Báo cáo môn THIẾT kế MẠCH sử DỤNG máy TÍNH đề tài mạch khóa số điện tử sử dụng vi điều khiển 8051

Ở đây chúng em xin giới thiệu về đề tài về khóa điện tửvới một số yêu cầu cơ bản của một thiết bị khóa thông dụng:  Tính an toàn: phải có chức năng bảo mật cao  Dễ sử dụng  Hệ thống v

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Báo cáo môn:

THIẾT KẾ MẠCH SỬ DỤNG MÁY TÍNH

Đề tài: Mạch khóa số điện tử sử dụng vi điều khiển 8051

Giảng viên: Ths.Lại Hồng Nhung

Sinh viên thực hiện:

Vũ Thị Nguyệt – DT030232 Nguyễn Công Tùng – DT030247

Hà Nội, 2022

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ 5

1.1Sơ đồ khối và chức năng các khối 5

1.2 Nguyên lý hoạt động 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051 8

2.2 Tổng quan về LCD 13

2.2.1 Cấu tạo 13

2.2.2 Chức năng các chân 15

2.3 Tổng quan về bàn phím 21

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG 22

3.1 Lưu đồ thuật toán 22

3.2 Mạch mô phỏng 23

3.4 Mạch in 27

3.5 Mạch 3D 28

3.6 Kết luận 29

Ưu điểm: 29

Nhược điểm: 29

Hướng phát triển: 29

3.7 Code 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ khối 5

Hình 2: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển 8

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo 89C51 9

Hình 4: Sơ đồ chân của 8051 10

Hình 5: Màn hình LCD 16x2 15

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý bàn phím 4x4 21

Hình 7: Lưu đồ chương trình mở cửa 22

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch khóa số điện tử 23

Hình 9: Khối trung tâm mạch khóa số 23

Hình 10: Khối hiển thị LCD 16x2 25

Hình 11: Khối bàn phím 4x4 25

Hình 12: Sơ đồ mạch in 27

Hình 13: Sơ đồ mặt trước mạch 3D 28

Hình 14: Sơ đồ mặt sau mạch 3D 29

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghệ kỹ thuật không ngừng phát triển, việc ứng dụng vi điều khiểnngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân dụng và công nghiệp, các thiết bịđiện tử là một phần gắn với cuộc sống con người trong xã hội hiện đại, hệ thống kiểmsoát bảo vệ an ninh cũng trong xu thế đó, phần lớn hiện tại các khóa sử dụng hiện naychủ yếu là khóa cơ khí, nhưng trong công việc có bảo mật, giám sát an ninh và giớihạn người vào, thì việc ứng dụng khóa điện tử vào các cơ quan, nhà máy là mộtphương án có hiệu quả cao Ở đây chúng em xin giới thiệu về đề tài về khóa điện tửvới một số yêu cầu cơ bản của một thiết bị khóa thông dụng:

 Tính an toàn: phải có chức năng bảo mật cao

 Dễ sử dụng

 Hệ thống vận hành ổn định, tuổi thọ cao

Trên cơ sở đó, chúng em đã đưa ra phương án thiết kế khóa điều khiển với cácchức năng như sau:

 Hệ thống gồm một chuỗi mã số từ 0 đến 9, và độ dài mật mã không quá 10

số chỉ có người được phân quyền sử dụng mới biết được

 Hệ thống hiển thị trực quan qua LCD 16x2, có đèn chiếu sáng khi điều kiệnmôi trường tối

Trong quá trình học tập chúng em có cơ hội làm quen với vi điều khiển qua cácmôn học trên lớp và tìm hiểu thêm thông qua các tài liệu sách báo và internet, emnhận thấy: “Ứng dụng vi điều khiển vào cuộc sống là một điều thú vị và là cả một quátrình sáng tạo”

Trong báo cáo môn thiết kế mạch điện sử dụng máy tính này, chúng em chọn

đề tài: “Thiết bị khóa số điện tử sử dụng vi điều khiển 8051”.

Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự chỉ bảo tận tình của cô giáo Lại Hồng Nhung cùng sự trợ giúp của các anh chị khóa trên, các bạn trong lớp và các tài

liệu có liên quan, chúng em đã hoàn thành xong đề tài

Báo cáo đã hoàn thành xong, nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót mong quýthầy cô giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể ứng dụng rộng rãi trong thựctế

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

1.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối

Khóa số điện tử nói chung là khóa mã điện tử dựa trên mật khẩu Trong bài báocáo này, chúng em đã thiết kế mạch khóa số điện tử sử dụng vi điều khiển 8051, nó

có thể được sử dụng như một hệ thống kiểm tra bảo mật để hạn chế quyền truy cậpvào khu vực nhất định có mật khẩu Hệ thống được thiết kế gồm 5 khối:

 Khối nguồn DC sử dụng nguồn 5V

Khối xử lý trung tâm

Chức năng: Đóng vai trò đầu não của hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ bàn phím

và so sánh mã và đưa thông tin hiển thị ra LCD thông báo cho người dùng Từ đó đưa

KHỐI XỬ LÝTRUNG TÂM

Sử dụng chip: AT89C51

Bàn phím

Bàn phím gồm các nút Mỗi nút là một bộ phận đóng mở bằng cơ khí Các mãcủa bàn phím tạo ra có thể được tạo ra trực tiếp hoặc bằng phép quét hàng và quét cột.Bàn phím gồm 16 phím được xắp xếp theo kiểu 4x4(với 4 cột và 4 dòng)

Thực hiện chức năng nhập các dữ liệu đưa đến vi điều khiển và bao gồm thaotác nhập mật khẩu, thay đổi mật khẩu, mở cửa, khóa cửa

Chức năng: cung cấp nguồn hoạt động cho hệ thống vi điều khiển

Khối mạch điều khiển động cơ đóng ,mở cửa

Chức năng: Đóng và mở cửa khi có tín hiện tương ứng từ bộ xử lý trung tâm.Mạch sử dụng mạch cầu H để điều khiển và động cơ sử dụng là động cơ DC

1.2 Nguyên lý hoạt động

Nhập một mật mã đưa tới khối giao tiếp và hiển thị những thông tin tới ngườidùng Rồi khối điều khiển sẽ gửi tín hiệu tới một thiết bị chấp hành đóng/ngắt hoặcđiều khiển cho đóng hoặc mở của nếu như mật mã đúng và đưa ra thông báo khi cómật khẩu sai

Ban đầu:

 Trên màn hình LCD sẽ hiển thị “ KHOA SO DIEN TU DT3 HVKTMMN10”,“NHAP MAT KHAU”

Nhập mật khẩu:

 LCD hiển thị nhập mật khẩu, người sử dụng nhập mã thông qua bànphím, nếu nhập đúng thì LCD hiển thị “ CHINH XAC, MO CUA SAU5S”, nếu nhập sai thì LCD hiển thị: “ SAI MAT KHAU, K MO DUOCCUA”

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051

Hình 2: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển

Kiến trúc của bộ vi xử lý điều khiển 8051

IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau :

- 4 kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051)

- 128 byte RAM - 4 port I/0 8 bit 4

- Hai bộ định thời 16 bits

- Giao tiếp nối tiếp

- 64KB không gian bộ nhớ chương trình ngoài

- 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài

- Bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)

- 210 bit được địa chỉ hóa

- Bộ nhân / chia 4μs

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo 89C51

Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit) bao gồm :

- Thanh ghi tích lũy A

- Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia

- Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit )

- Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word)

- Bốn băng thanh ghi

- Con trỏ ngăn xếp

- Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian vàlogic EA\ RST\ PSEN\ ALE\ P0\ P1\ P2\ P3

- Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình Họ vi điều khiển

8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở rộng với

bộ nhớ dữ liệu ngoài lên tới 64 kByte

Hình 4: Sơ đồ chân của 8051

Vi điều khiển 8051 có 32 trong 40 chân có chức năng như là các cổng I/O, trongđoa 24 chân được sử dụng với hai mục đích Nghĩa là ngoài chức năng cổng I/O, mỗichân có công dụng kép này có thể là một đường điều khiển của Bus địa chỉ hay Bus

dữ liệu hoặc là mỗi chân hoạt động một cách độc lập để giao tiếp với các thiết đơn bitnhư là công tắc, LED, transistor…

