Thiết kế mạch khóa cửa tự động smartlock

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN 2
ĐỀ TÀI : MẠCH KHĨA CỬA TỰ ĐỘNG SMARTLOCK

---------Thành phố Hồ Chí Minh, 2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Tài liệu này là kết quả nghiên cứu mạch khóa, mở cửa tự động dùng ESP8266
Đầu tiên đề tài này giới thiệu tổng quát thông tin và các vấn đề liên quan smartlock.
Phần thứ 2 là tổng quan về các linh kiện chuyên dùng. Phần 3 trình bày về sơ đồ
khối, sơ đồ nguyên lý, mô phỏng và hoàn thiện sản phẩm. Phần 4 là kết luận và
nhận xét.
Mục tiêu đạt được của quá trình nghiên cứu mà đồ án đưa ra: Trình bày rõ các bước
thực hiện trong q trình làm. Hồn thành mạch khóa, mở cửa tự động. Hoàn thành
các mục tiêu đã đặt ra.


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH..........................................................................................1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................3
A.

LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................4

B.

NỘI DUNG.......................................................................................................5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...........................................................5

1.1. Lý do chọn đề tài...........................................................................................5
1.2. Ý tưởng thiết kế.............................................................................................5
1.3. Mục tiêu thiết kế............................................................................................5
CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LINH KIỆN CHUYÊN DÙNG..........6

2.1. Giới thiệu sơ lượt về Smartlock.......................................................................6
2.1.2 Giới thiệu giao thức I2C.............................................................................6
2.1.3 Nguyên lí hoạt động của Module bàn phím ma trận 4x4............................7
2.1.4 Các chế độ Wifi của ESP8266....................................................................8
2.1.5 Blynk.........................................................................................................10
2.2 Linh kiện chuyên dùng....................................................................................11
2.2.1 ESP 8266...................................................................................................11
2.2.2 Chốt khóa cửa LY-03 12VDC..................................................................12
2.2.3 Màn hình LCD1602..................................................................................13
2.2.4 Module I2C...............................................................................................15
2.2.5. Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A.............................................................16
2.2.6 Keypad matrix 4x4....................................................................................18
CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ SẢN PHẨM..............................................................20

3.1. Sơ đồ nguyên lý.............................................................................................20
3.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................21
3.3. Sơ đồ mạch in và mạch đã hồn thành...........................................................25
3.4. Code Arduino.................................................................................................25

3.5. Thi cơng đề tài...............................................................................................63


3.5.1. Mơ tả cơng việc:......................................................................................63
3.5.2. Quy trình thực hiện..................................................................................63
3.6. Mạch hoàn thiện..........................................................................................64
3.7 . Kết quả đạt được...........................................................................................65
CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN..................................................................................66

4.1. Ưu điểm.........................................................................................................66
4.2. Hướng phát triển............................................................................................66
C. TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................67
PHỤ LỤC.................................................................................................................68
QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN 2.....................................................................68
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN/ CHẤM 1....................................70
NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN/ CHẤM 2.............................................................71
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC..................................72


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Đường truyền tín hiệu....................................................................6
Hình 2.2: Sơ đồ mạch bàn phím ma trận 4x4.................................................7
Hình 2.3: Station.............................................................................................7
Hình 2.4: Access-point...................................................................................8
Hình 2.5: Blynk sever.....................................................................................9
Hình 2.6: ESP8266........................................................................................10
Hình 2.7: ESP8266 CP2102 NodeMCU.......................................................10
Hình 2.8: Chốt khóa cửa LY-03 12VDC......................................................12

Hình 2.9: Module I2C...................................................................................14
Hình 2.10: Kết nối module I2C và LCD.......................................................15
Hình 2.11: Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A.................................................16
Hình 2.12: Sơ đồ bàn phím ma trận 4x4.......................................................17
Hình 2.18: Bàn phím ma trận 4x4.................................................................18
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý.............................................................................19
Hình 3.2: Sơ đồ khối.....................................................................................20
Hình 3.3: Khối nguồn....................................................................................21
Hình 3.4: Khối vi điều khiển.........................................................................21
Hình 3.5: Khối cửa........................................................................................22
Hình 3.6: Khối chuông báo...........................................................................22
1


Hình 3.7: Khối hiển thị..................................................................................23
Hình 3.8: Khối bàn phím...............................................................................23
Hình 3.9: Sơ đồ mạch PCB Layout và trật tự sắp xếp linh kiện...................24
Hình 3.10: Mạch sản phẩm............................................................................56

