Mạch Khoá Số Điện Tử

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, hiện đại,
thế giới chúng ta đã và đang từng ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Với sự phát triển của các kỹ thuật cũng như các thiết bị điện tử đã tạo ra hàng
loạt thiết bị điện tử có đặc điểm nổi trỗi như: độ chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ
nhanh, giá thành lại rẻ đã góp phần thúc đẩy sự hiệu quả trong các hoạt động
của con người. Bên cạnh nước ta đang đi đến giai đoạn công nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước thì điện tử đang dần trở thành môn khoa học đa nhiệm vụ. Nó
đã đáp ứng được những nhu cầu thiết yếu của con người. Một trong những nhu
cầu thiết yếu đó là tính bảo mật cho cá nhân, tổ chức, đoàn thể, xí nghiệp.
Công việc bảo mật là cần thiết. Mạch ứng dụng khóa số điện tử là một trong
các sản phẩm có thể đáp ứng được nhu cầu bảo mật cho con người.
Đồ án này đặt mục tiêu: thiết kế, mô phỏng và thi công một mạch khóa số
điện tử với các yêu cầu như tính ổn định cao, giá thành rẻ và tính thẩm mỹ.
Xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn đã định hướng nội dung và
phương pháp giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng tiến độ. Trong quá trình
thực hiện còn gặp nhiều cản trở như: mạch chỉ thiết kế với một mật khẩu cho
trước chứ không thay đổi được theo ý muốn, mạch chỉ đơn thuần là ứng dụng
của khóa số điện tử mà chưa đạt được yêu cầu là khóa số điện tử như yêu cầu
đã đặt ra ban đầu.

CHƯƠNG I


CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ
MẠCH ỨNG DỤNG CỦA KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
1.1.

Tổng quan về ứng dụng của mạch khóa số
Mạch ứng dụng của khóa số điện tử là mạch số sử dụng các linh kiện điện

tử để tạo ra một thiết bị bảo mật nhằm bảo vệ các thiết bị, tài sản của con
người. Khi muốn mở khóa phải tác động tới mã số đã được thiết lập sẵn. Mạch
ứng dụng của khóa số điện tử: khi mở khóa thì phải nhập đúng mật khẩu là
một dãy các số liên tiếp nhau, nếu nhập đúng các dãy số đó thì đèn báo hiệu sẽ
sáng và nếu như ta nhập sai không đúng với những con số theo tuần tự của mật
khẩu thì đèn báo hiệu không sáng, thay vào đó đèn cảnh báo sẽ sáng.
Ứng dụng của mạch ứng dụng của khóa số điện tử là làm khóa cửa điện
tử cho các hệ thống cần mang tính bảo mật như: nhà riêng, cơ quan, công ty,
nhà máy…Dùng để bảo vệ thiết bị, tài sản của cá nhân, tập thể…, cụ thể như
két sắt, khóa chống trộm…
1.2.

Sơ đồ khối mạch khóa số
Trên hình 1.1 là sơ đồ khối một mạch ứng dụng của khóa số điện tử tổng

quát.
Trong đó:
Khối nguồn: Nhằm cung cấp nguồn điện 5V cho toàn bộ hoạt động của
hệ thống làm việc.
Khối giao tiếp: Nhằm tạo ra giao diện làm việc đơn giản, thuận lợi, dễ
dàng sử dụng cho người dùng
Khối điều khiển: Điều khiển hoạt động của mạch và thiết lập bảo mật
cho mạch điện.
Khối hiển thị: Hiển thị đèn báo hiệu khi mật mã đã trùng khớp với mật
mã của hệ thống và hiển thị đèn cảnh báo khi ta nhập sai mật khẩu.


Trong đồ án thiết kế hệ thống mạch này, bài toán đặt ra là phải thiết kế
một mạch ứng dụng của khóa sốđiện tử sử dụng mật mã đã được thiết lập sẵn,
hoạt động chính xác, đảm bảo tính ổn định, thẩm mĩ , chi phí thi công thấp, dễ

thực hiện.
Mạch được thiết kế, mô phỏng và vẽ mạch in trên phần mềm ISIS
(PROTEUS )
Các linh kiện được sử dụng trong mạch bao gồm: 2 IC 4017, 9 diode,
các nút bấm, transistor, điện trở, dây nối và giắc cắm.
a. Khối nguồn
Khối nguồn cung cấp nguồn điện áp một chiều 5V. Chúng ta chọn
nguồn một chiều này cho mạch là sở dĩ nguồn một chiều 5V đúng với mức
điện áp cung cấp cho IC, đảm bảo cho các linh kiện làm việc không bị hư
hỏng.
Để đơn giản ta cấp nguồn cho mạch bằng thiết bị sạc điện thoại di động
Nokia với các thông số điện áp, dòng điện:
Input: 100 – 240V AC
Tần số: 50 – 60 Hz/ 100 mA
Output: 5V DC/ 350 mA.
b. Khối giao tiếp
Nhằm mục đích tạo ra môi trường làm việc dễ dàng, thao tác đơn giản
và thuận lợi cho người dùng. Khối giao tiếp là một ma trận các phím bấm từ 0
đến 9 và 2 ký tự * và # được sắp xếp như bảng 1.1.
Ma trận giao diện nút bấm làm việc của mạch được thể hiện như sau:


1

2

3

4

5

6

7

8

9

*

0

#

Bảng 1.1. Giao diện nút bấm làm việc
c. Khối điều khiển
Khối điều khiển sử dụng IC 4017. IC 4017 là IC đếm hệ cơ số 10, có 10
ngõ ra từ Q0 đến Q9. Mỗi lần chân số 14 là chân clock nhận được xung kích
thích ứng với bờ sau thì nó sẽ nhảy lên một số. Ta ứng dụng mức cao ở đầu ra
các chân của IC quay về chân clock để kích mở lần lượt các chân tiếp theo. Sơ
đồ chân của IC 4017 được cho trên hình 1.2

Hình 1.2. Sơ đồ chân của IC 4017
Chức năng các chân như sau:
- Các chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11:lần lượt là các chân ngõ đầu ra từ
Q0 – Q9
- 2 chân 8, 16: là các chân nguồn âm, nguồn dương cung cấp cho điện
áp cho IC.

- Chân 13: cấp xung tích cực mức logic thấp.
- Chân 14: chân clock cung cấp xung tích cực mức logic cao.
- Chân 15 (MR): chân reset thiết lập lại trạng thái ban đầu.
Dưới đây là dạng xung của IC 4017 :


Hình 1.3.Dạng xung của IC 4017
d. Khối hiển thị
Khối hiển thị là thiết bị báo hiệu và cảnh báo trong mạch.Trong đề tài ta
sử dụng hai bóng đèn LED để thông báo và cảnh báo.Khi ta nhập đúng mật
khẩu đã thiết lập sẵn thì đèn led xanh lá cây sẽ sáng và khi ta nhập sai hay
reset lại mật khẩu thì đèn led xanh biếc sẽ sáng.
1.3.

Một số linh kiện khác trong mạch
a, Điện trở

Điện trở là linh kiện điện tử thụ động có chức năng cản trở dòng điện
của vật dẫn điện. Nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, một vật dẫn điện
kém thì có điện trở lớn và một vật cách điện thì có điện trở lớn vô cùng.


Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu và tiết diện của dây. Nó
được tính theo công thức :
Trong đó:

:là điện trở suất của dây dẫn.
l: là chiều dài của dây dẫn.
S: là tiết diện của dây dẫn.
R: là điện trở có đơn vị là Ohm.

Hình dạng và ký hiệu của điện trở được biểu diễn như sau:

Hình 1.4. Hình dạng và ký hiệu của điện trở
Các điện trở có kích thước nhỏ thì được ghi trị số bằng các vạch màu
theo một quy ước nhất định. Ngược lại, các điện trở có kích thước lớn hơn thì
thông thường trị số giá trị được ghi ngay trên thân của điện trở đó. Cách đọc
giá trị của điện trở theo bảng màu được cho dưới bảng 1.2.
Bảng màu giá trị của điện trở:
Màu sắc
Đen
Nâu
Đỏ
Cam
Vàng
Lục
Lam

Giá trị
0
1
2
3
4
5
6


Tím
Xám
Trắng

Nhũ vàng
Nhũ bạc

7
8
9
-1
-2

Bảng 1.2. Bảng màu giá trị của điện trở
Ví dụ: Một điện trở có màu như đỏ - đỏ - đen
Giá trị của điện trở: 220 Ω
b, Tụ điện
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các
mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, truyền
tín hiệu, mạch tạo dao động…
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song với nhau, ở giữa
chúng có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng giấy, gốm ,
mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo
tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá.
Tụ điện bao gồm: tụ không phân cực (tụ gốm), tụ phân cực (tụ hóa)…
Điện dung của tụ điện là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai
bản cực của tụ điện. Điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật làm chất
điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực. Nó được tính theo công thức:
Trong đó:
C: là điện dung của tụ điện và được tính theo Fara
là hằng số điện môi.
S: là diện tích bản cực của tụ điện.
d: là độ dày lớp cách điện.
Hình dạng của tụ điện được thể hiện như hình:

Hình 1.5. Hình dạng của tụ điện


c, Transistor
Transistor là linh kiện điện tử tích cực. Nó có cấu tạo gồm 3 lớp bán dẫn
ghép nối với nhau hình thành nên 2 lớp tiếp giáp p-n. Tùy theo thứ tự các lớp
tiếp giáp mà ta có transistor npn và transistor pnp. Hình dạng và ký hiệu của
transistor được cho như hình :

Hình 1.6. Hình dạng và ký hiệu của transistor
Trong đó:
Cực B: là cực base hay còn gọi là cực gốc. Lớp bán dẫn B có
nồng độ tạp chất thấp và rất mỏng.
Cực E: là cực emitor hay còn gọi là cực thu.
Cực C: là cực collector hay còn gọi là cự góp.
Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn là n hoặc p nhưng có kích
thước khác nhau và nồng độ tạp chất cũng không giống nhau.
d, Diode
Diode bán dẫn là linh kiện thụ động và phi tuyến. Nó cho phép dòng
điện đi qua theo một chiều mà không cho dòng điện đi qua theo chiều ngược
lại. Khi đã có được hai chất bản dẫn P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn này


theo một tiếp giáp P – N thì ta được một đi - ốt. Lớp tiếp giáp này có đặc điểm
là tại bề mặt tiếp xúc các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang
vùng bán dẫn P lấp vào các lỗ trống tạo thành một lớp Ion trung hòa về điện.
Lớp ion này tạo ra miền cách điện giữa hai vùng bán dẫn.
Hình dạng và ký hiệu của diode được cho như hình :

Hình 1.7. Hình dạng và ký hiệu của Diode

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ, THI CÔNG MẠCH
ỨNG DỤNG TRONG KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ


2.1. Bài toán thiết kế
Trong phần này, chúng ta trình bày việc mô phỏng và thi công một mạch
ứng dụng của khóa số điện tử sử dụng các IC số với yêu cầu cụ thể như sau:
Mật khẩu được thiết lập sẵn với độ dài mật khẩu là 8 số: 12071994. Khi người
sử dụng nhập đúng mật khẩu cho trước thì đèn báo hiệu màu xanh lá cây sẽ
sáng, và ngược lại khi chúng ta nhập sai mật khẩu thì đèn màu xanh lá cây sẽ
không sang, thay vào đó đèn màu xanh nước biển sẽ sang mỗi khi ta set lại mật
khẩu.
Các yêu cầu khác của mạch cần đạt bao gồm:
 Mạch thiết kế đơn giản, chi phí thấp
 Mạch hoạt động ổn định
 Đảm bảo tính thẩm mỹ
Mạchđược thiết kế, mô phỏng và vẽ mạch in trên phần mềm Proteus.
2.2. Phân tích, thiết kế mạch khóa số điện tử dùng IC số
a. Khối nguồn
Trong đồ án thiết kế này, khối nguồn để cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt
động của mạch. Để đơn giản ta sử dụng khối nguồn dùng nguồn 5V có sẵn từ
xạc điện thoại di động Nokia. Lý do ở đây ta sử dụng nguồn 5V là bởi vì nó
đáp ứng thông số kỹ thuật của IC 4017.
b. Khối giao tiếp
Nhằm mục đích tạo ra môi trường làm việc dễ dàng, thao tác đơn giản và
thuận lợi cho người dùng. Khối giao tiếp là một ma trận các phím bấm từ 0
đến 9 và 2 ký tự * và # được biểu diễn như hình 2.1.

Các phím bấm mà được đặt là mật khẩu như các phím 1, 2, 0, 7, 9, 4 thì
được nối với các ngõ ra của IC 4017 thông qua các diode.
Khối giao tiếp sử dụng các nút bấm có giao diện được thể hiện như hình 2.1


Hình 2.1. khối giao tiếp
c. Khối điều khiển
Khối điều khiển sử dụng hai IC 4017 để điều khiển hoạt động của mạch.
Khối điều khiển kết nối với khối giao tiếp từ các chân ngõ ra của IC 4017
thông qua các diode.
Sơ đồ, cách kết nối của khối điều khiển được thể hiện như sau:

Hình 2.2. khối điều khiển sử dụng IC 4017
d, khối hiển thị


Khối hiển thị là phần thông báo tín hiệu đèn mỗi khi ta nhập đúng mật
khẩu hoặc nhập sai mật khẩu. Khối hiển thị được kết nối với khối điều khiển
thông qua ngõ ra Q9của IC 4017 thứ nhất và ngõ ra Q3 của IC 4017 thứ hai.
Sơ đồ, cách kết nối của khối hiển thị được thể hiện như hình 2.3.

Hình 2.3. Khối hiển thị
2.3. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động
Từ những phân tích, và thiết kế các khối của mạch ứng dụng của mạch
khóa số điện tử ta tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch. Mạch được thiết lập
với mật khẩu cho trước là 12071994. Sơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện
như hình 2.4.
Nguyên tắc hoạt động của mạch như sau:
IC số 4017 là IC số có 10 ngõ ra, ứng với các xung clock thì lần lượt các
ngõ ra đó sẽ ở mức cao. Khi mới cấp điện cho mạch IC sẽ được reset, đầu ra

thứ nhất Q0ở mức cao. Nếu ta ấn phím số 1 thì mạch thông, mức cao này sẽ
được đưa vào chân clock (chân 14) làm cho đầu ra thứ 2 ở mức cao. Tiếp đến
ta nhấn phím 2 thì mạch lại thông, mức cao này lại được quay về chân clock
làm cho đầu ra thứ 3 của IC ở mức cao. Nếu cứ tiếp tục ấn các phím số tương
ứng với mật khẩu đã được thiết lập sẵn, thì các ngõ ra lần lượt sẽ nhảy lên các
mức cao và cuối cùng để kích mạch điện mở khóa ở đầu ra Q9 làm cho đèn báo
hiệu sẽ sáng.


Trong trường hợp, ta nhập đúng lần lượt là 1207199 nhưng phím cuối
cùng k phải là 4 thay vào đó là các phím như 5, 3, 8 thì sẽ không có xung kích
ứng cho đầu ra Q9 của IC và làm cho đèn hiển thị cũng sẽ không sáng. Nếu ta
nhấn phím ban đầu là 2 thì lúc này xung mức cao ở đầu ra Q0 sẽ không được
quay về chân clock để kích thích xung mức cao cho các ngõ ra sau lần lượt. Vì
vậy, trong những trường hợp nhập sai mật mã đã được thiết lập sẵn như trên
thì khi đó transistor làm việc ở chế độ bão hòa. Tín hiệu lúc này thông qua
diode đưa vào chân clock của IC 2, tín hiệu clock từ IC 2 sẽ được đưa vào
chân reset của IC 1 để reset mật khẩu lại từ đầu, IC 1 trở về trạng thái ban đầu
và đèn báo màu xanh biếc sẽ sáng.

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của mạch ứng dụng khóa số điện tử
Trong đó :
R1: Hạn dòng đưa vào Q1 để tránh transistor bị đánh thủng.
R2, R3, R5: Luôn giữ mức điện áp 0V khi chưa ấn phím.
Tụ C1: Chống dội phím.


2.4.Sơ đồ mạch in và mạch thi công
Ta tiến hành vẽ mạch in trên phần mềm proteus ta được như hình 2.5

Hình 2.5. Mạch in của mạch ứng dụng khóa số điện tử
Sản phẩm hoàn thiện được cho trên hình 2.6

Hình 2.6. mặt trước của mạch


Hình 2.7. Mặt sau của mạch
2.5. Kết luận và phương hướng
Sau khi thi công và khảo sát mạch ứng dụng của khóa số điện tử, mạch
đã đạt được những yêu cầu đặt ra từ trước như:
 Mạch thiết kế đơn giản, chi phí thấp
 Mạch hoạt động ổn định
 Đảm bảo tính thẩm mỹ
Bên cạnh nhưng kết quả đạt được thì mạch còn gặp nhiều hạn chế: chỉ
thiết lập được một mật khẩu cho trước mà không thay đổi được mật khẩu như
mong muốn. Phương hướng phát triển đồ án về ứng dụng này là có thể thay
đổi mật khẩu mà chúng ta muốn thông qua LCD có thể lập trình cho nó được.

KẾT LUẬN


Sau một thời gian thực hiện đề tài: thiết kế, mô phỏng và thi công mạch
ứng dụng của mạch khóa số điện tử, chúng em đã có thêm những kiến thức bổ
ích cho ngành học, vận dụng được những kiến thức đã học được vào thực tế
nhằm nâng cao hiểu biết nâng cao tay nghề hơn.
Qua việc làm đề tài, các kỹ năng như vẽ mạch, thiết kế mạch in có tính
thẩm mỹ cao, làm mạch thật cùng với kỹ năng hàn mạch ngày càng được cải
thiện.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn cô Th.S Nguyễn Thị Kim
Thu đã giúp đỡ chúng em trong việc định hướng, hướng dẫn chúng em hoàn

thành đề tài trong thời gian qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO


1)
2)
3)
4)
5)

.
.
.
. Tra cứu lần cưới vào ngày 25-3-216.
Điện tử số - Phạm Minh Hà, NXB giáo dục Hà Nội