Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh Nhận Dạng Bằng RFID và PIC 16F877

Đồ án nghiên cứu môn học vi xử lí nhận dạng xử lý dử liệu bằng phương pháp rfid và keypad sử dụng pic 16f877a, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Trịnh Minh Phương
• Người hướng dẫn: Thầy Đặng Đắc Chi
• Trường học: Trường Cao Đẳng Kĩ Thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh Sử Dụng RFID và PIC 16F877
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Mục tiêu đặt ra của đề tài
• 1.3. Nội dung quyển báo cáo
• 1.4. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết Vi điều khiển Pic 16F877A
• 2.1.1. Mô tả PIC16F877a
• 2.1.2. Chức năng các chân PIC16F877a
• 2.2. Tổng quan về module RFID RC522
• 2.2.1. Phân loại hệ thống RFID
• 2.2.1.1. Hệ thống chủ động
• 2.2.1.2. Hệ thống bị động
• 2.2.2. Giao tiếp RFID với Vi điều khiển
• 2.2.3. Nguyên lý hoạt động
• 2.3. Tìm hiểu về keypad 4x4
• 2.3.1. Nguyên lý hoạt động
• 2.3.2. Thuật toán quét phím
• 2.4. Sơ lược về LCD 1602
• 2.5. Sơ lược về mạch chuyển đổi giao tiếp LCD sang I2C
• 2.6. Khối nguồn cấp
• 2.6.1. Nguồn Adapter đầu hệ thống
• 2.6.2. IC ổn áp nguồn LM7805
• 2.6.3. IC nguồn LM1117-3
• 2.7. Khối công suất Relay
• 2.8. Động cơ chốt từ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI
• 3.1. Sơ đồ khối
• 3.2. Chức năng các khối
• 3.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 3.4. Thiết kế tính toán từng khối
• 3.4.1. Mạch nguồn nuôi
• 3.4.2. Khối tín hiệu đầu vào
• 3.4.3. Khối xử lí trung tâm
• 3.4.4. Khối hiển thị
• 3.4.6. Khối công suất
• 3.4.7. Động cơ từ chấp hành
• 3.4.8. Mạch sau khi Layout hoàn chỉnh
• 4. CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Lưu đồ giải thuật của hệ thống
• 4.1.1. Chương trình main
• 4.1.2. Chương trình con cảnh báo còi
• 4.1.3. Chương trình con lưu eeprom
• 4.1.4. Chương trình con đọc Eeprom
• 4.1.5. Chương trình con thêm thẻ
• 4.1.6. Chương trình con xóa thẻ
• 4.1.7. Chương trình con gọi Eeprom
• 4.1.8. Chương trình con đọc về giá trị thẻ
• 4.1.9. Chương trình con xử lý thẻ
• 4.1.10. Chương trình con nhận phím Keypad
• 4.1.11. Chương trình con xử lý phím
• 4.1.12. Chương trình con nhập Pass
• 4.1.13. Chương trình con xử lý Pass
• 4.1.14. Chương trình con đổi Pass
• 4.1.15. Chương trình con đọc Pass lưu Eeprom
• 4.2. Code đầy đủ của chương trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được và những hạn chế
• 5.2. Hướng phát triển trong tương lai
• DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh Sử Dụng RFID và PIC 16F877

Thiết kế mạch khóa cửa thông minh sử dụng công nghệ RFID và vi điều khiển PIC 16F877 đang trở thành xu hướng trong việc nâng cao an ninh cho các ngôi nhà hiện đại. Công nghệ RFID cho phép nhận diện và kiểm soát ra vào một cách hiệu quả, trong khi PIC 16F877 cung cấp khả năng xử lý mạnh mẽ cho hệ thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh của thiết kế mạch khóa cửa thông minh, từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tổng quan về Công Nghệ RFID trong Khóa Cửa

Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép nhận diện đối tượng thông qua sóng vô tuyến. Hệ thống này bao gồm thẻ RFID và đầu đọc, giúp kiểm soát ra vào một cách tự động và an toàn.

1.2. Giới thiệu về Vi Điều Khiển PIC 16F877

Vi điều khiển PIC 16F877 là một trong những dòng vi điều khiển phổ biến, với khả năng xử lý nhanh và hiệu quả. Nó có thể điều khiển nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống khóa cửa thông minh.

II. Vấn Đề và Thách Thức trong Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh

Mặc dù công nghệ RFID và vi điều khiển PIC 16F877 mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế mạch khóa cửa thông minh cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như bảo mật thông tin, độ tin cậy của hệ thống và khả năng tương thích giữa các linh kiện cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Bảo Mật Thông Tin trong Hệ Thống Khóa Cửa

Bảo mật thông tin là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế khóa cửa thông minh. Việc mã hóa dữ liệu và sử dụng các phương pháp bảo mật tiên tiến là cần thiết để ngăn chặn truy cập trái phép.

