ĐỒ ÁN Khoá cửa điện tử

ỦY BAN NHÂN NHÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

ĐỒ ÁN 2

ĐỀ TÀI : KHỐ ĐIỆN TỬ
Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử

Thành phố Hồ Chí Minh , 2022


ỦY BAN NHÂN NHÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

ĐỒ ÁN 2

ĐỀ TÀI : KHỐ ĐIỆN TỬ
Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử

Thành phố Hồ Chí Minh , 2022


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................

..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
Ngày ..… Tháng ….. Năm 2022
Ký tên

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện này, lĩnh vực điện tử, kỹ thuật số đang dần chiếm ưu thế về số lượng
các ứng dụng của nó trên thiết bị điện tử dân dụng ở nhiều lĩnh vực như đo
lường, điều khiển,…nhờ vào các ưu điểm vượt trội của nó. Cùng với sự phát
triển của xã hội thì các vấn về an toàn bảo mật và tiện lợi là những vấn đề luôn
được quan tâm hàng đầu.
Là sinh viên kỹ thuật khoa Điện tử - Viễn thông của trường Việc nắm bắt
công nghệ, xu hướng và ứng dụng vào đời sống là việc vô cùng quan trọng. Dựa
trên nền tảng kiến thức ở các mơn đã học và sự tìm tịi nắm bắt kiến thức thì
nhiệm vụ của em chọn là thiết kế: “ KHỐ ĐIỆN TỬ ”. Làm đề tài mơn đồ án 2.


Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Nhà Trường cùng quý
Thầy/Cô, bạn bè đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.
Đặc biệt em xin cảm ơn Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và định
hướng cho em trong việc thực hiện đị án hồn thành đúng thời gian quy định.
Dưới đây em xin trình bày nội dung đồ án, trong quá trình làm đồ án do hạn
chế về kinh nghiệm , kiến thức và điều kiện trang thiết bị phục vụ thực hành ,
linh kiện còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót, mong nhận được nhiều ý
kiến đóng góp của các thầy cơ và các bạn để em có thể hồn thành tốt nhiệm vụ
mơn đồ án 2 .
Xin chân thành cảm ơn .

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.....................................................................................................iii
MỤC LỤC...........................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG..........................................................................................vii
CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...............................................................................1
1.1

Lý do chọn đề tài:....................................................................................1

1.2

Nội Dung Đề Tài:.....................................................................................1

1.3

Ý Tưởng Thiết Kế:..................................................................................2

1.4

Mục Tiêu Thiết Kế:.................................................................................2

1.5

Tóm Tắt Nội Dung:.................................................................................2

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................3

2.1

Các kết nối và truyền thơng:..................................................................3
2.1.1 I2C:.................................................................................................3
2.1.2 WiFi:...............................................................................................5

2.2

Tổng Quan Về Linh Kiện Chính Sử Dụng Trong Mạch :...................6
2.2.1 Transistor 2SC1815:.....................................................................6
2.2.2 Relay 5V (YL303H-S-5vdc-1z) :..................................................7
2.2.3 LM7805..........................................................................................9
2.2.4 Electronic Lock...........................................................................10
2.2.5 Module I2C..................................................................................11
2.2.6 Module Keypad 4x4....................................................................12
2.2.7 LCD16x2......................................................................................12
2.2.8 Esp32............................................................................................14

CHƯƠNG III: THI CÔNG..............................................................................16
3.1. Thiết Kế Mạch :.....................................................................................16
3.1.1. Sơ đồ mạch :................................................................................16
3.1.2. Các khối :.....................................................................................17
3.2. Thi Công Mạch......................................................................................28


3.2.1. Mạch in:.......................................................................................28
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN..............................................................................32
4.1. Yêu cầu đặt ra của đề tài:.....................................................................32
4.2. Nhưng yêu cầu đã đạt được:................................................................32
4.3. Những hạn chế của đề tài :...................................................................32

4.4. Hướng phát triển của đề tài :...............................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................33


DANH MỤC HÌNH ẢN
Hình 2. 1: Bus I2C...............................................................................................3
Hình 2. 2: Điều kiện Bắt đầu/ Dừng...................................................................4
Hình 2. 3: Ví dụ giao tiếp I2C.............................................................................5
Hình 2. 4: Sơ đồ chân của C1815.......................................................................6
Hình 2. 5: Relay YL303H-S-5vdc-1z..................................................................7
Hình 2. 6: Sơ đồ chân của Relay........................................................................9
Hình 2. 7: Lm7805.............................................................................................10
Hình 2. 8 Khố cửa............................................................................................10
Hình 2. 9: Cấu tạ khố cửa...............................................................................11
Hình 2. 10: Ngun lý hoạt động của khố cửa..............................................11
Hình 2. 11 Module I2C LCD............................................................................12
Hình 2. 12: Module Keypad4x4.......................................................................13
Hình 2. 13: LCD16x2.........................................................................................13
Hình 2. 14: Module ESP32 Devkit V1.............................................................15
Hình 2. 15: Ngoại vi của Module ESP32 DEVkit V1.....................................16
Y
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống.........................................................................17
Hình 3. 2: Sơ đồ nguyên lý................................................................................18
Hình 3. 3: Adapter 12V/2A...............................................................................18
Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý Adapter 12V/2A...................................................19
Hình 3. 5Mạch hạ áp xuống 5V (LM7805)......................................................20
Hình 3. 6: Khối nhập.........................................................................................21
Hình 3. 7: Khối hiển thị....................................................................................21
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý module I2C LCD.................................................23
Hình 3. 9: Các bit dịa chỉ module I2C.............................................................23

Hình 3. 10: Khối Relay và Buzzer....................................................................24
Hình 3. 11: Khối điều khiển trung tâm...........................................................28
Hình 3. 12: Sơ đồ nguyên lý Module Esp32....................................................28
Hình 3. 13: Mạch in proteus.............................................................................29
Hình 3. 14: Mạch thực tế..................................................................................30
Hình 3. 15: Lưu đồ giải thuật...........................................................................31
Hình 3. 16: App Điều khiển khố cửa.............................................................32


DANH MỤC BẢN
Bảng 2. 1: Các chuẩn wifi...................................................................................5
Bảng 2. 2: Các thông số tối đa của 2SC1815.....................................................6
Bảng 2. 3: Các thông số hoạt động của 2SC1815..............................................6
Bảng 2. 4: thông số cuộn dây của Relay YL303H-S-5vdc-1z...........................7
Bảng 2. 5 thông số giới hạn tại các tiếp điểm....................................................8
Bảng 2. 6 các thông số hoạt động của LM7805...............................................10
Bảng 2. 7: địa chỉ PCF8547 / PC8547T...........................................................12
Bảng 2. 8: Các chân LCD.................................................................................14
Bảng 2. 9: thông số kỹ thuật của LCD16x2.....................................................14
Bảng 2. 10: Địa chỉ LCD...................................................................................15
Y
Bảng 3. 1: Thông số cuộn dây của Relay.........................................................25
Bảng 3. 2: Giá trị Ic tối đa của Transistor 2SC1815......................................26
Bảng 3. 3: Thông số các giá trị của 2SC1815 cần chú ý.................................26
Bảng 3. 4: Công suất khối công suất................................................................28


CÁC TỪ VIẾT TẮT
COM

Common

CPU

Central Processing Unit

I2C:

Inter-Integrated Circuit

LED:

Light Emitting Diode

VĐK:

Vi Điều Khiển

SCL

Serial Clock

SDA

Serial DaTA

NC

Normally Closed

NO

Normally Open

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1

Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên
tiến của thế giới, chúng ta đang ngày 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 các đặc điểm nổi bậc
như độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, bảo mật… là những yếu tố rất cần thiết
góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn.
An ninh và sự tiện lợi đến nay vẫn luôn là một đề tài được con người quan
tâm. Khố cửa truyền thống là vật khơng thể thiếu đổi với bất cứ ngơi nhà nào, khố
cửa truyền thống được sử dụng rộng rãi với duy nhất chỉ mục đích đảm bảo an tồn
cho ngơi nhà. Tuy nhiên thì với sự phát triển của xã hội nhu cầu của con người cũng
đã tăng lên, khoá của truyền thống bộc lộ các nhược điểm như:
 Thiếu tin cậy về phương diện tin cậy và an toàn.
 Xảy ra sự cố cho người dùng khi chìa khố bị qn/mất.
 Người dùng n phải mang chìa khố theo bên mình.
Xuất phát từ những hạn chế này, em đã thiết kế và thi cơng một mạch ứng
dụng nhỏ : “ Khố Điện Tử”. Với những ưu điểm :






Nâng cao độ an toàn bảo mật đáng kể (mật khẩu lên đến 6 kí tự).
Tiện lợi cho việc sử dụng khi mở khố bằng mật khẩu và điện thoại
thơng minh.
Dễ dàng cho người quản lý bằng điện thoại thông minh.

Việc chon dề tài này giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của
các thành phần trên mạch. Đồng thời củng cố kiến thức cũng như có trải nghiệm
thực tế việc thiết kế mạch và thi công mạch in.

1.2

Nội Dung Đề Tài:

Sử dụng module WiFi để truyền nhận dữ liệu với Smartphone và việc truyền
nhận này được điều khiển bởi một vi điều khiển. Vi điều khiển ở đây là PIC18F4550
(vi điều khiển này có 2 nhiệm vụ chính: xử lý dữ liệu và điều khiển kích đóng ngắt
các Relay để điều khiển các thiết bị điện).

1.3

Ý Tưởng Thiết Kế:


Điều khiển, giám sát tình trạng khố cửa từ xa qua điện thoại thông
minh.



Đổi và nhập mật khẩu mở khố qua bàn phím ma trận 4x4.



Hiển thị trạng thái khố cửa thơng qua màn hình LCD1602.



Theo dõi lịch sử đóng mở cửa qua điện thoại.



Sử dụng pin dự phịng khi gặp tình trạng mất điện.



Cơ chế mở khố:
Nhập mật khẩu đúng: Khoá điện mở + đèn báo sáng + LCD + thông báo
lên LCD.
Nhập mật khẩu sai: Loa kêu + thông báo lên LCD. Nếu sai quá 3 lần sẽ
đẩy thông báo lên điện thoại.

1.4

Mục Tiêu Thiết Kế:


Khoảng cách điều khiển và giám sát trạng thái khoá cửa > 30m



Công suất của nguồn 12V/24.



Công suất tiêu thụ < 70% công suất nguồn cấp DC 12V/2A


1.5



Hiển thị trạng thái khoá cửa lên LCD16x2



Độ trễ mở khoá cửa dưới 2s sau khi nhập đúng mật khẩu.



Cơ chế mở khố cửa: qua điện thoại và bàn phím.

Tóm Tắt Nội Dung:
Chương I: Tổng Quan.
Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương III: Thi Công.
Chương IV: Kết Luận

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các kết nối và truyền thông:
2.1.1 I2C:
Giao tiếp thức truyền thông nối tiếp I2C được sử dụng phổ biến và rộng rãi.

Trên bus I2C, nhiều thiết bị Master và Slave có thể giao tiếp với nhau.

Hình 2. 1: Bus I2C
SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ
liệu.


SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp.
Cả 2 đường SDA và SCL phải được nối với VCC thơng qua điện trở kéo
lên. Q trình truyền dữ liệu chỉ có thể bắt đầu khi bus I2C khơng hoạt động(bus
I2C được xem như không hoạt động khi cả hai đường SDA và SCL đều ở mức cao
sau điều kiện dừng.
Điều kiện khởi động: Đường SDA chuyển từ mức điện áp cao xuống mức
điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển từ mức cao xuống mức thấp.
Điều kiện dừng: Đường SDA chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp
cao sau khi đường SCL chuyển từ mức thấp lên mức cao.

Hình 2. 2: Điều kiện Bắt đầu/ Dừng
Bit ACK / NACK: Mỗi khung trong một tin nhắn được theo sau bởi một bit
xác nhận / không xác nhận. Nếu một khung địa chỉ hoặc khung dữ liệu được nhận
thành công, một bit ACK sẽ được trả lại cho thiết bị gửi từ thiết bị nhận.Trả về tại
bit thứ 9. Khơng xác nhận (1), xác nhận (0).
Quy trình để thiết bị Master có thể truy cập đến thiết bị Slave.
 Trường hợp 1: Thiết bị Master muốn gửi dữ liệu đến Slave
 Master gửi điều kiện bắt đầu và địa chỉ của Slave. Slave sẽ kiểm tra
và xác nhận
 Master gửi dữ liệu đến Slave. Slave sẽ kiểm tra và xác nhận.
 Master kết thúc quá trình truyền với điều kiện dừng.

 Trường hợp 2: Nếu Master muốn nhận/đọc dữ liệu từ Slave






Master gửi điều kiện bắt đầu và gửi địa chỉ cho Slave. Đợi Slave
kiểm tra và xác nhận.
Master gửi địa chỉ thanh ghi được yêu cầu đọc cho Slave.
Master nhận dữ liệu từ Slave.
Master kết thúc quá trình truyền/ nhận với điều kiện dừng.

Hình 2. 3: Ví dụ giao tiếp I2C
2.1.2 WiFi:
Wifi (Wireless Fidelity). Nhiệm vụ của wifi này là sử dụng sóng vơ tuyến để
truyền tín hiệu đến các thiết bị kết nối mà không cần đến dây.. Loại sóng vơ
tuyến này giống như sóng điện thoại, radio,.. nhưng đường truyền sóng ngắn hơn.
Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này
lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vơ
tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu khơng dâtrên các thiết bị di động thu nhận tín
hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. Q trình này có thể thực hiện
ngược lại, Router nhận tín hiệu vơ tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua
Internet.
Những chuẩn Wifi phổ biến hiện nay:


