

Mạch được thiết kế, mô phỏng và vẽ mạch in trên phần mềm ISIS (PROTEUS )

Các linh kiện được sử dụng trong mạch bao gồm: 2 IC 4017, 9 diode, các nút bấm, transistor, điện trở, dây nối và giắc cắm

a Khối nguồn

Khối nguồn cung cấp nguồn điện áp một chiều 5V Chúng ta chọn nguồn một chiều này cho mạch là sở dĩ nguồn một chiều 5V đúng với mức điện áp cung cấp cho IC, đảm bảo cho các linh kiện làm việc không bị hư hỏng

Để đơn giản ta cấp nguồn cho mạch bằng thiết bị sạc điện thoại di động Nokia với các thông số điện áp, dòng điện:

Input: 100 – 240V AC Tần số: 50 – 60 Hz/ 100 mA Output: 5V DC/ 350 mA

b Khối giao tiếp

Nhằm mục đích tạo ra môi trường làm việc dễ dàng, thao tác đơn giản

và thuận lợi cho người dùng Khối giao tiếp là một ma trận các phím bấm từ 0 đến 9 và 2 ký tự * và # được sắp xếp như bảng 1.1

Ma trận giao diện nút bấm làm việc của mạch được thể hiện như sau:

Hình 1.2 Sơ đồ chân của IC 4017

Bảng 1.1 Giao diện nút bấm làm việc

c Khối điều khiển

Khối điều khiển sử dụng IC 4017 IC 4017 là IC đếm hệ cơ số 10, có 10 ngõ ra từ Q0 đến Q9 Mỗi lần chân số 14 là chân clock nhận được xung kích thích ứng với bờ sau thì nó sẽ nhảy lên một số Ta ứng dụng mức cao ở đầu ra các chân của IC quay về chân clock để kích mở lần lượt các chân tiếp theo Sơ

đồ chân của IC 4017 được cho trên hình 1.2

Chức năng các chân như sau:

- Các chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11:lần lượt là các chân ngõ đầu ra từ

Q0 – Q9

- 2 chân 8, 16: là các chân nguồn âm, nguồn dương cung cấp cho điện

áp cho IC

- Chân 13: cấp xung tích cực mức logic thấp

- Chân 14: chân clock cung cấp xung tích cực mức logic cao

- Chân 15 (MR): chân reset thiết lập lại trạng thái ban đầu

Dưới đây là dạng xung của IC 4017 :

Hình 1.3.Dạng xung của IC 4017

d Khối hiển thị

Khối hiển thị là thiết bị báo hiệu và cảnh báo trong mạch.Trong đề tài ta

sử dụng hai bóng đèn LED để thông báo và cảnh báo.Khi ta nhập đúng mật khẩu đã thiết lập sẵn thì đèn led xanh lá cây sẽ sáng và khi ta nhập sai hay reset lại mật khẩu thì đèn led xanh biếc sẽ sáng

1.3. Một số linh kiện khác trong mạch

a, Điện trở

Điện trở là linh kiện điện tử thụ động có chức năng cản trở dòng điện của vật dẫn điện Nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, một vật dẫn điện kém thì có điện trở lớn và một vật cách điện thì có điện trở lớn vô cùng

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu và tiết diện của dây Nó được tính theo công thức :

Trong đó:

:là điện trở suất của dây dẫn

l: là chiều dài của dây dẫn

S: là tiết diện của dây dẫn

R: là điện trở có đơn vị là Ohm

Hình dạng và ký hiệu của điện trở được biểu diễn như sau:

Hình 1.4 Hình dạng và ký hiệu của điện trở

Các điện trở có kích thước nhỏ thì được ghi trị số bằng các vạch màu theo một quy ước nhất định Ngược lại, các điện trở có kích thước lớn hơn thì thông thường trị số giá trị được ghi ngay trên thân của điện trở đó Cách đọc giá trị của điện trở theo bảng màu được cho dưới bảng 1.2

Bảng màu giá trị của điện trở:

Hình 1.5 Hình dạng của tụ điện

Bảng 1.2 Bảng màu giá trị của điện trở

Ví dụ: Một điện trở có màu như đỏ - đỏ - đen

Giá trị của điện trở: 220 Ω

b, Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, truyền tín hiệu, mạch tạo dao động…

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song với nhau, ở giữa chúng có một lớp cách điện gọi là điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá

Tụ điện bao gồm: tụ không phân cực (tụ gốm), tụ phân cực (tụ hóa)… Điện dung của tụ điện là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện Điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực Nó được tính theo công thức:

Trong đó:

