Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Hệ Thống Tưới Cây Tự Động theo độ ẩm

Đó là nghiên cứu, thiết kế và thực thi chế tạo mạch điều khiển của hệ thống tưới cây tự động đạt độ chính xác và hoạt động tốt.. Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian thực hiện đề tài với nội dung nghiên cứu,thiết kế và chế tạo

hệ thống tưới cây tự động, em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học ở trường, trong thực tế Cùng với sự giúp đỡ của thầy Lê Lăng Vân cho tới nay đã hoàn thành những yêu cầu của đề tài Đó là nghiên cứu, thiết kế và thực thi chế tạo mạch điều khiển của hệ thống tưới cây tự động đạt độ chính xác và hoạt động tốt

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Lăng Vân đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Do kiến thức còn hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án em không tránh khỏi những sai xót kính mong quý thầy cô trong hội đồng thi chỉ dẫn, bỏ qua và giúp đỡ em.Em rất mong được sự đóng góp của thầy

cô và các bạn để nội dung đề tài này ngày càng hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Hoàng Thiện Phúc

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Lý do chọn đề tài 2

3 Mục đích nghiên cứu 3

4 Kết cấu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 5

1.1 Khái niệm về hệ thống tự động 5

1.2.Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất 5

1.3 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng 6

1.4 Các nghiên cứu ở nước ngoài 7

1.5.Các nghiên cứu trong nước 9

1.6 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung 9

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THEO ĐỘ ẨM 10

2.1 Vi điều khiển Pic 16F877A 11

2.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A 11

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A 12

2.1.3 Các bộ timer của 16F877A 17

2.2 Cảm biến DHT11 18

2.3 Màn hình LCD 2 dòng 16 kí tự Error! Bookmark not defined 2.4 Rơle đóng ngắt thiết bị 21

2.5 Tụ điện 21

2.6.Điot 22

2.7 Điện trở 22

2.8 Thời gian thực DS1307 22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 25

3.1 Xây dựng bài toán cho hệ thống 25

3.2 Thiết kế phần cơ 26

3.2.1 Xác định lần tưới nhu cầu nước/lần tưới và khả năng cung cấp nước 26

3.2.2 Phân chia khu tưới 27

3.2.3 Tính toán đường ống chính 27

3.2.4 Tính toán đường ống nhánh, đường ống thứ cấp 29

3.2.5 Chọn phương pháp tưới 30

3.2.6 Vật liệu sử dụng trong xây dựng hệ thống tưới 31

3.3.Thiết kế mạch điều khiển 33

3.3.1 Thiết kế phần cứng 33

3.3.2.Mạch in thực tế sau khi thiết kế (sử dụng phần mềm atium) 33

3.3.3 Thiết kế phần mềm 34

3.3.4 Thuật toán điều khiển 38

3.3.5 Mạch thực tế sau khi thiết kế và chạy thử 40

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 41

4.1 Đánh giá kết quả 41

4.2 Hạn chế của đề tài 41

4.3 Hướng phát triển đề tài 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

PHỤ LỤC 43

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1.Bộ hẹn giờ và van điều khiển 8

Hình 2 1 Sơ đồ khối của mạch 10

Hình 2 2.Sơ đồ chân của PIC 16F877A 11

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý 12

Hình 2 4.Cảm biến DHT11 18

Hình 2 5 Sơ đồ kết nối với VĐK 19

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý kết nối của LCD1602 trong mạch điện 20

Hình 2 7 Relay 5V và sơ đồ các chân 21

Hình 2 8 Điot 22

Hình 2 9 Sơ đồ các chân của DS1307 23

Hình 3 1 Sơ đồ mạch nguyên lý 33

Hình 3 2.Mạch in sau khi thiết kế 34

Hình 3 3 Giao diện của phần mềm lập trình 35

Hình 3 4 PG2C mạch nạp PIC qua cổng COM 36

Hình 3 5 Giao diện phần mềm nạp pickit2 37

Hình 3 6 Lưu đồ thuật toán điều khiển 39

Hình 3 7 Mạch thực tế sau khi thiết kế và chạy thử 40

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt,

để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao

Ngoài ra trên những tuyến phố ở khu vực trung tâm thành phố chúng ta vẫn bắt gặp hình ảnh các xe bồn chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an toàn giao thông

Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tưới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc , sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình Việc tính toán để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây trồng

và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm lá và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước

tạo điều kiện cho cây trồng hấp thu dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm… Tất cả các điều kiện đó sẽ được đưa vào hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn

2 Lý do chọn đề tài

Hệ thống tưới tự động (tưới nhỏ giọt, phun sương …) là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động và chi phí nhân công Vốn đã rất phổ biến từ nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ vài ba năm trở lại đây việc vận dụng

hệ thống này mới trở thành xu hướng Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào

xử dụng vì chi phí đầu tư cao

Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại

Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các lĩnh vực này Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trường như :nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn

trên em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế : “Hệ Thống Tưới Cây Tự Động

theo độ ẩm’’

3 Mục đích nghiên cứu

Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tưới tự động, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc tưới tiêu cây trồng ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả cao

4 Kết cấu

- Tổng quan về đề tài

- Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển

- Thiết kế hệ thống tưới tự động

- Kết quả và định hướng phát triển

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:

• Các kết quả nghiên cứu kế thừa

- Kế thừa công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng

- Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn

• Định hướng nghiên cứu

- Nghiên cứu phần mềm lập trình và mô phỏng trên máy tính

- Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả

• Kiểm chứng

- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi và từ đó hoàn thiện hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

1.1 Khái niệm về hệ thống tự động

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người

Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác

Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến

- Hệ thống điều hoà không khí

- Hệ thống điều chỉnh độ ẩm

- Hệ thống tự động báo cháy v.v

Trong môi trường sản xuất:

- Các máy tự động

- Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động

- Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính, Robot v.v

1.2.Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất

Lịch sử hoàn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển trên cơ sở

cơ giới hóa và điện khí hóa Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mấu chốt của năng suất, chất lượng, giá thành

Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, cải

thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường độ cao về sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Từ đó sẽ tăng khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất

Trong một tương lai gần tự động hóa sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sống con người Trong sản xuất nó thay thế con người những công việc cơ bắp nặng nhọc, công việc nguy hiểm, độc hại,công việc tinh vi hiện đại còn trong đời sống con người những công nghệ này sẽ được ứng dụng phục vụ nhu cầu sống Nó sẽ là phương tiện không thể thiếu trong đời sống chúng ta

1.3 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng

Công trường thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của hiện đại hóa Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng…

Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới tiêu, song nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dần tự động hóa vào đời sống và sản xuất, đặc biệt là các nước đông nam á trong đó có Việt Nam

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào

1.4 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới cây tự động: Đầu những năm 80, Liên Xô ( cũ ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió… Nó có thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác

Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đám mây và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả năng tự động ngắm hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tính toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu vào Droplet là 1 chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng dòng nước phun ra từ ống đến thân cây trong bán kính 9,14 mét Trước khi robot

tự động vận hành, người dùng chỉ cần khai báo tên của các loại cây có mặt trong vườn thông qua điện thoại, máy tính bảng, được kết nối không dây với robot Dựa trên thông tin về tên các loại cây, Droplet sẽ tự tra cứu thông tin trên mạng nhằm xác định lượng nước cũng như tần số tưới cho phù hợp với từng loại cây Bên cạnh đó, Droplet cũng tự tra cứu dữ liệu về tình hình thời tiết của địa điểm

làm việc để xác định mưa/nắng nhằm đưa ra lịch làm việc thích hợp

Bộ điều khiển tưới cây tự động Israel dễ dàng được lập trình theo yêu cầu tưới của người sử dụng Chỉ cần vài thao tác lập trình, cung cấp cho hệ thống một nguồn nước đầu vào và dẫn các đầu tưới đến các vị trí cần tưới là đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự động theo công nghệ tưới tiên tiến

Có 2 loại điều khiển: Điều khiển theo giờ tưới và điều khiển theo chu kỳ

• Điều khiển theo giờ tưới: Hệ thống hoạt động đúng theo thời gian đồng

hồ yêu cầu

• Điều khiển theo chu kì tưới: Hệ thống hoạt động theo vòng lặp thời gian

*Bộ điều khiển thời gian và van điện từ

- Bộ điều khiển tự động: dùng để cài đặt thời gian tưới tự động, như giờ hoạt động, thời gian hoạt động, thời gian dừng hay chuyển đổi các vị trí tưới Bộ cảm biến mưa sẽ tự động ngừng tưới khi có mưa hay độ ẩm cao