Bảng 2. 1: Các chuẩn wifi

2.2 Tổng Quan Về Linh Kiện Chính Sử Dụng Trong Mạch :

2.2.1 Transistor 2SC1815:

Hình 2. 4: Sơ đồ chân của C1815
Thông số kĩ thuật :


Bảng 2. 2: Các thông số tối đa của 2SC1815

Bảng 2. 3: Các thông số hoạt động của 2SC1815
2.2.2 Relay 5V (YL303H-S-5vdc-1z) :
Relay là một công tắc điện từ được vận hành bởi một dịng điện tương đối
nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn nhiều. Trái tim của relay là một nam
châm điện (một cuộn dây trở thành một nam châm tạm thời khi dòng điện chạy qua
nó). Có thể nghĩ về relay như một loại địn bẩy điện: Khi bật nó bằng một dịng
điện nhỏ và nó bật (“địn bẩy”) một thiết bị khác sử dụng dịng điện lớn hơn nhiều.

Hình 2. 5: Relay YL303H-S-5vdc-1z
Thơng số kĩ thuật :


Bảng 2. 4: thông số cuộn dây của Relay YL303H-S-5vdc-1z

Bảng 2. 5 thông số giới hạn tại các tiếp điểm.
Các chân của rơ le thường được ký hiệu là COM, NC và NO.
 COM (common): là chân chung, nó ln được kết nối với 1 trong 2 chân còn
lại. Còn việc nó kết nối chung với chân nào thì phụ thuộc vào trạng thái hoạt
động của rơ le.
 NC (Normally Closed): Thường đóng. Khi rơ le ở trạng thái OFF, chân COM
sẽ nối với chân này.
 NO (Normally Open): Thường mở. Khi rơ le ở trạng thái ON (có dịng chạy

qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này.

1) Coil
2) Coil
3) COM
4) Normally Close
(NC)
5) Normally Open

Hình 2. 6: Sơ đồ chân của Relay


Nguyên lý hoạt động:
Trong khi vận hành có một số bước cơ bản xảy ra khi rơ le cơ điện được cấp
điện hay ngắt điện:
 Điện áp cung cấp cho cuộn dây tạo ra từ trường.
 Từ trường được chuyển thành lực cơ học bằng cách hút phần ứng
 Phần ứng động đóng/mở một hoặc nhiều tiếp điểm điện.
 Các tiếp điểm cho phép chuyển mạch điện sang tải như động cơ, bóng
đèn,…
 Sau khi điện áp cuộn bị loại bỏ từ trường biến mất các tiếp điểm tách ra
và trở về vị trí bình thường
 Các tiếp điểm có thể thường đóng hoặc thường mở.

2.2.3 LM7805
LM7805 hay 7805 là IC ổn áp đầu ra 5V. Nó là IC ổn áp dương dòng
LM78xx, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại và giáo dục như là
một thiết bị tốt để cung cấp năng lượng cho họ mạch tích hợp kỹ thuật số TTL.

Hình 2. 7: Lm7805

Thơng số kĩ thuật:


Bảng 2. 6 các thông số hoạt động của LM7805

2.2.4 Electronic Lock

Thơng số kỹ
thuật:
 Điện
áp hoạt
động:
12VDC
 Dịng điện tiêu thụ: 0.4A

Hình 2. 8 Khố cửa
a. Cấu tạo bên trong


Hình 2. 9: Cấu tạ khố cửa
b. Ngun lý hoạt động:

Hình 2. 10: Ngun lý hoạt động của khố cửa
Khi dịng điện chạy qua cuộn cuộn dây, thì nó hoạt động giống như một
nam châm điện. Trục khoá nằm bên trong cuộn dây sẽ sẽ bị hút dẫn đến lò
xo bị nén lại. Lực và tốc độ của chuyển động của trục khoá được xác định
bởi cường độ của từ thơng được tạo trong cuộn dây.
Khi dịng điện bị ngắt, từ thơng sinh ra bởi cuộn dây biến mất, lị xo trở
về vị trí ban đầu.
2.2.5 Module I2C

Module I2C chuyển đổi từ giao tiếp song song sang giao tiếp I2C cho
LCD16x2. Việc này tiết kiệm Pin khi kết nối giữa LCD16x2 và Esp32.

Thông số kỹ thuật:


Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC






Giao tiếp với LCD : 4bit dữ liệu, điều khiển
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Hình 2. 11 Module I2C LCD

Bảng 2. 7: địa chỉ PCF8547 / PC8547T

2.2.6 Module Keypad 4x4

Hình 2. 12: Module Keypad4x4
Nguyên lý quét phím:
 Thiết lập các chân R1,R2,R3,R4 là các chân Output và giữ ở mức cao.
Các chân C1,C2,C3,C4 là các chân Input có điện trở kéo lên.