Đồ án Kỹ thuật: đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông

Đồ án nghiên cứu đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Nhóm 03
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Khóa Điện Tử Dùng PIC18F4520 Hiển Thị Lên LCD
• Loại tài liệu: Đồ Án Chuyên Ngành
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Chuyên Ngành Điện Tử Viễn Thông

Đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông là một phần quan trọng trong quá trình đào tạo các kỹ sư điện tử. Đây là môn học thực tiễn giúp sinh viên vận dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào các dự án thiết kế mạch điện tử có ứng dụng thực tế. Đồ án không chỉ giúp sinh viên các hệ thống tự nhân thức về kiến thức chuyên ngành mà còn rèn luyện kỹ năng thiết kế, lập trình và giải quyết vấn đề công nghệ. Thông qua đồ án điện tử viễn thông, sinh viên có cơ hội làm quen với các microcontroller hiện đại, công cụ lập trình chuyên dụng và các linh kiện điện tử tiên tiến. Những kiến thức này là nền tảng vàng cho sự phát triển sự nghiệp trong lĩnh vực công nghệ điện tử và viễn thông.

1.1. Sự Ra Đời Và Phát Triển Của Khóa Điện Tử

Khóa điện tử ra đời từ nhu cầu bảo mật hiện đại, thay thế các khóa cơ học truyền thống. Với sự phát triển của công nghệ vi điều khiển và hệ thống nhúng, khóa điện tử ngày càng trở nên phổ biến. Những ưu điểm nổi bật bao gồm: dễ dàng thay đổi mật khẩu, ghi lại lịch truy cập, tích hợp được với các hệ thống an ninh thông minh. Khóa cửa điện tử thông minh sử dụng vi điều khiển như PIC18F4520 giúp tăng cường an toàn và tiện lợi.

1.2. Nội Dung Và Mục Tiêu Chính Của Đề Tài

Đề tài thiết kế khóa điện tử dùng PIC18F4520 hiển thị lên LCD tập trung vào việc xây dựng một hệ thống bảo mật thông minh. Mục tiêu chính là ứng dụng microcontroller PIC18F4520 để điều khiển khóa điện tử, sử dụng ma trận phím 4x4 cho nhập liệu mật khẩu và LCD để hiển thị trạng thái. Hệ thống có khả năng mở/khóa tự động khi mật khẩu đúng, với tính năng đổi mật khẩu linh hoạt.

II. Lập Trình Vi Điều Khiển PIC18F4520 Với LCD Và Bàn Phím

Lập trình vi điều khiển PIC18F4520 là nên tảng quan trọng của đồ án chuyên ngành điện tử. PIC18F4520 là một microcontroller 8-bit mạnh mẽ với nhiều tính năng ưu việt, bao gồm bộ nhớ EEPROM để lưu mật khẩu, các cổng vào/ra đa chức năng, và bộ phát xung nội bộ linh hoạt. Để lập trình hiệu quả, kỹ sư sử dụng MPLAB IDE và công cụ PICKit 2 để nạp chương trình. Việc làm quen với các thanh ghi điều khiển như EECON1 (điều khiển bộ nhớ), OSCCON (điều khiển dao động) là rất cần thiết. Lập trình LCD và ma trận phím 4x4 đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về giao tiếp ngoại vi và quản lý dữ liệu.

2.1. Đặc Tính Và Thanh Ghi Của PIC18F4520

PIC18F4520 sở hữu 32KB bộ nhớ chương trình Flash, 1536 byte RAM và 256 byte EEPROM. Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) như PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE cho phép điều khiển các chân I/O. Thanh ghi EECON1 quản lý việc ghi/đọc dữ liệu vào bộ nhớ EEPROM - nơi lưu trữ mật khẩu an toàn. Thanh ghi OSCCON điều chỉnh tần số dao động nội bộ, đảm bảo hoạt động đúng thời gian thực.