2.2. Độ Tin Cậy của Hệ Thống Khóa Cửa

Độ tin cậy của hệ thống khóa cửa thông minh phụ thuộc vào chất lượng linh kiện và thiết kế mạch. Cần thực hiện các bài kiểm tra để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh Sử Dụng RFID và PIC 16F877

Để thiết kế mạch khóa cửa thông minh, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật. Việc lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ mạch và lập trình vi điều khiển là những bước quan trọng trong quá trình này.

3.1. Lựa Chọn Linh Kiện và Thiết Kế Sơ Đồ Mạch

Linh kiện như module RFID, vi điều khiển PIC 16F877, và các cảm biến cần được lựa chọn kỹ lưỡng. Sơ đồ mạch cần được thiết kế sao cho tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy.

3.2. Lập Trình Vi Điều Khiển PIC 16F877

Lập trình vi điều khiển là bước quan trọng để điều khiển các chức năng của hệ thống. Cần sử dụng các ngôn ngữ lập trình phù hợp và tối ưu hóa mã nguồn để đảm bảo hiệu suất cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mạch Khóa Cửa Thông Minh

Mạch khóa cửa thông minh sử dụng RFID và PIC 16F877 có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Từ việc bảo vệ an ninh cho ngôi nhà đến việc quản lý ra vào trong các tòa nhà lớn, hệ thống này đang dần trở thành một phần không thể thiếu.

4.1. Ứng Dụng trong An Ninh Gia Đình

Hệ thống khóa cửa thông minh giúp bảo vệ an ninh cho gia đình bằng cách kiểm soát ra vào một cách tự động và an toàn. Người dùng có thể dễ dàng quản lý quyền truy cập.

4.2. Ứng Dụng trong Quản Lý Tòa Nhà

Trong các tòa nhà lớn, hệ thống khóa cửa thông minh giúp quản lý ra vào hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và tăng cường an ninh cho cư dân.

V. Kết Luận và Tương Lai của Thiết Kế Mạch Khóa Cửa Thông Minh

Thiết kế mạch khóa cửa thông minh sử dụng RFID và PIC 16F877 không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn nâng cao an ninh cho người sử dụng. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Tương Lai của Công Nghệ RFID

Công nghệ RFID sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ an ninh đến quản lý hàng hóa.

5.2. Cải Tiến trong Thiết Kế Mạch Khóa Cửa

Các cải tiến trong thiết kế mạch khóa cửa thông minh sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Nhận dạng, xử lý dử liệu bằng phương pháp RFID và Keypad sử dụng Pic 16F877a" (trong nội dung còn được gọi là "Thiết kế mạch khóa cửa cho smart nhận dạng bằng module RFID sử dụng PIC 16F877A") là đồ án môn học Vi xử lý thuộc Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng. Công trình do sinh viên Trịnh Minh Phương (MSSV: 0309181063) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đặng Đắc Chi vào tháng 12 năm 2020.

Bối cảnh thực tiễn được tác giả nêu ra xuất phát từ sự phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 trong các lĩnh vực kinh tế, chính trị, khoa học và kỹ thuật. Sự phát triển kỹ thuật đòi hỏi các thiết bị điều khiển phải đạt độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, kích thước gọn nhẹ, tiện lợi và an toàn. Trong đó, công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (RFID) được ứng dụng phổ biến trong quản lý kho bãi, phân loại sản phẩm và kiểm soát người/vật ra vào trong các hệ thống giám sát thông minh. Tác giả lựa chọn đề tài nhằm xây dựng một mô hình thực nghiệm khóa cửa thông minh kết hợp hai phương thức xác thực: thẻ từ RFID và bàn phím số ma trận (Keypad).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể thành 6 nội dung:

1. Hoàn thành môn học và các nhiệm vụ nghiên cứu được giao.
2. Tìm hiểu và ứng dụng giải thuật quét phím để giao tiếp bàn phím ma trận (Keypad) với vi điều khiển.
3. Tìm hiểu, ứng dụng công nghệ quét thẻ RFID và nắm vững nguyên lý hoạt động của các linh kiện trong hệ thống.
4. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mạch điều khiển cùng các khối chức năng phần cứng.
5. Viết chương trình điều khiển đáp ứng đúng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
6. Tìm hiểu phương hướng phát triển nhằm tối ưu hóa hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển truy cập sử dụng vi điều khiển PIC16F877A kết hợp module RFID RC522, bàn phím ma trận 4x4, màn hình LCD 1602 giao tiếp I2C, mạch công suất rơ-le và chốt điện từ Solenoid 12V.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mạch phần cứng nguyên mẫu và xây dựng firmware điều khiển nhúng trong thời gian từ ngày 30/09/2020 đến ngày 01/11/2020:

• Ngày 30/09/2020: Nhận đề tài đồ án.
• Từ 01/10/2020 đến 13/10/2020: Thiết kế phần cứng, mua sắm linh kiện, bo mạch và vật tư.
• Từ 14/10/2020 đến 24/10/2020: Lắp ráp mô hình, thiết kế mạch điều khiển và hàn mạch.
• Từ 25/10/2020 đến 01/11/2020: Kiểm tra (test) mạch điều khiển và viết chương trình điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Công trình áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kỹ thuật, kết hợp tính toán thiết kế mạch điện tử, layout mạch in và lập trình vi điều khiển nhúng. Cơ sở lý thuyết và công nghệ sử dụng trong đề tài gồm:

