Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống mở cửa bằng cảm biến vân tay

Tài liệu đồ án thiết kế thi công hệ thống mở cửa bằng vân tay. Trình bày chi tiết từ cơ sở lý thuyết, sơ đồ nguyên lý đến lập trình thực tế.

• Tác giả: Lương Đình Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình pha trộn sơn tự động sử dụng PLC Rockwell
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Mở cửa bằng Vân tay

Hệ thống mở cửa bằng vân tay là một công nghệ sinh trắc học tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực bảo mật hiện đại. Đây là một đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông tập trung vào thiết kế và thi công một mô hình tự động hóa cửa ra vào. Hệ thống này sử dụng các cảm biến vân tay để nhận dạng danh tính người dùng, kết hợp với PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển cơ chế mở cửa. Ứng dụng của công nghệ này bao gồm các tòa nhà thông minh, hệ thống quản lý an ninh, và các cơ sở yêu cầu kiểm soát truy cập cao. Đồ án này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính an toàn và tiện lợi cho người sử dụng.

1.1. Khái niệm Công nghệ Vân tay

Công nghệ nhận dạng vân tay dựa trên đặc điểm sinh học độc nhất vô nhị của mỗi con người. Vân tay chứa các đường và điểm đặc trưng được gọi là minutiae, giúp hệ thống xác định danh tính với độ chính xác cao. Quá trình này bao gồm các bước: thu thập hình ảnh vân tay, xử lý hình ảnh, so sánh với dữ liệu cơ sở dữ liệu, và đưa ra quyết định cho phép hoặc từ chối truy cập.

1.2. Tầm quan trọng của Hệ thống An ninh tự động

Hệ thống mở cửa bằng vân tay mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp truyền thống. Nó loại bỏ nhu cầu sử dụng chìa khóa, thẻ từ hay mã PIN, giảm thiểu rủi ro mất chìa khóa. Đồng thời, hệ thống cung cấp ghi nhật ký truy cập chi tiết, tăng cường khả năng kiểm soát và giám sát an ninh cho các cơ sở.

II. Thiết kế Hệ thống Mở cửa bằng Vân tay

Quá trình thiết kế hệ thống mở cửa bằng vân tay bao gồm nhiều bước kỹ thuật phức tạp và các quyết định thiết kế quan trọng. Trước tiên, cần phải phân tích các yêu cầu chức năng và phi chức năng của hệ thống. Tiếp theo, các kỹ sư phải lựa chọn các thành phần phù hợp như cảm biến vân tay, bộ điều khiển PLC, cơ chế khóa điện, và các mô-đun truyền thông. Thiết kế cần đảm bảo tính an toàn thông tin, độ bền đáng tin cậy, và dễ sử dụng. Sơ đồ khối hệ thống thường bao gồm các thành phần chính: bộ thu vân tay, xử lý tín hiệu, bộ điều khiển logic, và thiết bị kích động cửa.

2.1. Các Thành phần Phần cứng Chính

Hệ thống bao gồm cảm biến vân tay quang học hoặc dung lượng, bo mạch điều khiển ARM hoặc PLC Rockwell, cơ actuator điện, khóa điện từ, và bộ nguồn điều chỉnh. Mỗi thành phần đóng vai trò cụ thể: cảm biến thu thập dữ liệu vân tay, bộ điều khiển xử lý và so sánh, actuator thực hiện hành động mở cửa.

2.2. Sơ đồ Tổng thể Kiến trúc Hệ thống

Kiến trúc hệ thống mở cửa bằng vân tay tuân theo mô hình ba lớp: lớp thu thập dữ liệu (cảm biến vân tay), lớp xử lý (bộ điều khiển PLC), và lớp thực hiện (khóa và cơ chế mở cửa). Dữ liệu vân tay được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu an toàn với mã hóa cao cấp, đảm bảo bảo vệ thông tin người dùng.

III. Thi công và Lắp đặt Hệ thống

Giai đoạn thi công và lắp đặt là bước quan trọng để biến thiết kế thành sản phẩm thực tế hoạt động. Quá trình này bao gồm việc chế tạo bộ khung cơ khí, lắp ráp các linh kiện điện tử, kết nối dây cáp, và lắp đặt phần mềm điều khiển PLC. Các kỹ sư cần tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện, kiểm tra tất cả các kết nối, và thực hiện các phép đo điện áp để đảm bảo an toàn. Hộp điều khiển phải được thiết kế chắc chắn, có khả năng chống nước và bụi theo chuẩn IP65 hoặc cao hơn. Giao diện HMI trên Factorytalk View được thiết kế để người dùng dễ dàng tương tác với hệ thống.