2.2. Giao Tiếp Với LCD Và Ma Trận Phím

LCD (Liquid Crystal Display) được kết nối với PIC18F4520 thông qua các chân PORTD, cho phép hiển thị thông tin mật khẩu và trạng thái khóa. Ma trận phím 4x4 cung cấp 16 nút bấm, được lập trình để phát hiện sự nhấn phím qua quét hàng và cột. Lập trình LCD sử dụng các lệnh điều khiển như khởi tạo, ghi dữ liệu, xóa màn hình. Việc quản lý giao tiếp vào/ra theo byte hoặc theo bit giúp tối ưu hóa mã chương trình.

III. Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống Khóa Điện Tử

Thiết kế phần cứng khóa điện tử là bước quan trọng trong quá trình thực hiện đồ án điện tử viễn thông. Hệ thống bao gồm vi điều khiển PIC18F4520 làm lõi xử lý trung tâm, được kết nối với các linh kiện ngoại vi: LCD 16x2 để hiển thị, ma trận phím 4x4 để nhập liệu, khóa solenoid để mở/khóa cửa, và các mạch điều khiển công suất (relay, transistor) để kích hoạt khóa. Sơ đồ khối sản phẩm cho thấy luồng dữ liệu: người dùng nhập mật khẩu qua phím → PIC18F4520 xử lý → so sánh với mật khẩu lưu trong EEPROM → điều khiển khóa solenoid → hiển thị kết quả trên LCD. Việc thiết kế sơ đồ mạch chi tiết với các thông số điện, giá trị linh kiện phù hợp là yếu tố quyết định đến hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Kiến Trúc Hệ Thống

Sơ đồ khối sản phẩm cho thấy ba phần chính: phần nhập (input) gồm ma trận phím, phần xử lý (processing) là PIC18F4520 với EEPROM, và phần xuất (output) gồm LCD và khóa solenoid. Dữ liệu nhập từ phím được PIC18F4520 quét, xử lý logic để so sánh với mật khẩu lưu trữ. Kết quả xử lý điều khiển khóa và hiển thị trên LCD.

3.2. Mô Phỏng Và Kiểm Tra Chức Năng

Mô phỏng trên phần mềm Proteus là bước quan trọng trước khi chế tạo phần cứng thực. Phần mềm cho phép kiểm tra logic của chương trình, giao tiếp giữa các linh kiện mà không cần chi phí chế tạo. Lưu đồ chương trình hình dung rõ quy trình: khởi tạo hệ thống → chờ nhập mật khẩu → kiểm tra chính xác → mở khóa hoặc từ chối → hiển thị kết quả.

IV. Kết Luận Và Ứng Dụng Thực Tiễn Của Đồ Án

Đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông về thiết kế khóa điện tử dùng PIC18F4520 mang lại nhiều giá trị thực tiễn và giáo dục. Sinh viên không chỉ nắm vững kiến thức lý thuyết về lập trình vi điều khiển, giao tiếp ngoại vi, mà còn phát triển kỹ năng thiết kế mạch và giải quyết vấn đề kỹ thuật. Hệ thống khóa điện tử thông minh có ứng dụng rộng rãi trong: bảo vệ nhà ở, quản lý văn phòng, bảo mật kho hàng, hệ thống quản lý tòa nhà thông minh. Những hạn chế về thời gian và kinh nghiệm được khắc phục thông qua hướng dẫn của giảng viên và nỗ lực tập thể của nhóm. Đồ án này là nền tảng tốt cho các công việc phát triển sản phẩm điện tử trong tương lai.

4.1. Những Thành Tựu Và Kiến Thức Đạt Được

Thực hiện đồ án điện tử viễn thông giúp sinh viên thành thạo MPLAB IDE, ngôn ngữ lập trình C, giao tiếp LCD và bàn phím, quản lý bộ nhớ EEPROM. Sinh viên hiểu rõ quy trình: từ thiết kế logic, xây dựng sơ đồ khối, viết code, mô phỏng trên Proteus, đến kiểm thử chức năng. Những kỹ năng này là nền tảng chuyên môn cần thiết.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng Phát Triển