1. Vi điều khiển PIC16F877A (Microchip):

   • Kiến trúc 8-bit RISC với tập lệnh 35 lệnh độ dài 14-bit; mỗi lệnh thực thi trong một chu kỳ xung clock.
   • Tần số hoạt động tối đa 20 MHz, chu kỳ lệnh 200 ns.
   • Bộ nhớ chương trình Flash 8K x 14-bit (hỗ trợ ghi/xóa 100.000 lần, lưu trữ dữ liệu trên 40 năm, nạp trực tiếp qua chuẩn ICSP 2 chân).
   • Bộ nhớ RAM dữ liệu 368 x 8 byte; bộ nhớ EEPROM 256 x 8 byte (độ bền 1.000.000 lần ghi/xóa).
   • Gồm 5 cổng xuất nhập (Port A: 6 chân, Port B: 8 chân, Port C: 8 chân, Port D: 8 chân, Port E: 3 chân) với tổng cộng 33 chân I/O dạng vỏ DIP 40 chân.
   • Các khối ngoại vi tích hợp: Timer0 (8-bit), Timer1 (16-bit), Timer2 (8-bit); 2 bộ Capture/Compare/PWM; bộ chuyển đổi ADC 10-bit 8 kênh; 2 bộ so sánh điện áp; các chuẩn truyền thông nối tiếp SSP, SPI, I2C, USART (9-bit địa chỉ) và cổng song song PSP.

2. Module RFID RC522:

   • Sử dụng IC MFRC522 để thu phát sóng vô tuyến nhận dạng thẻ không dây (thẻ NFC, thẻ từ).
   • Hệ thống RFID thụ động (passive tag) hoạt động ở nhóm tần số thấp (LF), không cần nguồn nuôi riêng, nhận năng lượng cảm ứng từ sóng radio của đầu đọc trong phạm vi 1–20 cm.
   • Giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ SPI (Serial Peripheral Interface) 4 dây: SCK (xung nhịp đồng bộ tạo bởi Master), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input), SS (Slave Select - chọn chip Slave ở mức thấp).

3. Bàn phím ma trận 4x4 (Keypad):

   • Cấu tạo gồm 16 phím bấm bố trí thành 4 hàng (ROW 1–4) và 4 cột (COL 1–4), kết nối qua 8 đường tín hiệu.
   • Ứng dụng thuật toán quét phím 5 bước: cấu hình các hàng là Output (kéo lên mức 1) và các cột là Input; lần lượt đưa mức logic 0 vào từng hàng và đọc trạng thái mức 0 tại các cột để xác định tọa độ phím được nhấn.

4. Module hiển thị LCD 1602 kết hợp chip PCF8574 (I2C):

   • Màn hình LCD 1602 hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự.
   • Mạch chuyển đổi sử dụng IC PCF8574 giúp giao tiếp qua chuẩn I2C 2 dây (SDA, SCL), giảm thiểu số chân kết nối với vi điều khiển.
   • Điện áp hoạt động: 2.5–6V DC; địa chỉ I2C mặc định là 0x27 (tùy biến qua các chân A0/A1/A2); tích hợp biến trở chỉnh độ tương phản và jumper điều khiển đèn nền.

5. Khối nguồn và mạch công suất:

   • Nguồn sơ cấp: Adapter chuyển đổi từ nguồn điện lưới AC 220V (50/60 Hz) sang DC 12V – 5A.
   • IC ổn áp LM7805: Hạ áp và ổn định điện áp 5V DC, dòng tải cực đại 1.5A, dải điện áp đầu vào 7–25V, nhiệt độ làm việc từ -20°C đến 85°C.
   • IC ổn áp LM1117-3.3: Cung cấp điện áp 3.3V DC riêng cho module RFID RC522, dòng tải 1A, nhiệt độ làm việc từ -40°C đến 125°C.
   • Khối công suất rơ-le: Sử dụng rơ-le tiếp điểm (COM, NC, NO) điều khiển đóng/ngắt nguồn 12V cấp cho chốt điện từ Solenoid (loại thường đóng NC).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phần cứng và chương trình nhúng phân nhánh, kết nối khép kín từ khâu thu nhận tín hiệu đến khối xử lý và cơ cấu chấp hành.