2


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PWM

Pulse Width Modulation

SPI

Serial Peripheral Interface

SCK

Serial Clock

I2C

Inter – Integrated Circuit

SCL

Serial Clock Line

SDA

Serial Data Line

RH

Relative Humidity

MCU

Micro Controller Unit

LCD

Liquid Crystal Display

Led

Light Emitting Diode

DAC

Digital Analog Converter

ADC

Analog to Digital Converter

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

3


A. LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, con người cùng những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới,
chúng ta đã và đang ngày càng một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của
kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật cũng như sự chính
xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của
con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn.
Là sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trường, em đã được trao đổi những kiến thức
chuyên môn môn của ngành học. Tuy được học và thực hành nhiều trên lớp nhưng đó chỉ
là một phần nào đó nhỏ bé so với kiến thức ngoài thực tế ngày nay và sau này khi ra
trường chúng em sẽ gặp phải. Vì thế, em rất muốn vận dụng những kiến thức đã được học
vào thực tiễn và học hỏi những gì cịn thiếu. Trong những năm học tập, thực tập nghiên

cứu vừa qua, được sự giúp đỡ của các thầy cô bộ môn, em đã học hỏi được rất nhiều điều
trong thực tế, cũng như tìm hiểu chung vấn đề, tài liệu liên quan giúp ích cho việc hồn
thành báo cáo đồ án này. Vì thế sau khi cân nhắc và được sự góp ý của thầy cô em đã
chọn đề tài đồ án 2 là: “ Mạch khóa cửa tự động Smartlock”
Vì kinh nghiệm viết báo cáo đồ án còn thiếu, rất mong thầy cơ thơng cảm cho những thiếu
sót nhỏ của em trong quá trình thực hiện.
Em xin chân thành cảm ơn!

4


B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
1.1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Smartlock có những tính năng ưu việt như mở bằng app , mật khẩu ... Đây được sử dụng
thay thế ổ khóa thơng thường giúp tăng tính bảo mật , tiện lợi và thẩm mỹ , đó là sản
phẩm tụi em hướng đến lần này.
1.2. Ý tưởng thiết kế
 Hiển thị đăng nhâp mật khẩu qua LCD1602.
 Sử dụng bàn phím keypad để nhập mật khẩu mở khóa.
 Kết nối đăng nhập mở khóa thơng qua app trên điện thoại.
 Dùng ESP8266 làm trái tim của mạch.
1.3. Mục tiêu thiết kế
 Khóa cửa tự động.
 Điện áp hoạt động 12V.

 Cảnh báo qua âm thanh.
 Hỗ trợ kết nối qua app.

5


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LINH KIỆN CHUYÊN DÙNG

2.1. Giới thiệu sơ lượt về Smartlock
Khóa thơng minh là khóa cơ điện tử hỗ trợ Wifi, Bluetooth để mở cửa. Smart Lock cho
phép mở khóa cửa chỉ bằng lệnh thoại đơn giản... Khóa thơng minh cho phép truy cập từ
xa. Nên bạn hồn tồn có thể mở khóa cửa ở bất kỳ nơi đâu có kết nối wifiđồ
Khóa thơng minh cũng giống như ổ khóa truyền thống, cần hai bộ phận chính để hoạt
động: khóa và chìa khóa. Với khóa điện tử, khóa khơng phải là chìa khóa vật lý mà là
điện thoại thơng minh, mật mã để mở khóa cửa.
Những tính năng nổi bật của khóa cửa thơng minh trên thị trường hiện nay như : Hỗ trợ
app đi kèm, kết nối wifi, kết nối bluetooth, nhiều lựa chọn mở khóa, tạo mật mã tạm thời,
nhận cảnh báo trên smart phone, tích hợp với nhà thơng minh...
Trong đồ án này vì kiến thức và tài ngun của em có hạn nên chỉ thiết kế smartlock để
mở khóa bằng cách nhập mật khẩu vào bàn phím và mở khóa thơng qua app trên điện
thoại di động.
2.1.2 Giới thiệu giao thức I2C
-

I2C ( Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, sử dụng
để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

-

I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:

+ SCL - Serial Clock Line : Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi

6


+ SDA - Serial Data Line : Đường truyền nhận dữ liệu.

Hình 1 Đường truyền tín
hiệu
Hình

-

2. 1 Đường truyền tín hiệu

Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master Slave.

-

Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi
nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác.