Khóa điện tử được thiết kế có thể ứng dụng ngay vào bảo vệ nhà cửa, an ninh tài sản. Tương lai có thể mở rộng tính năng với cảm biến vân tay, xác thực RFID, kết nối IoT. Công nghệ bảo mật này đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội hiện đại về an toàn thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ luôn gắn liền với sự phát triển của kinh tế, xã hội. Trong đó, ngành điện tử viễn thông luôn giữ vững tốc độ phát triển cao và ngày càng đi sâu vào trong đời sống và lĩnh vực bảo mật là mảng lớn luôn được mọi người quan tâm. Vì vậy để làm quen với việc thiết kế mạch nhóm em đã chọn đề tài “ Thiết kế khóa điện tử dùng PIC18F4520 hiển thị lên LCD ” để nghiên cứu và thực hiện. Mục đích thực hiện đề tài Bằng cách sử dụng PIC18F4520 và các linh kiện.

Ta có thể tạo ra thiết bị khóa điện tử. Đối với trong việc bảo vệ tài sản là hết sức cần thiết, thiết bị có thể chủ động mở khoá nếu mật mã đúng và ngược lại. Nhiệm vụ đề tài Thiết kế khóa số điện tử. Sử dụng PIC18F4520 và ma trận phím để nhập mật mã và xuất dữ liệu ra LCD.

Tính ứng dụng - Ứng dụng vào mỗi gia đình. - Giữ an toàn cho những ngôi nhà , tài sản , tài liệu mật, giấy tờ. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thiết kế và mô phỏng dựa trên phần mềm Proteus và thiết kế mạch điện trên Altium. Cấu trúc của báo cáo Trong chương này, đồ án đã trình bày cơ sở lý thuyết cho các nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm các nội dung về khóa điện tử.

Ở cuối chương 6 trình bày hướng nghiên cứu của đồ án và thảo luận một số kết quả nghiên cứu liên quan từ đó làm rõ hơn nội dung nghiên cứu của đồ án. TỔNG QUAN VỀ KHÓA 1. Sự ra đời của khóa điện tử Cuộc cách mạng về khóa cửa chỉ thực sự bắt đầu khi bùng nổ cuộc cách mạng công nghiệp. Cùng với sự xuất hiện của các loại máy móc.

Sự ra đời của lò xo, ổ bi, các khớp ren. Công nghệ tiện, đục, đúc kim loại,… Thì độ tinh vi của khóa cửa được đưa tới một tầm cao mới. Khóa cửa trở nên khó mở hơn bao giờ hết, nhỏ gọn hơn bao giờ hết. Cùng với nền công nghiệp sản xuất hàng hóa lớn, khóa cửa trở thành một loại hàng hóa phổ cập.

Một mặt hàng thiết yếu mà nhà nhà đều có. Loại khóa truyền thống này vẫn tiếp tục tồn tại cho đến ngày nay. Khoảng hai thập kỷ trở lại đây, thế giới chứng kiến một cuộc cách mạng điện tử, tự động hóa rầm rộ trên tất cả mọi lĩnh vực. Và khóa cửa cũng không phải là ngoại lệ.

Khóa cửa – một sản phẩm có khả năng bảo vệ tài sản không thể nằm ngoài luồng chảy này, liên tục được cập nhật, phát triển để có thể theo kịp thời đại, nâng cao độ tin cậy đối với người dùng. Với ưu thế về độ tiện dụng và an toàn cao, khóa cửa điện tử chính thức xuất hiện. Thay vì dùng chìa như khóa truyền thống, khóa cửa điện tử dùng mã số, thẻ từ hoặc vân tay để mở khóa. Chức năng và tiện ích của khóa cửa thông minh Khóa cửa thông minh có nhiều chức năng và tiện ích được nhà sản xuất phát minh và ứng dụng một cách hiệu quả như: đèn led để sử dụng trong bóng tối, quét mã vân tay, quét võng mạc, tích hợp chuông báo động,.