C: là điện dung của tụ điện và được tính theo Fara

là hằng số điện môi

S: là diện tích bản cực của tụ điện

d: là độ dày lớp cách điện

Hình dạng của tụ điện được thể hiện như hình:

c, Transistor

Transistor là linh kiện điện tử tích cực Nó có cấu tạo gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối với nhau hình thành nên 2 lớp tiếp giáp p-n Tùy theo thứ tự các lớp tiếp giáp mà ta có transistor npn và transistor pnp Hình dạng và ký hiệu của transistor được cho như hình :

Hình 1.6 Hình dạng và ký hiệu của transistor

Trong đó:

Cực B: là cực base hay còn gọi là cực gốc Lớp bán dẫn B có nồng độ tạp chất thấp và rất mỏng

Cực E: là cực emitor hay còn gọi là cực thu

Cực C: là cực collector hay còn gọi là cự góp

Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn là n hoặc p nhưng có kích thước khác nhau và nồng độ tạp chất cũng không giống nhau

d, Diode

Diode bán dẫn là linh kiện thụ động và phi tuyến Nó cho phép dòng điện đi qua theo một chiều mà không cho dòng điện đi qua theo chiều ngược lại Khi đã có được hai chất bản dẫn P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn này

theo một tiếp giáp P – N thì ta được một đi - ốt Lớp tiếp giáp này có đặc điểm

là tại bề mặt tiếp xúc các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P lấp vào các lỗ trống tạo thành một lớp Ion trung hòa về điện Lớp ion này tạo ra miền cách điện giữa hai vùng bán dẫn

Hình dạng và ký hiệu của diode được cho như hình :

Hình 1.7 Hình dạng và ký hiệu của Diode

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, THI CÔNG MẠCH ỨNG DỤNG TRONG KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

2.1 Bài toán thiết kế

Trong phần này, chúng ta trình bày việc mô phỏng và thi công một mạch ứng dụng của khóa số điện tử sử dụng các IC số với yêu cầu cụ thể như sau: Mật khẩu được thiết lập sẵn với độ dài mật khẩu là 8 số: 12071994 Khi người

sử dụng nhập đúng mật khẩu cho trước thì đèn báo hiệu màu xanh lá cây sẽ sáng, và ngược lại khi chúng ta nhập sai mật khẩu thì đèn màu xanh lá cây sẽ không sang, thay vào đó đèn màu xanh nước biển sẽ sang mỗi khi ta set lại mật khẩu

Các yêu cầu khác của mạch cần đạt bao gồm:

 Mạch thiết kế đơn giản, chi phí thấp

 Mạch hoạt động ổn định

 Đảm bảo tính thẩm mỹ

Mạchđược thiết kế, mô phỏng và vẽ mạch in trên phần mềm Proteus

2.2 Phân tích, thiết kế mạch khóa số điện tử dùng IC số

a Khối nguồn

Trong đồ án thiết kế này, khối nguồn để cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của mạch Để đơn giản ta sử dụng khối nguồn dùng nguồn 5V có sẵn từ xạc điện thoại di động Nokia Lý do ở đây ta sử dụng nguồn 5V là bởi vì nó đáp ứng thông số kỹ thuật của IC 4017

b Khối giao tiếp

Nhằm mục đích tạo ra môi trường làm việc dễ dàng, thao tác đơn giản và thuận lợi cho người dùng Khối giao tiếp là một ma trận các phím bấm từ 0 đến 9 và 2 ký tự * và # được biểu diễn như hình 2.1

Các phím bấm mà được đặt là mật khẩu như các phím 1, 2, 0, 7, 9, 4 thì được nối với các ngõ ra của IC 4017 thông qua các diode

Khối giao tiếp sử dụng các nút bấm có giao diện được thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1 khối giao tiếp

c Khối điều khiển

Khối điều khiển sử dụng hai IC 4017 để điều khiển hoạt động của mạch Khối điều khiển kết nối với khối giao tiếp từ các chân ngõ ra của IC 4017 thông qua các diode

Sơ đồ, cách kết nối của khối điều khiển được thể hiện như sau:

Hình 2.2 khối điều khiển sử dụng IC 4017

d, khối hiển thị

Khối hiển thị là phần thông báo tín hiệu đèn mỗi khi ta nhập đúng mật khẩu hoặc nhập sai mật khẩu Khối hiển thị được kết nối với khối điều khiển thông qua ngõ ra Q9của IC 4017 thứ nhất và ngõ ra Q3 của IC 4017 thứ hai

Sơ đồ, cách kết nối của khối hiển thị được thể hiện như hình 2.3

Hình 2.3 Khối hiển thị

2.3 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động

Từ những phân tích, và thiết kế các khối của mạch ứng dụng của mạch khóa số điện tử ta tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch Mạch được thiết lập với mật khẩu cho trước là 12071994 Sơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện như hình 2.4

Nguyên tắc hoạt động của mạch như sau:

IC số 4017 là IC số có 10 ngõ ra, ứng với các xung clock thì lần lượt các ngõ ra đó sẽ ở mức cao Khi mới cấp điện cho mạch IC sẽ được reset, đầu ra thứ nhất Q0ở mức cao Nếu ta ấn phím số 1 thì mạch thông, mức cao này sẽ được đưa vào chân clock (chân 14) làm cho đầu ra thứ 2 ở mức cao Tiếp đến

ta nhấn phím 2 thì mạch lại thông, mức cao này lại được quay về chân clock làm cho đầu ra thứ 3 của IC ở mức cao Nếu cứ tiếp tục ấn các phím số tương ứng với mật khẩu đã được thiết lập sẵn, thì các ngõ ra lần lượt sẽ nhảy lên các mức cao và cuối cùng để kích mạch điện mở khóa ở đầu ra Q9 làm cho đèn báo hiệu sẽ sáng

Trong trường hợp, ta nhập đúng lần lượt là 1207199 nhưng phím cuối cùng k phải là 4 thay vào đó là các phím như 5, 3, 8 thì sẽ không có xung kích ứng cho đầu ra Q9 của IC và làm cho đèn hiển thị cũng sẽ không sáng Nếu ta nhấn phím ban đầu là 2 thì lúc này xung mức cao ở đầu ra Q0 sẽ không được quay về chân clock để kích thích xung mức cao cho các ngõ ra sau lần lượt Vì vậy, trong những trường hợp nhập sai mật mã đã được thiết lập sẵn như trên thì khi đó transistor làm việc ở chế độ bão hòa Tín hiệu lúc này thông qua diode đưa vào chân clock của IC 2, tín hiệu clock từ IC 2 sẽ được đưa vào chân reset của IC 1 để reset mật khẩu lại từ đầu, IC 1 trở về trạng thái ban đầu

và đèn báo màu xanh biếc sẽ sáng

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch ứng dụng khóa số điện tử

Trong đó :

R1: Hạn dòng đưa vào Q1 để tránh transistor bị đánh thủng

R2, R3, R5: Luôn giữ mức điện áp 0V khi chưa ấn phím

Tụ C1: Chống dội phím

2.4.Sơ đồ mạch in và mạch thi công

Ta tiến hành vẽ mạch in trên phần mềm proteus ta được như hình 2.5

Hình 2.5 Mạch in của mạch ứng dụng khóa số điện tử

Sản phẩm hoàn thiện được cho trên hình 2.6

Hình 2.6 mặt trước của mạch

Hình 2.7 Mặt sau của mạch

2.5 Kết luận và phương hướng

Sau khi thi công và khảo sát mạch ứng dụng của khóa số điện tử, mạch

đã đạt được những yêu cầu đặt ra từ trước như:

 Mạch thiết kế đơn giản, chi phí thấp

 Mạch hoạt động ổn định

 Đảm bảo tính thẩm mỹ

Bên cạnh nhưng kết quả đạt được thì mạch còn gặp nhiều hạn chế: chỉ thiết lập được một mật khẩu cho trước mà không thay đổi được mật khẩu như mong muốn Phương hướng phát triển đồ án về ứng dụng này là có thể thay đổi mật khẩu mà chúng ta muốn thông qua LCD có thể lập trình cho nó được

KẾT LUẬN

Sau một thời gian thực hiện đề tài: thiết kế, mô phỏng và thi công mạch ứng dụng của mạch khóa số điện tử, chúng em đã có thêm những kiến thức bổ ích cho ngành học, vận dụng được những kiến thức đã học được vào thực tế nhằm nâng cao hiểu biết nâng cao tay nghề hơn

Qua việc làm đề tài, các kỹ năng như vẽ mạch, thiết kế mạch in có tính thẩm mỹ cao, làm mạch thật cùng với kỹ năng hàn mạch ngày càng được cải thiện

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn cô Th.S Nguyễn Thị Kim Thu đã giúp đỡ chúng em trong việc định hướng, hướng dẫn chúng em hoàn

thành đề tài trong thời gian qua

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1) http://tailieu.vn.

2) http://datasheetbank.com

3) http://dientuvietnam.org

4) http://google.com Tra cứu lần cưới vào ngày 25-3-216

5) Điện tử số - Phạm Minh Hà, NXB giáo dục Hà Nội