3.1. Chế tạo Cơ khí và Lắp ráp

Phần cơ khí bao gồm khung cửa, cơ chế truyền động, và hệ thống giữ chặt. Quá trình lắp ráp yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo khớp nối chính xác giữa các bộ phận. Cần sử dụng các vật liệu chất lượng cao, có khả năng chịu lực tốt và tahan thời gian dài.

3.2. Lập trình PLC và Xây dựng Giao diện HMI

Lập trình PLC Rockwell sử dụng ngôn ngữ Ladder Logic hoặc Structured Text để tạo logic điều khiển. Giao diện HMI được thiết kế thân thiện, hiển thị trạng thái hệ thống, lịch sử truy cập, và các chức năng quản lý. Phần mềm Factorytalk View cho phép giám sát từ xa và quản lý dữ liệu người dùng hiệu quả.

IV. Thử nghiệm Kiểm chứng và Ứng dụng Thực tế

Giai đoạn thử nghiệm và kiểm chứng là bước cuối cùng để xác nhận hệ thống hoạt động đúng theo yêu cầu. Các bài kiểm tra bao gồm: kiểm tra độ chính xác nhận dạng vân tay (FAR - False Acceptance Rate và FRR - False Rejection Rate), kiểm tra tốc độ xử lý, kiểm tra độ bền, và kiểm tra an ninh. Hệ thống phải vượt qua các tiêu chuẩn ISO/IEC 19794 về định dạng vân tay. Ngoài ra, cần thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm. Ứng dụng thực tế của hệ thống bao gồm các tòa nhà thông minh, cơ sở tài chính, bệnh viện, và các cơ quan chính phủ yêu cầu kiểm soát truy cập cao.

4.1. Quy trình Thử nghiệm Chi tiết

Thử nghiệm bao gồm kiểm tra khả năng nhận diện với các vân tay khác nhau, kiểm tra thời gian phản hồi (< 1 giây), và kiểm tra tính ổn định trong điều kiện khác nhau. Cần thực hiện 1000+ lần thử để đảm bảo độ tin cậy cao, ghi lại tất cả kết quả kiểm tra chi tiết.

4.2. Ứng dụng và Triển khai Thực tế

Hệ thống mở cửa bằng vân tay được triển khai rộng rãi trong các tòa nhà thông minh, trung tâm dữ liệu, phòng lab an toàn. Mỗi ứng dụng yêu cầu tùy chỉnh cài đặt bảo mật, lựa chọn cấp độ truy cập khác nhau cho nhân viên, và tích hợp với hệ thống quản lý toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày khái niệm sơn, quy trình công nghệ sản xuất sơn, một số nhà máy sản xuất sơn, khái niệm về màu sắc và chọn quy luật pha màu áp dụng cho đề tài.  Chương 3: Tính Toán Thiết Kế. Chương này trình bày thiết kế sơ đồ khối, phác thảo phần cứng mô hình, lựa chọn các thiết bị sử dụng trong đề tài, ví dụ van khí, van nước, các loại động cơ.

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày thi công tủ điều khiển, mô hình, lưu đồ giải thuật, các phần mềm có trong chương trình và hướng dẫn sử dụng thao tác.  Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá. Chương này trình bày kết quả nghiên cứu, sai số kết quả thực hiện trong chương trình như: sai số cân, màu sắc, cảm biến…  Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển.

Chương này trình bày kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đồ án và hướng phát triển cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SƠN, MÀU SẮC VÀ CHỌN QUY LUẬT PHA MÀU CHO HỆ THỐNG 2.

Khái niệm cấu tạo và phân loại sơn a. Sơn là gì? Tại sao phải dùng sơn Sơn là một hỗn hợp đồng nhất trong đó có chất tạo màng liên kết với các chất màu tạo màng liên tục có khả năng bám dính lên bề mặt vật chất. Hỗn hợp được điều chỉnh với một lượng phụ gia và dung môi tùy theo chất của mỗi loại sản phẩm. Sơn là sản phẩm có nhiều màu sắc phong phú và đa dạng, có đặc tính che phủ, bám dính được nhiều bề mặt khác nhau.