 Port 0

Port 0 (P0.0 – P0.7) có số chân từ 32 – 39

Port 0 có hai chức năng:

 Port xuất nhập dữ liệu(P0.0 – P0.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài

 Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp(AD0 - AD7) có sử dụng bộnhớ ngoài

Lưu ý: Khi Port 0 đóng vai trò là port xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng các điện trở

kéo lên bên ngoài

Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 0 (P0.0 - P0.7) được cấu hình làport xuất dữ liệu Muốn các chân Port 0 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trìnhlại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắt đầunhập dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp)

Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ liệu(D0 – D7)

❖ Port 1: Là một port I/O chuyên dụng trên các chân 1-8 của MC8051 Chúng được

sử dụng với một múc đích duy nhất là giao tiếp với các thiết bị ngoài khi cần thiết

❖ Port 2: (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 – 28.

Port 2 có hai chức năng:

 Port xuất nhập dữ liệu (-2.0 - P2.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài

 Bus địa chỉ byte cao (A8 – A15) có sử dụng bộ nhớ ngoài

Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 2 (P2.0 – P2.7) được cấuhình là port xuất dữ liệu Muốn các chân Port 2 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lậptrình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắtđầu nhập dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp)

Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉbyte cao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển

 Port 3:

Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân từ 10 – 17

Port 3 có hai chức năng:

 Port xuất và nhập dữ liệu (P3.0 – P3.7) không sử dụng bộ nhớ ngoàihoặc các chức năng đặc biệt.Các chức năng đặc biệt của Port 3 được ghitrong bảng sau:

Bit Tên Chức năng

❖ Chân (Program Store Enable): 8051 có 4 tín hiệu điều khiển là tín hiệu

ra trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình

mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh của chương trình Tín hiệu PSEN ở mức thấp trong suốt phạm vi quá trình của một lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các

mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN

sẽ ở mức cao

❖ Chân ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một

thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0 dùng

để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của chu kỳ bộ nhớ.Các xung tín hiệu

ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn

xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE có tần số 2MHz Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051.

❖ Chân (External Access): Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được nối lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND)

 Chân RST :

RST (Reset): thiết lập lại, chân số 9.

Chức năng:

 Là tín hiệu cho phép đặt lại trạng thái ban đầu chp hệ thống

 Là tín hiệu nhập, tích cực mức cao RST = 0 8051 hoạt độngbình thường RST = 1 8051 được thiết lập lại trạng thái banđầu

(µs): thời gian reset

(MHz): tần số thạch anh

(µs): chu kỳ máy

❖ Chân XTAL1, XTAL2:

XTAL (Crystal): tinh thể thạch anh, chân số 18-19

Chức năng:

● Dùng để nối với thạch anh hoặc mạch dao động tạo xung clockbên ngoài, cung cấp tín hiệu xung clock cho chip hoạt động

● XTAL1 – ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip

● XTAL2 – ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip

2.2 Tổng quan về LCD

2.2.1 Cấu tạo

LCD (Liquid Crystals Display ): Màn hình tinh thể lỏng, cơ sở vật lý để LCD

có thể hiển thị được thông tin, hình ảnh chính là do đặc tính của vật liệu chế tạo nênLCD, tức là Liquid Crystals (thạch anh lỏng) Các tinh thể bình thường chúng ở thể

rắn với sự định hướng đặc biệt Tuy nhiên ở đây các thể lỏng được cấu trúc từ cáctinh thể động Các tinh thể này có thể điều chỉnh bởi một điện trường đây là một cách

để điều khiển chất lỏng thay đổi từ trong suốt đến trạng thái mờ đục (chắn sáng)

LCD gồm hai bề mặt dạng rãnh, giữa hai bề mặt này là một lớp thạch anh lỏng(Liquid Crystal)