-

Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị
Slave. Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển.
2.1.3 Nguyên lí hoạt động của Module bàn phím ma trận 4x4

Chúng ta sẽ kết nối 8 chân của Module bàn phím ma trận 4x4 với Arduino hoặc vi điều
khiển (tùy người sử dụng). Có hai cách xác định phím nào được nhấn bằng phương pháp
quét : quét theo hàng hoặc quét theo cột.
-

Quét theo hàng : các chân I/O nối với các cột là input , các chân I/O nối với các
hàng là ouput sẽ thực hiện việc quét phím.

-

Quét theo cột : ngược lại của quét theo hàng.

7


Hình 2. 2 Sơ đồ mạch bàn phím ma trận 4x4
2.1.4 Các chế độ Wifi của ESP8266
Cơ chế tổng quan đẩy dữ liệu lên internet (Station)

Hình 2. 3 Station

8


Cơ chế tổng quan cấu hình wifi (Access-point)

Hình 2. 4 Access-point

9

2.1.5 Blynk

Hình 2. 5 Blynk sever
Blynk là một nền tảng với các ứng dụng điện thoại thông minh cho phép bạn có thể dễ
dàng tương tác với bộ vi điều khiển như: Arduino, Esp8266, Esp32 hoặc Raspberry qua
Internet.

10


2.2 Linh kiện chuyên dùng
2.2.1 ESP 8266

Hình 2. 6 ESP8266

Hình 2. 7 ESP8266 CP2102 NodeMCU
-ESP8266 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có hỗ
trợ WiFi

11


 Thông số kỹ thuật:
-

Chip: ESP8266EX

-

WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

-

Điện áp hoạt động: 3.3V

-

Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

-

Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân
D0)

-

Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)

-

Bộ nhớ Flash: 4MB

-

Giao tiếp: Cable Micro USB

-

Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2

-

Tích hợp giao thức TCP/IP

-

Lập trình trên các ngơn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU - Lua

2.2.2 Chốt khóa cửa LY-03 12VDC
Khóa chốt điện từ LY-03, có chức năng hoạt động như một ổ khóa cửa sử dụng Solenoid
để kích đóng mở bằng điện, được sử dụng nhiều trong nhà thông minh hoặc các loại tủ,
cửa phịng, cửa kho,…, khóa sử dụng điện áp 12VDC, là loại thường đóng (cửa đóng) với
chất lượng tốt, độ bền cao. Khóa có thể sử dụng chung với các mạch chức năng tạo thành
một hệ thống thông minh.
 Thông số kỹ thuật :
 Thép không gỉ
 Nguồn điện: 12V DC
 Dòng điện làm việc: 1.2A

12


 Cơng suất: 14.5W
 u cầu nguồn cấp: 12VDC/2A

Hình 2. 8 Chốt khóa cửa LY-03 12VDC

2.2.3 Màn hình LCD1602
- Màn hình LCD 16x2 là một thiết bị hiển thị các ký tự theo mã ASCII, màn có thể hiện

thị ký tự trên 16 cột và 2 dòng
- Nguồn cung cấp : 3-6V
- Có 16 chân:
Châ

Ký

n

hiệu

Mơ tả

Giá trị

GND

0V

1

VSS

2

VCC

3

V0

Độ tương phản

4

RS

Lựa chọn thanh ghi

5V

RS=0 (mức thấp) chọn thanh
ghi lệnh

13


RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi
dữ liệu
5

R/W

Chọn thanh ghi đọc/viết
dữ liệu

R/W=0 thanh ghi viết
R/W=1 thanh ghi đọc

6

E

Enable

7

DB0

Chân truyền dữ liệu

8 bit: DB0DB7

8

DB1

9

DB2

10

DB3

11

DB4

12

DB5

13

DB6

14

DB7

15

A

Cực dương led nền

0V đến 5V

16

K

Cực âm led nền

0V

Bảng 1. 1: Chân LCD

14

2.2.4 Module I2C

Hình 2. 9 Module I2C
 Thơng số kỹ thuật:
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
- Tích hợp Jump chốt cung cấp cho LCD hoặc ngắt.
- Tích hợp biến trở xoay giúp điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Chân

Chức năng

VCC

Chân cung cấp nguồn cho Module và LCD (2,6 – 5V)

GND

Chân nối đất

SDA

Đường gửi và nhận dữ liệu của Master và Slave

SCL

Đường mang xung clock
Bảng 1. 2: Chân I2C

15


Cách kết nối module I2C và LCD :

Hình 2. 10 Kết nối module I2C và LCD

Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và
D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
2.2.5. Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A
Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dịng ra đến
3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 9v vào module,
sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v...như 5V hay 3.3V.

16