Tên khối chức năng	Linh kiện chính sử dụng	Thông số kỹ thuật / Vai trò
Khối nguồn	Adapter 12V 5A, IC LM7805, IC LM1117-3.3, tụ 100µF, tụ 104	Cấp 12V cho Solenoid; cấp 5V cho vi điều khiển, LCD, Relay; cấp 3.3V cho RFID.
Khối xử lý trung tâm	PIC16F877A (DIP 40 chân), thạch anh, mạch reset, cổng ICSP	Xử lý dữ liệu quét phím, giải mã thẻ RFID, đối soát dữ liệu trong EEPROM, xuất lệnh điều khiển.
Khối nhận tín hiệu vào	Module RFID RC522, Bàn phím ma trận mềm 4x4	Nhập mã ID thẻ qua sóng vô tuyến (SPI) và nhập mật khẩu trực tiếp qua ma trận phím.
Khối hiển thị & Cảnh báo	LCD 1602 + PCF8574 (I2C), Còi Buzzer mini, 2 LED báo sai, Transistor C1815, trở 220Ω	Hiển thị giao diện vận hành, phát âm thanh và tín hiệu LED khi thao tác đúng/sai.
Khối công suất	Optocoupler PC817, Transistor C1815, Rơ-le 5V, Diode 1A, LED báo trạng thái	Cách ly quang vi điều khiển với mạch động lực; đảo trạng thái rơ-le kích mở khóa; chống xung dòng ngược.
Cơ cấu chấp hành	Chốt điện từ Solenoid 12VDC	Đóng/mở chốt cửa vật lý (loại thường đóng, mở khi rơ-le kích cấp điện 12V).

Chi tiết ghép nối mạch nguyên lý và mạch công suất:

• Mạch công suất sử dụng Opto PC817 nhằm cách ly tín hiệu điều khiển từ PIC16F877A với phần nguồn công suất, sử dụng điện trở 330Ω để hạn dòng cho LED phát quang bên trong opto. Tín hiệu ngõ ra từ opto kích mở transistor C1815 (có điện trở 1 kΩ phân cực cực Base) để đóng cuộn hút rơ-le. Mạch tích hợp diode 1A đấu song song ngược với cuộn hút rơ-le để triệt tiêu dòng điện cảm ứng tự cảm, kèm một LED báo trạng thái đóng ngắt mắc nối tiếp với điện trở 1000Ω.
• Khối cảnh báo sử dụng transistor C1815 để khuếch đại dòng kích còi Buzzer mini và 2 LED báo lỗi nối tiếp qua điện trở 220Ω.
• Khối xử lý trung tâm lưu trữ toàn bộ dữ liệu thẻ chủ (Master tag), mã định danh thẻ người dùng và chuỗi mật khẩu bàn phím vào bộ nhớ EEPROM nội của PIC16F877A để chống mất dữ liệu khi mất nguồn.

Toàn bộ hệ thống phần cứng sau khi thiết kế sơ đồ nguyên lý được chuyển sang vẽ mạch in và layout hoàn chỉnh dưới dạng bản vẽ mạch 2D trước khi gia công, hàn lắp linh kiện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Trình bày tổng quan về cuộc cách mạng công nghệ 4.0 và tầm quan trọng của các thiết bị tự động hóa trong quản lý, giám sát an ninh. Giới thiệu lý do lựa chọn đề tài thiết kế khóa cửa thông minh bằng RFID và PIC16F877A. Xác định 6 mục tiêu - nhiệm vụ nghiên cứu, kết cấu báo cáo gồm 5 chương và bảng kế hoạch tiến độ thực hiện từ 30/09/2020 đến 01/11/2020.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống hóa toàn bộ kiến thức lý thuyết về các linh kiện điện tử và vi điều khiển trong hệ thống:

• Phân tích kiến trúc vi điều khiển PIC16F877A: 35 tập lệnh, sơ đồ 40 chân, cấu tạo các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE, các bộ định thời Timer0/1/2, bộ nhớ Flash/RAM/EEPROM và các cổng truyền thông.
• Phân tích nguyên lý module RFID RC522: phân loại hệ thống chủ động (UHF có pin riêng) và bị động (LF, HF, UHF dùng năng lượng cảm ứng vô tuyến); cấu trúc 4 đường truyền chuẩn SPI (SCK, MISO, MOSI, SS) và nguyên lý giao tiếp với vi điều khiển.
• Cấu tạo bàn phím ma trận 4x4 (16 phím, 8 chân) và chi tiết 5 bước của thuật toán quét phím ma trận.
• Cấu tạo màn hình LCD 1602 (bảng chức năng 16 chân) và mạch giao tiếp PCF8574 qua chuẩn I2C.
• Thông số kỹ thuật các linh kiện nguồn và công suất: Adapter 12V 5A, IC LM7805 (5V/1.5A), IC LM1117-3.3 (3.3V/1A), Rơ-le 3 tiếp điểm (COM, NC, NO) và động cơ chốt điện từ Solenoid 12V.

Chương 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

Xây dựng sơ đồ khối tổng thể gồm 8 khối chức năng và phân tích nguyên lý phối hợp giữa các khối. Tính toán và thiết kế chi tiết từng mạch nguyên lý:

• Mạch nguồn nuôi: Chuyển đổi 12V sang 5V (LM7805) và 3.3V (LM1117-3.3), bố trí hệ thống tụ lọc gồm tụ hóa 100µF và tụ gốm 104.
• Khối nhận tín hiệu: Bố trí hàng rào header/jumper để kết nối module RFID RC522 và bàn phím ma trận 4x4.
• Khối xử lý trung tâm: Ghép nối vi điều khiển PIC16F877A với mạch dao động thạch anh, mạch nút nhấn Reset, tụ lọc nguồn và chân nạp ICSP.
• Khối hiển thị và cảnh báo: Ghép nối LCD qua mạch I2C, mạch còi báo Buzzer và 2 LED báo trạng thái qua transistor C1815 và điện trở 220Ω.
• Khối công suất: Mạch cách ly quang qua PC817 (trở 330Ω), kích đóng rơ-le qua transistor C1815 (trở 1 kΩ), diode 1A chống dòng ngược, LED hiển thị (trở 1000Ω) điều khiển chốt điện từ Solenoid 12V.
• Bản vẽ layout mạch in 2D hoàn chỉnh.