Chính vì thế sản phẩm sơn được sử dụng rất rộng rãi với các mục đích: – Trang trí – Bảo vệ bề mặt – Các chức năng đặc biệt khác như: Cách điện, dẫn điện, cách âm, cách nhiệt, chống trượt, sơn quang, vạch đường, v.1: Hình ảnh về sơn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 CHƯƠNG 2. Các thành phần cấu tạo của sơn và chức năng của chúng  Nhựa (40% - 60%) : Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon.  Tạo liên kết các thành phần của sơn  Tạo độ kế dính cho sơn  Tạo độ bền cho màn sơn  Bột màu (7% - 40%): bột màu gốc, bột màu bổ sung, bột chống gỉ.  Tạo màu sơn  Tạo độ bền và độ cứng của màng sơn  Phụ gia (0% - 5%): Là các chất tăng độ bền cho sơn bao gồm độ bền màu sắc, khả năng chịu thời tiết, tăng độ bóng cứng và độ phủ cho sơn, tăng thời gian bảo quản của sơn, một số tính chất đặc biệt khác.

 Chất làm khô tạo sức căng bề mặt  Chất chóng nấm mốc  Dung môi (10% - 30%) : Hòa tan nhựa và bột màu c. Phân loại sơn  Phân loại theo ứng dụng và bề mặt vật liệu: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Sơn nước - Sơn sàn - Sơn gỗ - Sơn nhựa - Sơn dầu - Sơn công nghiệp, vv.  Phân loại theo chất màng: - Sơn gốc amin - Sơn ankyl - Sơn gốc nitro - Sơn eloxy - Sơn vinyl - Sơn polieste, vv… 2.

Quy trình công nghệ sản xuất sơn Hình 2.2: Quy trình công nghệ sản xuất sơn tiêu biểu Dựa vào sơ đồ trên, ta có thể hiểu được một quy trình sản xuất sơn bao gồm các công đoạn như sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuẩn bị nguyên liệu (bột tạo màu, nhựa, dung môi hòa tan, các chất phụ gia đã được nghiền và lọc)      Pha trộn theo tỉ lệ Khuấy Pha loãng Chiết rót Dán nhãn  Đóng thùng  Vận chuyển  Tiêu thụ Ngoài ra còn có một số quá trình phụ trợ như vệ sinh thùng chứa sơn để đảm bảo chất lượng sản phẩm, làm mát để dung môi không bị bay hơi, v. Giới thiệu về một số dây chuyền, nhà máy sản xuất sơn, máy pha màu và lắc sơn hiện nay a. Một số nhà máy và dây chuyền sản xuất sơn Hình 2.3: Dây chuyền sản xuất Hình 2.4: Dây chuyền sản xuất sơn ICI sơn Cty Cổ phần sơn Hải Phòng Dulux, KCN Mỹ Phước 2, Bình Dương BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Nhà máy sơn Caparol, Homecenter, Colombia Dubai b. Các máy pha màu và lắc sơn phổ biến trên thị trường Việt Nam hiện nay Hình 2.7: Máy pha màu và lắc Hình 2.8: Máy pha màu và lắc hãng SOLITE PAINT hãng MY KOLOR BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.9: Máy pha màu và lắc Hình 2.10: Máy pha màu và lắc hãng BOSS hãng IPAINT 2. Khái niệm về màu sắc và quy luật pha màu sơn a.

Màu sắc là gì? Theo quang học: Khi luồng áng sáng trắng đi qua lăng kính mặt trời thì tách ra 7 sắc gồm: Đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Đó là sự hiển thị của các loại ánh sáng có bước sóng dài ngắn khác nhau. Do đó về mặt quang học, ta có thể khẳng định màu sắc chính là ánh sáng. Màu sắc mà chúng ta nhìn thấy từ mọi vật đó là sự phản chiếu của ánh sáng từ vật vào mắt.11: Thang màu từ đỏ tới tím của 7 sắc cầu vồng Hình 2.12: Thang màu vô sắc b.

Ba yếu tố cơ bản của màu sắc  Sắc (Ton): Độ đậm hoặc nhạt của một màu nào đó khi pha trắng hoặc đen. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Quang độ (Valuer): Độ sáng hoặc tối của một màu, là tác dụng liên kết giữa các độ đậm nhạt này với độ đậm nhạt kia. Ví dụ: Trong vòng thuần sắc, vàng là màu có đỉnh quang độ sáng nhất, tím là màu có đỉnh quang độ tối nhất do sự đập mắt.

 Cường độ (Intensity): Là mức độ mạnh hay yếu của một màu nào đó (thị giác cảm nhận được độ tươi thắm) do sự kích thích thị giác. Ví dụ: Vàng - Quang độ sáng. Cam - Cường độ mạnh.13: Màu càng pha trắng thì quang độ càng sáng nhưng cường độ càng yếu c. Các quy luật pha màu sơn Có 2 quy luật pha màu là: Cộng màu và trừ màu.