Những tiện ích của khóa cửa điện tử thông minh - Tiện ích dễ dàng thấy được nhất chính là tránh được việc làm mất chìa khóa, chìa khóa thường tương đối nhỏ gọn nhưng cũng vì thế nên dễ bị rơi mất, với khóa thông minh, bạn không cần lo mất chìa khóa, cũng không cần loay hoay tìm kiếm chìa khóa mỗi khi muốn mở cửa. 8 - Người dùng không cần mất thời gian và tiền bạc làm thêm bản sao chìa khóa, những gì cần làm là chia sẻ mã khóa qua điện thoại hay email. - Khóa thông minh được làm bằng vật liệu chắc chắn và có khả năng chịu sự ăn mòn tốt. Độ bền của khóa cũng cao hơn khóa truyền thống bởi không cần phải tác động vật lý nhiều.

- Tự động khóa khi cửa đóng. - Hoạt động với nguồn điện riêng. - Một vài loại khóa thông minh giúp người dùng có thể kiểm soát, xem được hình ảnh và lưu trữ dữ liệu về người ra vào nên có thể kiểm soát được tình trạng an ninh có không gian. - Khóa cửa thông minh có thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến trúc khác nhau.

- Dễ dàng thiết lập, cài đặt loại mã khóa phù hợp nhất. Nội dung nghiên cứu  Yêu cầu: - Yêu cầu, tính năng sản phẩm. - Sử dụng vi điều khiển PIC18F4520. - Khóa cửa bằng mật khẩu sử dụng bàn phím 4x4.

- Nhập mật khẩu và hiển thị trên màn hình LCD16x2. - Cài đặt được mật khẩu và khi nhập đúng mật khẩu thì cho phép mở khóa, khi nhập sai mật khẩu thì báo lỗi. - Chức năng: Khóa cửa và bảo vệ ngôi nhà. - Đầu vào: Nhập mật khẩu trên ma trận phím 4x4.

- Đầu ra: Hiển thị thông báo trên màn hình LCD16x2.  Yêu cầu ràng buộc - Nguồn cấp điện cho mạch 12V xoay chiều, hạ áp và ổn áp 5V. 9 - Kích thước mạch điện (dài x rộng): không quá 30x30 cm. - Trọng lượng: không quá 2 kg.

Kết luận chương Trong chương này, báo cáo đã trình bày cơ sở lý thuyết cho các nội dung nghiên cứu của báo cáo bao gồm các nội dung về sự ra đời của khóa điện tử, các chức năng và tiện ích của khóa điện tử đem lại cho chúng ta. LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN VỚI LCD VÀ BÀN PHÍM 4X4 2. Khối vi điều khiển PIC18F4520 và công cụ lập trình 2. Giới thiệu PIC18F4520 PIC18F4520 là một chip vi điều khiển được sản xuất bởi hãng Microchip thuộc họ PIC.

PIC18F4520 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 256B EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (2KB SRAM). Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/ counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 12 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM)…… 10 Sơ đồ chân Hình 1.1: Sơ đồ chân PIC18F4520 Hình 2.2: Phân bổ địa chỉ của các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR 11 Tổ chức bộ nhớ - Thông số cơ bản của Chip Hình 2.3: Tổ chức bộ nhớ chương trình và ngăn xếp 12 Nhà sản xuất Microchip Kiểu gắn SMD/SMT Lõi PIC18 Kích thước bộ nhớ chương trình 32KB (16K x 16) Độ rộng BUS dữ liệu 8 Bit Độ phân giải ADC 10 Bit Tần số đồng hồ tối đa 40MHz Số lượng I/O 36 I/O Kích thước dữ liệu RAM 1.5KB Diện áp cấp vận hành 2V to 5.5V Nhiệt độ làm việc tối thiểu -40 oC Nhiệt độ làm việc tối đa +85 oC Sản phẩm MCU Loại bộ nhớ chương trình Flash Nhãn hiệu Microchip Technology Loại RAM dữ liệu RAM Kích thước ROM dữ liệu 256KB Loại RAM dữ liệu Flash Số lượng kênh ADC 13 Điện áp cấp nguồn 5V-12V Bảng 2. Giới thiệu PIC18F4520.1: Thông số kĩ thuật PIC18F4520 2.