Chương 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho toàn bộ hệ thống và phân tách thành 15 lưu đồ chương trình chính và chương trình con chuyên biệt:

1. Lưu đồ chương trình chính (Main): Khởi tạo các cổng I/O, ngoại vi I2C, SPI, LCD; liên tục quét thẻ RFID và quét phím ma trận.
2. Chương trình con cảnh báo còi: Kích hoạt còi buzzer phát tín hiệu âm thanh khi nhập sai hoặc xác thực thành công.
3. Chương trình con lưu EEPROM: Ghi dữ liệu mã thẻ và mật mã vào các ô nhớ cố định trong EEPROM.
4. Chương trình con đọc EEPROM: Đọc các giá trị mã thẻ và mật khẩu đã lưu từ EEPROM lên RAM để đối chiếu.
5. Chương trình con thêm thẻ: Cho phép quản trị viên quẹt thẻ chủ để đăng ký thêm mã thẻ người dùng mới vào bộ nhớ.
6. Chương trình con xóa thẻ: Xóa mã thẻ hiện có ra khỏi vùng nhớ EEPROM.
7. Chương trình con gọi EEPROM: Truy xuất dữ liệu đối sánh trong quá trình quét.
8. Chương trình con đọc về giá trị thẻ: Thu nhận chuỗi byte dữ liệu ID truyền về từ module RC522 qua giao thức SPI.
9. Chương trình con xử lý thẻ: So sánh mã thẻ vừa đọc với danh sách mã trong EEPROM để quyết định đóng/mở cửa.
10. Chương trình con nhận phím Keypad: Quét ma trận 4x4 để thu nhận ký tự được nhấn.
11. Chương trình con xử lý phím: Giải mã mã phím nhận được thành các ký tự số hoặc phím chức năng.
12. Chương trình con nhập Pass: Tiếp nhận chuỗi ký tự mật mã từ người dùng nhập trên bàn phím.
13. Chương trình con xử lý Pass: So khớp chuỗi mật khẩu vừa nhập với mật khẩu lưu trong EEPROM.
14. Chương trình con đổi Pass: Cung cấp quy trình thay đổi mật khẩu quản trị và lưu trữ giá trị mới.
15. Chương trình con lưu/đọc Pass EEPROM: Quản lý đọc/ghi chuỗi ký tự mật mã vào bộ nhớ bất biến.

Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết các kết quả đạt được từ mô hình thực nghiệm, phân tích các điểm hạn chế về mặt phần cứng và thuật toán, đồng thời vạch ra các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm:

• Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng mạch điều khiển khóa cửa hoàn chỉnh, bố trí layout 2D gọn gàng, tích hợp đầy đủ các khối chức năng.
• Hệ thống thực hiện chính xác các chức năng nhận diện mã thẻ RFID thông qua module RC522 và xử lý nhập mật mã qua bàn phím ma trận 4x4.
• Giao tiếp thành công vi điều khiển PIC16F877A với màn hình LCD 1602 thông qua mạch chuyển đổi I2C (PCF8574), tiết kiệm số lượng chân I/O.
• Viết và nạp thành công chương trình nhúng với 15 modul giải thuật, thực thi tốt các tác vụ: nhận dạng thẻ, xử lý mật mã, thêm thẻ mới, xóa thẻ cũ, đổi mật khẩu và lưu trữ an toàn trong EEPROM.
• Mạch công suất cách ly quang bằng Opto PC817 và rơ-le hoạt động ổn định, điều khiển đóng/mở chính xác chốt từ Solenoid 12V kết hợp cảnh báo qua còi buzzer và LED.

Về giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

• Đề xuất mô hình xác thực kép (RFID + Password Keypad) giúp tăng cường bảo mật cho hệ thống khóa cửa thông minh độc lập (standalone).
• Tận dụng bộ nhớ EEPROM nội của PIC16F877A để lưu trữ cơ sở dữ liệu xác thực, duy trì tính toàn vẹn dữ liệu khi có sự cố mất nguồn điện mà không cần pin nuôi ngoài.
• Ứng dụng chuẩn I2C qua chip PCF8574 giúp tối ưu hóa số chân điều khiển của vi điều khiển, dành chân cho chuẩn SPI 4 dây và bàn phím ma trận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống hoạt động theo phương thức độc lập tại chỗ, chưa có kết nối mạng để giám sát hoặc quản lý từ xa.
• Dung lượng bộ nhớ EEPROM nội của PIC16F877A (256 byte) giới hạn số lượng thẻ RFID và mật khẩu có thể lưu trữ trong hệ thống.
• Cấu trúc phần cứng và vỏ bảo vệ cơ khí của mô hình còn ở mức thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa được đóng gói hoàn chỉnh cho môi trường thực tế.