 Quy luật cộng màu Ba màu sơ cấp (hay cơ bản) trong ánh sáng là đỏ (Red - R), lục (Green - G) và lam (Blue - B).  Ánh sáng đỏ hòa với ánh sáng lục cho ánh sáng vàng (Yellow - Y).  Ánh sáng lục hòa với ánh sáng lam cho ánh sáng màu da trời (Cyan - C).  Ánh sáng lam hòa với đỏ cho ánh sáng tím hồng (Magenta - M).

Tím hồng là màu khá gần với màu tím (Violet). Tím hồng (Magenta) là màu không có trong phổ ánh sáng tự nhiên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các màu tím hồng (M), vàng (Y), và da trời (C) được gọi lả các màu thứ cấp (secondary) của ánh sáng, vì chúng được tạo bởi hòa hai chùm ánh sáng màu sơ cấp (primary).

Nếu hòa cả 3 chùm ánh sáng sơ cấp R, G, B với nhau ta được ánh sáng trắng. Đó là quy luật cộng màu.14: Quy luật cộng màu trong hệ màu RGB  Quy luật trừ màu Trong màu hóa chất như mực in, phẩm nhuộm, sơn thì ngược lại: Ba màu sơ cấp là tím hồng (Magenta - M), da trời (Cyan - C), và vàng (Yellow - Y)  Tím hồng (M) hòa da trời (C) cho lam (Blue - B)  C hòa với Y cho lục (Green - G)  Y hòa với M cho đỏ (Red - R) Như vậy, trong màu hóa chất thì đỏ, lục và lam lại là 3 màu thứ cấp. Hòa 3 màu sơ cấp hóa chất M, C, Y với nhau vể mặt nguyên tắc ta được màu đen. Nhưng vì các màu hóa chất không tuyệt đối tinh khiết, nên vẫn cần có màu đen riêng.

Vì thế, trong in ấn, chỉ cần 4 màu CMYK (trong đó K = key, tức màu đen), là in ra được tất cả các màu, trừ màu trắng (là màu của giấy). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tại sao màu hóa chất lại tuân theo quy luật trừ màu? Đó là bởi vì vật chất bản thân nó không có màu sắc (trừ những vật tự phát sáng) mà chỉ tán xạ và hấp thụ các bước sóng ánh sáng đơn sắc trong ánh sáng chiếu vào nó. Một vật có màu đỏ là vì khi ánh sáng trắng chiếu vào nó, nó hấp thụ các ánh sáng lục và lam, chỉ phản chiếu ánh sáng đỏ vào mắt ta.

Một vật có màu đen khi hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu vào nó. Một vật có màu trắng vì nó phản xạ tất cả các bước sóng ánh sáng.15: Quy luật trừ màu trong hệ màu CYMK 2. Chọn quy luật pha màu áp dụng cho đề tài Trên thực tế các hạt màu trong màu sơn không phải là các màu sơ cấp lý tưởng. Vì thế bảng pha màu (hay vòng tròn màu sắc) chỉ có tác dụng định hướng.

Chỉ các hãng sản xuất sơn mới nghiên cứu và thực sự hiểu màu pha trộn với nhau như thế nào để tạo thành màu khác, dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia và tự tạo ra được một công thức pha màu sơn cho riêng mình. Trong đề tài, chúng tôi áp dụng nguyên tắc pha màu tuân theo quy tắc trừ màu và chọn 3 màu sơ cấp (Primary, hay còn gọi là màu chính, màu cơ bản, màu bậc nhất) là đỏ (Red – R), vàng (Yellow – Y) và lam (Blue – B). Từ đó có thể pha ra các màu khác (trừ đen và trắng – không màu nào pha trộn ra nó). Như vậy 3 màu thứ cấp là: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Đỏ + Vàng -> Da cam (Orange)  Vàng + Lam -> Lục (Green)  Lam + Đỏ -> Tím (Violet) Trộn màu sơ cấp với màu thứ cấp cạnh nó thì được màu tam cấp (Tertiary).16: Nguyên tắc pha trừ màu với 3 màu sơ cấp RYB 2. Khái niệm PLC, ưu điểm và ứng dụng  Khái niệm PLC: PLC là viết tắt tiếng Anh của từ Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình. Nó cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, để thực hiện hàng loạt các sự kiện tùy theo yêu cầu của quá trình sản xuất và dễ dàng thay đổi nhiệm vụ bằng cách thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ.