ĐỀ tài hệ THỐNG ĐÓNG mở cửa sử DỤNG cảm BIẾN vân TAY

Hình ảnh thực tế của vi điều khiển ATMega8 được thể hiện ở hình 2-1.. Các chân này chỉ đảm nhận một chức năng độclập là nhận hoặc truyền dữ liệu, để kết nối với các thiết bị hỗ trợ UART

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên nhóm chúng em xin dành lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Côkhoa Điện - Điện tử đã truyền đạt, cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết

để vận dụng trong thực tiễn cũng như trong đề tài này

Và đặc biệt là TS Phạm Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chochúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án, thầy đã nhiệt tình hướng dẫn nhữnggiai đoạn cần làm, cần chuẩn bị gì và cách để tiếp cận nghiên cứu đề tài hiệu quảnhất

Do kiến thức còn bị giới hạn nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng emkhông thể tránh khỏi những sai sót Kính mong thầy có thể chỉ dẫn thêm để nhóm cóthể rút kinh nghiệm, hoàn thành tốt hơn ở các đồ án môn học tiếp theo

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 7

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 7

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 8

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 8

1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA8 9

2.2 LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY) 12

2.3 KEYPAD 4X4 14

2.4 CẢM BIẾN NHẬN DẠNG VÂN TAY AS608 15

2.5 NÚT NHẤN 17

2.6 LED ĐƠN 18

2.7 IC ỔN ÁP AMS1117-3,3V 18

2.8 NGUỒN ADAPTER 5V-2A VÀ JACK DC CÁI 5,5 MM 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 21

3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ 21

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI 21

3.3 CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI 22

3.3.1 Khối vi điều khiển 22

3.3.2 Khối nút nhấn 23

3.3.3 Khối hiển thị 24

3.3.4 Khối cảm biến 26

3.3.5 Khối nguồn 26

3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 27

3.5 HÌNH ẢNH MẠCH IN 29

3.6 PHẦN MỀM 30

3.6.1 Lưu đồ giải thuật chính 30

3.6.2 Lưu đồ giải thuật mở khóa vân tay 31

3.6.3 Lưu đồ giải thuật đổi mật khẩu 32

3.6.4 Lưu đồ giải thuật thêm vân tay 33

3.6.5 Lưu đồ giải thuật xóa vân tay 35

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 36

4.1 HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 36

4.2 NHẬN XÉT 40

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 45

5.1 ƯU ĐIỂM 45

5.2 KHUYẾT ĐIỂM 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC BẢNG

8

26

27

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại phát triển hiện nay, vấn đề an toàn bảo mật và an ninh là mộtvấn đề cực kì quan trọng và cần thiết trong cuộc sống, ta có thể thấy hàng loạt cáccông nghệ có liên quan và ảnh hưởng đến vấn đề này đang được thúc đẩy ra đời vàphát triển một cách mạnh mẽ Từ vấn đề an ninh của các cơ quan, trụ sở cho tới việcđảm bảo an toàn các thiết bị, nhà cửa, công trình, v.v…

Điển hình như việc thiết lập một hệ thống bảo vệ nhà cửa tránh sự xâm nhậpcủa kẻ lạ cũng như vấn đề trộm cướp Hệ thống bảo vệ đó có thể là một ổ khóathông minh được người dùng cài đặt mật khẩu bằng các dãy số Với thiết kế là các

số bấm nên hệ thống này khá tiện lợi khi sử dụng Tuy nhiên, kẻ lạ vẫn có thể dò racác dãy số của ổ khóa trong khoảng thời gian nhất định nên đây vẫn chưa là giảipháp tối ưu nhất

Hiện tại những nơi như nhà máy, xí nghiệp, cơ quan, nhà cửa hay những nơiđặc biệt đối với các cơ quan an ninh, bệnh viện,… vấn đề bảo mật và tránh sự xâmnhập trái phép là vô cùng cần thiết Vì vậy nhằm nâng cao yêu cầu về tính an toàn đểbảo vệ tài sản và thao tác đơn giản, dễ sử dụng, đã có một hệ thống đáp ứng đượcyêu cầu như thế đó là hệ thống bảo vệ đóng mở cửa bằng phương pháp nhận diện

dựa trên công nghệ sinh trắc và cụ thể đó là “Hệ thống đóng mở cửa sử dụng cảm

biến vân tay”.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Vận dụng kiến thức đã học thiết kế hệ thống đóng mở cửa bằng vân tay, chophép người dùng lưu trữ trước vân tay Khi người dùng muốn mở cửa thì yêu cầuphải nhập chính xác vân tay đã lưu trữ trước đó, khi vân tay được nhập đúng hoặcsai thì sẽ có hiện thị kết quả cụ thể Bên cạnh đó mở rộng thêm một số chức năngphục vụ người dùng như thêm chức năng mở khóa bằng mật khẩu (trường hợpkhông thể quét vân tay), đổi mật khẩu, thêm vân tay, xóa vân tay

1.3 Giới hạn đề tài

- Không sử dụng được mở khóa vân tay ngoài trời mưa.

- Cảm biến vân tay không sử dụng được cho người vân tay ra nhiều mồ hôi,vân tay bị mờ,…

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu, tham khảo những ứng dụng liên quan đã có trước đó

- Tham khảo ý kiến và thực hiện theo hướng dẫn của giảng viên

1.5 Bố cục đề tài

- Chương 1: Tổng quan Ở chương này, vấn đề dẫn đến quyết định chọn đề

tài, giới hạn, phương pháp nghiên cứu của đề tài, bố cục và đặt vấn đề

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ở chương này, trình bày về các linh kiện được

sử dụng trong đề tài

- Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng Ở chương này, trình bày yêu

cầu thiết kế, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, nguyên lý hoạt động, lưu đồ giải thuật vàmạch in của đề tài

- Chương 4: Kết quả thực hiện Ở chương này, trình bày kết quả đạt được

sau khi thiết kế và thi công

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Ở chương này tổng kết lại, trình

bày những ưu điểm, khuyết điểm trong quá trình nghiên cứu và hướng phát triển của

đề tài

- Tài liệu tham khảo.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vi điều khiển ATMega8

Vi điều khiển ATMega8 là sản phẩm của hãng ATMEL thuộc dòng MegaAVR Dòng vi điều khiển này có đặc điểm như sau:

- Thanh đa dụng có 32 thanh ghi

- Nếu dùng thạch anh 16 Mhz thì tốc độ tối đa đạt được là 16MIPS

- Khả năng ngoại vi:

+ Có 2 bộ couter/timer 8bit, 1 bộ couter/timer 16 bit

+ Bộ đếm thời gian thực với dao động riêng

+ Điện áp hoạt động là 4,5-5,4V.

+ Tần số hoạt động là 0-16MHz

Hình ảnh thực tế của vi điều khiển ATMega8 được thể hiện ở hình 2-1

Hình 2-1 Hình ảnh thực tế của ATMega8.

Hình 2-2 cho biết sơ đồ chân của ATMega8 28 chân Trong đó mỗi một chân

vi điều khiển đều được tích hợp nhiều chức năng và chức năng của từng chân đềuđược khảo sát theo port

Hình 2-2 Sơ đồ chân của ATMega8.

Trong vi điều khiển ATMega8 chỉ có một module truyền thông nối tiếp làUSART Module này có 3 chân chính đó là chân xung nhịp (XCR), chân truyền dữliệu (TxD) và chân nhận dữ liệu (RxD) Tuy nhiên trong đề tài này chỉ dùng 2 chânTxD và RxD để truyền nhận dữ liệu Các chân này chỉ đảm nhận một chức năng độclập là nhận hoặc truyền dữ liệu, để kết nối với các thiết bị hỗ trợ UART khác chúng

ta cần phải đấu chéo hai chân này, RxD của thiết bị thứ nhất kết nối với TxD củathiết bị thứ hai và ngược lại [1] Quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể xảy ra đồngthời trên module USART của ATMega8 hau còn gọi là hoạt động song công

Giống như các linh kiện khác, tất cả trạng thái hoạt động của module USARTđược giám sát và điều khiển qua các thanh ghi có trong vùng nhớ I/O Có năm thanhghi được thiết kế riêng biệt cho các hoạt động giám sát và điều khiển của USART.Gồm:

- UDR: có chức năng ghi dữ liệu gồm 8 bit chứa giá trị nhận và phát của

USART UDR có thể được xem như hai thanh ghi TXB (Transmit data Buffer) vàRXB (Receive data Buffer) có chung địa chỉ với nhau UDR đọc thu được giá trị vàothanh ghi đệm để ghi nhận dữ liệu, sau đó viết giá trị vào UDR tương đương đểchuẩn bị để gởi đi [1] Hình 2-3 thể hiện thanh ghi UDR

Hình 2-3 Thanh ghi UDR.

- UCSRA (USART Control and Status Register A): là một trong ba thanh ghi

có chức năng quan trọng trong việc điều khiển của các module USART [1] Hình

2-4 thể hiện thanh ghi UCSRA

Hình 2-4 Thanh ghi UCSRA.

- UCSRB (USART Control and Status Register B): có chức năng quan trọng

trong việc điều khiển USART [1] Hình 2-5 thể hiện thanh ghi UCSRB

Hình 2-5 Thanh ghi UCSRB.

- UCSRC (USART Control and Status Register C): có chức năng quy định

truyền chế độ truyền thông tin và khung truyền [1] Hình 2-6 thể hiện thanh ghiUCSRC

Hình 2-6 Thanh ghi UCSRC.

- UBRRL và UBRRH (USART Baud Rate Register): có chức năng quy định

tốc độ baud thấp và cao [1] Hình 2-7 thể hiện thanh ghi UBRRL và UBRRH

Hình 2-7

Thanh ghi UBRRL và UBRRH.

2.2 LCD (Liquid Crystal Display)

LCD gồm có 2 loại thông dụng để kết nối với vi điều khiển:

- LCD graphic: Chia toàn bộ màn hình thành những điểm ảnh có thể vẽ hình,logo,…

- LCD alphanumeric: Chỉ dùng để hiển thị số và chữ cái

Vì ta chỉ cần hiển thị chữ số và chữ cái nên ta chọn LCD alphanumberic Cụthể là ta dùng loại LCD 16x4 (có 4 hàng và mỗi hàng 16 ký tự).

Hình ảnh thực tế của LCD 16x4 được minh họa ở hình 2-8

Hình 2-8 Hình ảnh thực tế của LCD.

Điện áp hoạt động của LCD là 2,7 – 5,5 VDC

Dòng điện đi qua từ 350uA – 600uA

Bảng 2.1 sơ đồ chân của LCD Cho biết tên và chức năng của các chân LCD

8 D1 Bit 1 của dữ liệu

Bảng 2.1 Sơ đồ chân của LCD [2].

2.3 Keypad 4x4

Keypad 4x4 có thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếp với bất

kỳ vi điều khiển nào Bàn phím Keypad 4x4 có tổng cộng 16 nút nhấn ở dạng matrận (4x4) Tuy nhiên với bàn phím này, chúng ta chỉ cần dùng 8 chân: 4 chân hàngngang (R1 đến R4) và 4 chân hàng dọc (C1 đến C4) Hình ảnh thực tế của Keypad4x4 được minh họa ở hình 2-9

Hình 2-9 Hình ảnh thực tế của Keypad 4x4.

Trong ma trận phím Keypad 4x4 thì luôn có 4 hàng và 4 cột, hàng được chọn

là tín hiệu vào và được treo lên nguồn Vcc qua điện trở nên mức logic của hàng luôn

là mức 1, còn cột là tín hiệu ra [2]

Bốn chân hàng ngang (R4R3R2R1) sẽ bằng 1111 vì các phím nhấn thường

hở nên sẽ luôn là ở mức 1 [2]

Cột là tín hiệu ra nên sẽ được điều khiển xuất dữ liệu ra cột tùy ý Các phím

sẽ được đánh tên theo số thập lục phân từ 0 đến F nhằm mục đích phân biệt cácphím với nhau [2]

Để tiến hành kiểm tra xem phím nào được nhấn sẽ tiến hành bằng cách chotừng cột ở mức 0 (các cột còn lại ở mức 1) và kiểm tra theo hàng, nếu có hàngxuống mức 0 nghĩa là đã nhấn phím, ngược lại nếu hàng vẫn ở mức 1 nghĩa là chưađược nhấn phím [2]

Hình ảnh sơ đồ nguyên lý của keypad 4x4 được minh họa ở hình 2-10

Hình 2-10 Hình ảnh sơ đồ nguyên lý của Keypad 4x4.

Thông số kỹ thuật của keypad 4x4:

- Có 16 phím và 8 chân

- Độ dài cáp: 88mm.

- Nhiệt độ hoạt động: -40 – 70 độ C

- Kích thước bàn phím: 77*69 mm

2.4 Cảm biến nhận dạng vân tay AS608

Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 là loại cảm biến giao tiếp với vi điềukhiển thông qua giao tiếp UART TTL hoặc USB, còn đối với giao tiếp USB-UARTđược dùng để kết nối với máy tính [3] Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 rất dễ sửdụng không cần phải dùng đến các thao tác xử lý ảnh chỉ đơn giản sử dụng lệnh đọcghi và so sánh chuỗi UART vì bên trong cảm biến đã được tích hợp nhân xử lý nhậndạng vân tay phía trong, tự động gán vân tay vào 1 chuỗi dữ liệu và thông qua giaotiếp UART để truyền ra ngoài [3]

Hình ảnh thực tế của cảm biến nhận dạng vân tay AS608 được thể hiện ởhình 2-11

Hình 2-11 Hình ảnh thực tế của cảm biến nhận

Thông số kỹ thuật cảm biến nhận dạng vân tay AS608:

- Điện áp sử dụng: 3.0~3.6 VDC

- Dòng điện tiêu thụ: 30~60mA, trung bình 40mA

- Phương thức giao tiếp: USB/ UART

- Kích thước hình ảnh cảm biến (pixel): 256 x 288 pixels

- Thời gian xử lý: <0.3s.

- Dung lượng lưu trữ vân tay: 200 vân tay (ID: 0 – 199)

Bảng 2.2 sơ đồ chân của cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Cho biết tên vàchức năng của các chân AS608

Output của cảm biến chạm Touch, khi chạm tayvào cảm biến chân này sẽ xuất ra mức cao(High), để sử dụng tính năng này cần cấp nguồn

- Dùng mức 0 khi dẫn điện cho vi điều khiển

- Dùng mức 1 khi không dẫn điện cho vi điều khiển

Hình ảnh thực tế của nút nhấn được thể hiện ở hình 2-12

Hình 2-12 Hình ảnh thực tế của nút nhấn.

2.6 Led đơn

Bản chất của led đơn là một diode, chứa một tiếp giáp P-N Dòng điện đượcdẫn từ anot sang cathode, khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng,các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chất bán dẫn[4] Dựa trên dải công suất, led được phân thành 3 loại chính gồm: nhỏ, trung bình

Hình 2-14 Hình ảnh IC AMS117 trong thực tế.

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 4,8 – 8,7 VDC

- Điện áp ngõ ra: 3,3 VDC

- Dòng điện ra tối đa: 1 A

2.8 Nguồn Adapter 5V-2A và jack DC cái 5,5 mm

Nguồn Adapter 5V-2A để cấp nguồn cho các thiết bị có đầu vào bằng hoặcnhỏ hơn điện áp quy định của thiết bị Hình ảnh thực tế của nguồn Adapter 5V-2Athể hiện ở hình 2-15

Hình 2-16 Hình ảnh jack DC cái 5,5 mm trong thực tế.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG

3.1 Yêu cầu thiết kế

Dựa trên yêu cầu thực tế của người sử dụng nên có một số yêu cầu đặt ra cho thiết kế như sau:

- Hệ thống phải đảm bảo ổn định, thiết bị phải xử lý dữ liệu nhanh, chính xác các thao tác của người sử dụng Hạn chế sự cố gây mất an toàn trong quá trình sử dụng Có phương thức mở khóa thay thế trong trường hợp không nhận diện được vân tay, vân tay người sử dụng bị mờ, bị ướt,…

- Gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng các thao tác Phải tích hợp được nhiều chức năng trên ổ khóa Bố trí các thiết bị hợp lý dễ sử dụng và dễ dàng thay thế nếu bị hỏng

- Đảm bảo tính an toàn bảo mật, sử dụng được khoảng cho 150 người (dùng trong các dãy nhà trọ, cửa hàng, công ty nhỏ dưới 150 người) Đảm bảo độ bền cao, chắc chắn, chịu được va chạm mạnh

- Phải có tính thẩm mỹ, giá thành hợp lý so với các loại khóa cùng chức năng trên thị trường

3.2 Sơ đồ khối

Dựa trên yêu cầu thiết kế của người dùng Hình 3-1 là thể hiện sơ đồ khối của

hệ thống

Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống.

Các linh kiện trong từng khối:

- Khối nguồn: AMS1117 -3,3V, Adaptor 5V – 2A.

- Khối vi điều khiển: Vi điều khiển ATMega8

- Khối nút nhấn: Keypad 4x4

- Khối cảm biến: Cảm biến nhận dạng vân tay AS608

- Khối hiển thị: LCD 16x4

3.3 Chức năng từng khối

3.3.1 Khối vi điều khiển

Việc chọn ATMega8 là vì loại này phổ biến được dùng nhiều trong thực tế,giá thành tương đối rẻ, có cả cộng đồng nghiên cứu và đã dùng trong các projectmôn học nên có những am hiểu nhất định về loại vi điều khiển này

Hình ảnh của vi điều khiển ATMega8 được mô phỏng trong phần mềmProteus được thể hiện ở hình 3-2

Hình 3-2 Vi điều khiển ATMega8 trong phần mềm Proteus.

Sử dụng vi điều khiển ATMega8 nhận tín hiệu vào từ keypad 4x4 và cảmbiến nhận dạng vân tay AS608 để lập trình, xử lý tín hiệu và hiện thị ra LCD

3.3.2 Khối nút nhấn

Với yêu cầu hướng đến người dùng thì việc sử dụng nút nhấn rất là cần thiết,người dùng có thể mở khóa bằng mật khẩu nếu tay ướt (không nhận dạng được vântay), hoặc tùy theo nhu cầu người dùng muốn cài đặt thêm vân tay, xóa vân tay, đổimật khẩu

Nút nhấn là keypad 4x4 có 16 phím, gồm 10 phím số và 6 phím chức năng.Keypad 4x4 có 8 chân kết nối lần lượt đến 8 chân của vi điều khiển được thể hiện ởbảng 3.1

Bảng 3.1 Sơ đồ kết nối chân keypad 4x4 với các chân vi điều khiển ATMega8.

Hình ảnh nút nhấn được minh họa trong phần mềm Proteus được thể hiện ởhình 3-3

Hình 3-3 Keypad 4x4 trong phần mềm Proteus.

Để nhận dạng vân tay có nhiều cảm biến như: AS608, R307, E360,…

Nhận thấy AS608 có giá thành rẻ, lưu trữ được hơn 200 ID vân tay Bên cạnh

đó, AS608 tích hợp nhân xử lý nhận dạng vân tay phía trong, tự động gán vân tayvới 1 chuỗi data và truyền qua giao tiếp UART, đơn giản chỉ là phát lệnh đọc/ghi và

so sánh chuỗi UART nên rất dễ sử dụng và lập trình Nên chúng em quyết định chọnAS608

Sơ đồ kết nối AS608 trong phần mềm Proteus được thể hiện ở hình 3-5

Hình 3-5 AS608 trong phần mềm Proteus.

3.3.5 Khối nguồn

Điện áp hoạt động và dòng điện tiêu thụ của các linh kiện điện tử sử dụngtrong đề tài được thể hiện ở bảng 3.3

STT Linh kiện Điện áp hoạt động Dòng điện tiêu thụ

Bảng 3.3 Bảng thông số điện của các linh kiện.

Với thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, tiện lợi, không cần phải lắp đặt phức tạp, đápứng được yêu cầu cấp nguồn 5 VDC cho mô hình sản phẩm nên chúng em dùngnguồn Adapter 5V-2A để cấp nguồn 5 VDC cho các linh kiện hoạt động Jack DCcái 5,5 mm sẽ làm nhiệm vụ nối nguồn Adapter 5V-2A vào mạch, đưa dòng điệnmột chiều vào mô hình sản phẩm Hình ảnh sơ đồ kết nối của jack DC cái 5,5 mmđược mô phỏng trong Protues thể hiện ở hình 3-6

Hình 3-6 Hình ảnh jack DC trong phần mềm Proteus.

Tuy nhiên, cảm biến vân tay AS608 có điện áp hoạt động từ 3,0 – 3,6 VDC

Vì thế cần dùng một bộ chuyển nguồn từ 5 VDC xuống từ 3 – 3,5 VDC Trên thịtrường hiện nay có nhiều linh kiện đáp ứng được nhu cầu trên Chúng em chọn IC

ổn áp AMS1117-3,3V với lý do giá thành rất rẻ, nhỏ gọn, lắp đặt đơn giản, điện ápngõ vào có dải rộng từ 4,8 – 8,7 VDC, đảm bảo điện áp hoạt động cho cảm biến vân