Hướng phát triển trong tương lai:

• Nâng cấp vi điều khiển hoặc bổ sung bộ nhớ EEPROM ngoài/Flash để tăng dung lượng lưu trữ danh sách người dùng.
• Tích hợp thêm các module truyền thông không dây (Wi-Fi, Bluetooth, GSM) hoặc kết nối mạng IoT để quản lý, giám sát lịch sử ra vào và mở khóa từ xa qua máy tính hoặc ứng dụng di động.
• Phát triển thêm các phương thức sinh trắc học (vân tay, nhận diện khuôn mặt) kết hợp cùng RFID và Keypad để nâng cao cấp độ an ninh.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật máy tính/IoT khi thực hiện đồ án môn học vi điều khiển, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng.
• Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu là thiết kế chi tiết khối công suất cách ly quang (PC817 + C1815 + Rơ-le), quy trình giao tiếp chuẩn SPI với module RFID RC522, phương pháp quét bàn phím ma trận 4x4 và cấu trúc 15 lưu đồ thuật toán xử lý dữ liệu EEPROM trên dòng vi điều khiển PIC.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển PIC16F877A giao tiếp với module RFID RC522 thông qua chuẩn truyền thông nào và gồm những đường tín hiệu nào?
PIC16F877A giao tiếp với module RFID RC522 qua chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ SPI 4 dây, gồm các đường tín hiệu: SCK (Serial Clock - xung giữ nhịp do Master phát), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select - chân chọn chip hoạt động ở mức thấp).

2. Giải thuật quét bàn phím ma trận 4x4 trong đồ án được thực hiện qua mấy bước?
Giải thuật quét phím ma trận 4x4 được thực hiện qua 5 bước: (1) Cấu hình 4 chân hàng (ROW) làm ngõ ra ở mức cao và 4 chân cột (COL) làm ngõ vào; (2) Giữ tất cả ROW = 1 và kiểm tra trạng thái COL; (3) Đưa ROW1 = 0 và các hàng khác = 1 để kiểm tra các phím thuộc hàng 1; (4) Lần lượt đưa mức 0 sang ROW2, ROW3, ROW4 và kiểm tra COL tương ứng; (5) Dịch mức 0 liên tục qua các hàng để xác định chính xác phím được nhấn.

3. Khối nguồn của hệ thống cung cấp những mức điện áp nào và sử dụng các linh kiện ổn áp nào?
Khối nguồn nhận điện áp đầu vào 12V DC (dòng 5A từ Adapter 220VAC). Mức 12V được cấp trực tiếp cho cuộn hút chốt điện từ Solenoid; IC LM7805 hạ áp xuống 5V DC (1.5A) để cấp nguồn cho vi điều khiển, LCD, rơ-le và bàn phím; IC LM1117-3.3 hạ áp xuống 3.3V DC (1A) cấp nguồn riêng cho module RFID RC522.

4. Mạch công suất kích mở khóa chốt từ được thiết kế bảo vệ chống nhiễu và cách ly như thế nào?
Mạch công suất sử dụng Optocoupler PC817 để cách ly hoàn toàn vi điều khiển với mạch nguồn công suất, có điện trở 330Ω hạn dòng cho LED opto. Tín hiệu qua opto kích mở transistor C1815 đóng rơ-le. Mạch có gắn thêm diode 1A mắc song song ngược với cuộn dây rơ-le để triệt tiêu dòng điện cảm ứng tự cảm bảo vệ transistor, cùng LED báo trạng thái có trở hạn dòng 1000Ω.

5. Dữ liệu mã thẻ và mật khẩu được lưu trữ ở đâu trong hệ thống để tránh mất dữ liệu khi ngắt nguồn?
Toàn bộ mã ID của thẻ Master, thẻ người dùng và mật khẩu bàn phím được lưu trực tiếp vào bộ nhớ EEPROM nội dung lượng 256 x 8 byte của vi điều khiển PIC16F877A. Bộ nhớ này có khả năng ghi xóa 1.000.000 lần và lưu trữ dữ liệu không bị mất trên 40 năm.

Kết luận

Đồ án môn học Vi xử lý của sinh viên Trịnh Minh Phương đã thiết kế và thi công thành công hệ thống khóa cửa thông minh nhận dạng kép bằng module RFID RC522 và bàn phím ma trận 4x4 sử dụng vi điều khiển PIC16F877A. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh các khối chức năng từ phần cứng nguồn nuôi, mạch hiển thị LCD I2C, mạch công suất cách ly quang điều khiển chốt điện từ Solenoid 12V đến cấu trúc firmware 15 module giải thuật lưu trữ EEPROM an toàn. Công trình cung cấp giải pháp thực nghiệm kỹ thuật rõ ràng, có độ tin cậy cao và là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và nhận dạng sóng vô tuyến trong tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 2.4 Sơ đồ khối bên trong Pic 16F877A Bảng Hình 2. 2: 1:Sơ Sơđồ đồkhối khốichức bên trong. - Khối ALU–Arithmetic Logic Unit. - Khối bộ nhớ chứa chương trình–Flash Program Memory.

- Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM–Data EPROM, - Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM–RAM file Register. - Khối giải mã lệnh và điều khiển–Instruction Decode Control. - Khối thanh ghi đặc biệt. - Khối bộ nhớ ngăn xếp.

- Khối reset mạch khi có điện, khối định thời reset mạch khi có điện, khối định thời ổn định giao động khi có điện, khối định thời giám sát, khối reset khi sụt giảm nguồn, khối gỡ rối, khối lập trình bộ nhớ điện áp thấp. - Khối ngoại vi timer T0, T1, T2. Trang 12 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 - Khối giao tiếp nối tiếp. - Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số–ADC.

- Khối so sánh điện áp tương tự - Khối tạo điện áp tham chiếu - Khối các port xuất nhập.2 Tổng quan về module RFID RC522 Công nghệ RFID cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát tần số sóng vô tuyến, từ đó con người có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 có thể đọc được các loại thẻ có kết nối không dây như NFC, thẻ từ… Trang 13 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 Hình 2. 3: Sơ đồ dấu nối Ic RFID.1 Phân loại hệ thống RFID Có 2 loại hệ thống RFID thông dụng hiện nay là hệ thống chủ động và hệ thống bị động.1 Hệ thống chủ động Hệ thống này hoạt động điển hình trong nhóm UHF(Tần số siêu cao). Tại hệ thống này các thẻ tự có cho riêng mình hệ thống điều khiển và nguồn năng lượng.

Thường thường thì nguồn năng lượng đó chính Trang 14 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 là Pin. Các thẻ chủ động sẽ truyền đi các tín hiệu của chúng để chuyển thành thông tin rồi được lưu trữ trong các mạch vi xử lý của chúng.2 Hệ thống bị động Hệ thống RFID thụ động có thể hoạt động ở các nhóm tần số thấp (LF), tần số cao (HF) hay tần số siêu cao (UHF). Đầu đọc và các ăng-ten đầu đọc gửi tín hiệu radio đến thẻ. Thẻ RFID sau đó sử dụng tín hiệu được truyền để bật nguồn năng lượng và phản xạ năng lượng ngược trở lại đầu đọc.

Ở đề tài này được ứng dụng ở nhóm tần số thấp (LF) là đã có thể đáp ứng yêu cầu đề tài.2 Giao tiếp RFID với Vi điều khiển. Module này giao tiếp với VĐK qua một chuẩn truyền thông nối tiếp SPI (Serial Peripheral Bus). Đây là kiểu truyền thông Master-Slave trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).

4:Chuẩn giao tiếp SPI SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit Trang 15 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.

MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.

SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.3 Nguyên lý hoạt động Thẻ RFID bị động không có nguồn năng lượng riêng, thẻ RFID bị động sẽ chờ được kích hoạt bởi sóng tương tác từ đầu đọc RFID. Khi mà con chip của thẻ RFID tag được nạp năng lượng, nó sẽ tiến hành truyền phát tín hiệu.

Sự thay đổi về sóng từ được thực hiện bởi ăng ten của đầu đọc RFID và cũng từ đó mà tạo ra các mã hóa thông tin. Để cho quá trình này được diễn ra, ăng ten của cả đầu đọc RFID và RFID tag phải ở trong phạm vi cho phép thường thì trong khoảng từ 1-20Cm tính từ module nhận dử liệu từ thẻ Tag.3 Tìm hiểu về keypad 4x4. KeyPad là một thiết bị nhập chứa các nút bấm cho phép người dùng nhập các chữ số, chữ cái hoặc ký tự điều khiển. KeyPad không chứa tất cả bảng mã ASCII như keyboard vì thế nó thường được sử Trang 16 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 dụng trong các ứng dụng chuyên dụng và tương đối đơn giản, ở đó, số lượng nút nhấn thay đổi phụ thuộc vào ứng dụng.

5: Bàn phím ma trận mềm 4x4. KeyPad 4×4 gồm: 8 đầu vào/ra và 16 phím nhấn kết nối theo sơ đồ dưới đây: Trang 17 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 Hình 2. 6:Sơ đồ kết nối bàn phím 4x4. Các phím bấm được chia thành 4 hàng và 4 cột, 1 đầu của nút bấm được nối với đầu vào cột(C), đầu kia được nối với đầu vào hàng(R).2 Nguyên lý hoạt động.

Để làm việc với KeyPad 4×4, người lập trình thường sử dụng giải thuật “quét phím”. Giải thuật này yêu cầu VĐK liên tục đưa các tín hiệu đầu ra ở hàng (hoặc cột) và thu lại đầu vào ở cột (hoặc hàng), nếu phím được bấm, đầu phát tín hiệu sẽ được kết nối với đầu thu, từ đó xác định được phím đã bấm. Việc lựa chọn đầu ra/vào hình thành 2 phương pháp quét phím: theo chiều dọc và theo chiều ngang.3 Thuật toán quét phím. - Bước 1: set các chân ROW1, ROW2, ROW3, ROW4 như các chân Output và giữ chúng ở mức cao, các chân COL1, COL2, COL3, COL4 như các chân input Trang 18 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 - Bước 2: đưa tín hiệu đầu ra ở các chân ROW1 = 1, ROW2 = 1, ROW3 = 1 và ROW4 =1.

Kiểm tra tín hiệu ở các chân COL1, COL2, COL3, COL4 luôn bằng 1 dù có phím nào được nhấn hay không. - Bước 3: đưa tín hiệu đầu ra ở các chân ROW1 = 0, ROW2 = 1, ROW3 = 1 và ROW4 =1. Kiểm tra COL1, 2, 3 và 4, nếu phím thuộc hàng 1 được nhấn sẽ giá trị COL nhận được bằng 0. - Bước 4: tiếp tục đưa tín hiệu đầu ra ở các chân ROW1 = 1, ROW2 =0, ROW3 = 1, ROW4 = 1 để xác định phím bấm được nhấn nếu nó ở hàng 2.

- Bước 5: thực hiện quá trình dịch chân đầu ra mang điện áp mức 0 một cách liên tục và xác định phím được bấm.4 Sơ lược về LCD 1602. LCD text 1602 một sản phẩm quen thuộc với những người học và muốn thực hiện các dự án về điện tử, lập trình. Với khả hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự hoặc nhiều hơn tùy từng option LCD. Trang 19 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 Chân Kí hiệu Mức logic I/O Chức năng 1 Vss - - Nguồn(GND) 2 Vcc - - Nguồn(+5v) 3 Vee - - Chỉnh tương phản 4 RS 0/1 I 0: nhập lệnh 1: nhập lệnh 5 R/W 0/1 I 0: ghi dữ liệu 1: đọc dữ liệu 6 E 1,1 -> 0 I Tín hiệu cho phép 7 DB0 0/1 I/O Bus dữ liệu 0 8 DB1 0/1 I/O Bus dữ liệu 1 9 DB2 0/1 I/O Bus dữ liệu 2 10 DB3 0/1 I/O Bus dữ liệu 3 11 DB4 0/1 I/O Bus dữ liệu 4 12 DB5 0/1 I/O Bus dữ liệu 5 13 DB6 0/1 I/O Bus dữ liệu 6 14 DB7 0/1 I/O Bus dữ liệu 7 15 Lamp- - - Đèn LCD 16 Lamp+ - - Đèn LCD Trang 20 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 Bảng 2.5 Sơ lược về mạch chuyển đổi giao tiếp LCD sang I2C.

Mạch giao tiếp LCD 16x2 giúp cho việc giao tiếp với LCD trở nên đơn giản hơn, với chuẩn I2C chỉ cần dùng 2 chân (SDA và SCL) để kết nối với VĐK thay vì 4 chân hay 8 chân như cách thông thường. Mạch sử dụng chip PCF8574. 8:Sơ đồ kết nối module LCD I2C. Ưu điểm: - Tiết kiệm chân cho vi điều khiển - Dễ dàng kết nối với LCD Thông số kĩ thuật - Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC - Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) - Giao tiếp: I2C - Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2) Trang 21 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 - Kích thước: 41.3mm(H) - Trọng lượng: 5g - Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt - Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD 2.6 Khối nguồn cấp.1 Nguồn Adapter đầu hệ thống.

Nguồn này là nguồn đầu vào chính chịu trách nhiệm cấp điện nuối toàn bộ hệ thống điều khiển và công suất phía sau. Thông số kĩ thuật : - Điện áp đầu vào : AC-220V (50/60 Hz). - Điện áp đầu ra : DC 12V. - Dòng điện đầu ra : 5A.

9: Nguồn Adapter 12V5A Trang 22 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 2.2 IC ổn áp nguồn LM7805. 10: IC nguồn LM7805. Với một số mạch điện không đòi hỏi công suất quá cao nên việc sử dụng các Ic ổn áp thường rất phổ biến vì vậy mạch nguồn có cấu tạo đơn giản, không quá phức tạp thì IC LM7805 là một lựa chọn hợp lý. IC LM7805 là dòng IC ổn định điện áp đầu ra.

Dòng điện đầu ra 1.5A và điện áp ở mức 5V theo lý thuyết. Thông số kỹ thuật: - Điện áp vào: 7 ~ 25V - Điện áp ra: 4.2V - Dòng đầu ra: 1.5A - Nhiệt độ hoạt động lớn nhất: 85oC, nhỏ nhất: -20oC.3 IC nguồn LM1117-3. Là IC nguồn thông dụng, sơ đồ kết nối đơn giản cho ra điện áp thấp 3.3V với dòng ra tối da 1A. Nên sử dụng nguồn vào lớn hơn nguồn ra ít nhất 1.5V và cao nhất là 15V để bảo đảm IC làm việc ổn định.

Nhiệt độ hoạt động từ -40o đến 125oC. Ở đề tài này IC LM1117 cấp nguồn nuôi riêng cho Module RFID. Trang 23 Đồ án Vi điều khiển Chương 1 Hình 2.