Để có một điểm tối trên LCD: ánh sáng phát ra từ bên trong LCD sẽ đi qua bềmặt rãnh thứ nhất (lớp lọc đơn cực), sau đó ánh sáng đi qua lớp Liquid Cristal (lớpnày được phân cực nên ánh sáng qua nó mà không bị xoắn), sau đó ánh sáng qua bềmặt rãnh thứ hai lớp phân cực thứ hai(lớp lọc đơn cực), ánh sáng không ló ra đượckhỏi lớp này(bị chặn lại hoàn toàn) ta thấy một điểm tối trên màn hình LCD

Để có một điểm sáng trên LCD: quá trình đi tương tự nhưng khác ở chỗ ánhsáng qua lớp Liquid Cristal không được phân cực nên ánh sáng bị xoắn 90 độ, nhờ thế

mà đi qua được bề mặt rãnh thứ hai(lớp lọc đơn cực) Ta thấy một điểm sáng trênLCD

2.2.2 Chức năng các chân

Chức năng

Hình 5: Màn hình LCD 16x2

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này

với GND của mạch điều khiển

2 Vdd Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân

này với Vcc=5V của mạch điều khiển

3 Vee Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD

Chân chọn thanh ghi (Register select)

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IRcủa LCD (ở chế 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

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W vớilogic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện

cạnh lên (low- to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

Chân VDD, VSS và VEE: Các chân VDD, VSS và VEE: Cấp dương nguồn 5V

và đất tương ứng thì VEE được dùng để điều khiển độ tương phản của LCD

Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có hai thanh ghi trong LCD, chânRS(Register Select) được dùng để chọn thanh ghi, như sau: Nếu RS = 0 thì thanh ghi

mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi một lệnh chẳng hạn như xoá mànhình, đưa con trỏ về đầu dòng v.v… Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn chophép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị trên LCD

Chân đọc/ ghi (R/W): Đầu vào đọc/ ghi cho phép người dùng ghi thông tin lênLCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W = 1

Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt dữliệu của nó Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấpphải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liêu Xung này phảirộng tối thiểu là 450ns.

Chân D0 - D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCDhoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị các chữ cái và các con

số, chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến f và các con số từ 0

-9 đến các chân này khi bật RS = 1 Cũng có các mã lệnh mà có thể được gửi đến LCD

để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ

Chú ý: Chúng ta cũng sử dụng RS = 0 để kiểm tra bít cờ bận để xem LCD có sẵn

sàng nhân thông tin Cờ bận là bít D7 và có thể được đọc khi R/W = 1 và RS = 0 như

sau:

Nếu R/W = 1, RS = 0 khi D7 = 1 (cờ bận 1) thì LCD bận bởi các công việc bên

trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tin mới nào Khi D7 = 0 thì LCD sẵn sàng nhận

thông tin mới

Lưu ý: Chúng ta nên kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào lên LCD.

Bảng mã lệnh của LCD

gian thi hành

RS R/W

R

DB0

DB1

DB2

DB3

DB4

DB5

DB6

DB7Xóa

40us

Mã (Hex) Lệnh đến thanh ghi của LCD

1 Xóa màn hình hiển thị

4 Giảm con trỏ (dịch con trỏ sang trái)

6 Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải)

7 Dịch hiển thị sang trái

5 Dịch hiển thị sang phải

8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A Tắt hiển thị, bật con trỏ

C Bật hiển thị, tắt con trỏ

E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ

F Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ

10 Dịch vị trí con trỏ sang trái

14 Dịch vị trí con trỏ sang phải

18 Dịch toàn bộ vị trí hiển thị sang trái

1C Dịch toàn bộ vị trí hiển thị sang phải

80 Ép con trỏ về đầu dòng thứ nhất

C0 Ép con trỏ về đầu dòng thứ hai

38 Hai dòng và ma trận 5x7

Trong báo cáo chúng em thiết kế với phím 4 cột và 4 hàng.

Có phím 0 đến 9 là phím nhập mã

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG 3.1 Lưu đồ thuật toán

Hình 7: Lưu đồ chương trình mở cửa