Các thanh ghi của EEPROM - Thanh ghi điều khiển EEPROM 1 : EECON1 Bảng 2. Các thanh ghi của EEPROM.2: Thanh ghi điều khiển EEPROM 1 : EECON1 R = Cho phép đọc S = Bit chỉ được thiết lập (không xóa được -n = Reset - POR bằng phần mềm) 13 W = Cho phép ghi U = Không sử dụng, đọc bằng ‘0’ ‘1’ = Được thiết lập ‘0’ = Được xóa -x = Reset không xác định Bảng 2.3: Ghi chú của thanh ghi EECON1 Bit 7 EEPGD: Bit lựa chọn bộ nhớ dữ liệu EEPROM hay bộ nhớ chương trình Flash 1 = Truy cập bộ nhớ chương trình Flash 0 = Truy cập bộ nhớ dữ liệu EEPROM Bit 6 CFGS: Bit lựa chọn cấu hình hoặc bộ nhớ chương trình Flash/dữ liệu EEPROM 1 = Truy cập thanh ghi cấu hình 0 = Truy cập bộ nhớ chương trình Flash hoặc dữ liệu EEPROM Bit 5 Không sử dụng, đọc trả về giá trị ‘0’ Bit 4 FREE: Bit cho phép xóa hàng bộ nhớ Flash 1 = Xóa hàng bộ nhớ chương trình được thiết lập, địa chỉ chứa trong thanh ghi TBLPTR, được xóa từ lệnh WR kê tiếp. 0 = Chỉ thực hiện ghi Bit 3 WRERR: Bit cờ lỗi bộ nhớ chương trình Flash/ bộ nhớ dữ liệu EEPROM 1 = Lỗi hoạt động ghi (hoạt động ghi bị kết thúc trước) 0 = Ghi hoàn thành Bit 2 WREN: Bit cho phép ghi bộ nhớ chương trình Flash / Dữ liệu EEPROM 1 = Cho phép ghi vào bộ nhớ chương trình Flash /dữ liệu EEPROM 0 = Không cho phép ghi Bit 1 WR: Bit điều khiển ghi 1 = Khởi tạo quá trình xóa/ghi bộ nhớ dữ liệu EEPROM hoặc xóa bộ nhớ chương trình hoặc ghi bộ nhớ chương trình. (Được xóa bằng phần cứng khi việc ghi hoàn thành.

Thiết lập được bằng phần mềm nhưng không được xóa). 0 = Quá trình ghi hoàn thanh. Bit 0 RD: Bit điều khiển đọc 1 = Khởi tạo quá trình đọc bộ nhớ EEPROM ( Đọc mất một chu kỳ máy. Bit RD được 14 xóa bằng phần cứng.

Thiết lập được bằng phần mềm nhưng không được xóa. Bit RD không được thiết lập khi EEPGD = 1 hoặc CFGS = 1.) 0 = Không khởi tạo quá trình đọc EEPROM - Thanh ghi điều khiển EEPROM 2 : EECON2 Thanh ghi EECON2 không phải là thanh vật lý, nó được dành riêng cho việc ghi và xóa bộ nhớ. Đọc EECON2 sẽ được ‘0’. - Thanh ghi dữ liệu EEPROM: EEDATA Thanh ghi EEDATA có 8 bit, là thanh ghi đệm dữ liệu cho bộ nhớ dữ liệu EEPROM, được sử dụng để truy cập vào dữ liệu của bộ nhớ (Cho phép đọc ghi bằng phần mềm, mỗi ô nhớ của EEPROM có 8 bit).

- Thanh ghi địa chỉ EEPROM: EEADR Thanh ghi EEADR có 8 bit, là thanh ghi của bộ nhớ dữ liệu EEPROM. 8 bit của thanh ghi EEADR được sử dụng để địa chỉ hóa 256 ô nhớ của EEPROM từ 00h đến FFh. Các thanh ghi của bộ phát xung - Thanh ghi chuyển chế độ bộ phát xung: OSCTUNE Bảng 2.4: Thanh ghi chuyển chế độ bộ phát xung: OSCTUNE R = Cho phép đọc U = Không sử dụng, đọc bằng W = Cho phép ghi -n = Reset - POR ‘0’ ‘1’ = Được thiết lập ‘0’ = -x = Reset không Được xóa xác định Bảng 2.