- Van điện từ: là thiết bị nhận và truyền tín hiệu từ bộ điều khiển đến các đầu tưới, để các đầu tưới hoạt động

Hình 1 1.Bộ hẹn giờ và van điều khiển

* Hoạt động của hệ thống tưới: Hệ thống được mặc định giờ tưới, đến giờ hoạt

động thì bộ điều khiển sẽ tự động truyền tín hiệu đến các van điện từ, các van sẽ tự động mở ra và cung cấp nước cho các đầu phun Thời gian tưới được cài đặt sẵn theo ý muốn của người sử dụng

1.5.Các nghiên cứu trong nước

Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vào trong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bán tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhất có thể

Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục

Hệ thống tưới phun tự động đa năng- một công trình khoa học của 2 giảng viên

trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7- 1200 Khi các cảm biến cho thông

số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt, và sẽ

tự ngừng trong đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu

Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực và đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế

1.6 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung

Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, do giá thành quá cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các thiết bị đó Vì vậy, tác giả

đã thực hiện nghiên cứu hệ thống tưới sử dụng cảm biến độ ẩm của không khí để quyết định thời gian tưới cho cây trồng Hệ thống chế tạo đơn giản, chi phí thấp dễ sửa chữa

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

TƯỚI CÂY THEO ĐỘ ẨM

Thiết kế mạch điều khiển có chức năng thực hiện điều khiển đóng ngắt thiết

bị điện tự động thông qua các cảm biến DHT11 (cảm biến nhiệt độ và độ ẩm)

Hệ thống được thiết kế gồm 5 khối:

• Khối thu gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

• Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 16F877A

• Khối hiển thị sử dụng LCD

• Khối điều khiển thiết bị sử dụng Relay 5VDC để đóng/ cắt thiết bị

• Khối thời gian thực (hẹn giờ)

Sơ đồ khối của mạch

Hình 2 1 Sơ đồ khối của mạch

Khối thu sử dụng cảm biến DHT11

Khối điều khiển

thiết bị Khối xử lý trung tâm

Khối hiển thị Khối thời gian

thực

Chức năng của từng khối:

• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC 16F877A điều khiển toàn bộ hoạt động của mạch là nhận dữ liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm Đưa hiển thị lên các LCD sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật /tắt (hẹn giờ bật /tắt) thiết bị điện

• Khối hiển thị: Là các LCD 2 dòng 16 kí tự để hiển thị nhiệt độ và độ

ẩm môi trường, thời gian

• Khối nguồn nuôi: Là khối cơ bản nhất nó cung cấp dòng nuôi cho toàn

bộ linh kiện trong mạch Nó tạo ra điện áp ổn định thoả mãn các chỉ số

về điện áp và dòng ( Dùng sạc pin điện thoại 5V )

• Khối bật tắt thiết bị điện: Là khối sử dụng Relay 5 VDC để đóng /ngắt mạch hoạt động của các thiết bị điện khối này nhận tín hiệu từ VĐK PIC 16F877A

2.1 Vi điều khiển Pic 16F877A

2.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A

Hình 2 2.Sơ đồ chân của PIC 16F877A

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A

Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A được trình bày trên Hình 2.3

và với các đặc điểm cơ bản như sau :

Vpp: Ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho pic

• Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2 có 2 chức năng:

RA0, 1, 2: Ngõ vào xuất/nhập số

AN0, 1, 2: Ngõ vào tương tự của kênh 0, 1, 2

• Chân RA2/AN2/VREF-/VREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp bộ AD/ ngõ vào điện áp chuẩn cao bộ

• Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP

• Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào dao động Timer1/ ngõ vào xung clock bên ngoài Timer1

• Chân RC1/T1OSI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer1/ ngõ vào capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2

• Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1, ngõ ra Compare1, ngõ ra PWN1

• Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng

bộ, ngõ ra chế độ SPI/ ngõ vào xung clock đồng bộ, ngõ ra chế độ I2C

• Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập I2C

• Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI

• Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART

• Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART

• Chân RD0÷ 7/PSP0÷ 7(19÷ 30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song

• Chân RE0/ RD /AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh 5

• Chân RE1/ WR /AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh 6

• Chân RE2/ CS /AN7(10): xuất nhập số/ chân chọn lựa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh 7

• Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là chân nguồn của Pic

- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển

- 5 port của PIC16F877A bao gồm :

* Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A

PORTA:

PORTA gồm có 6 chân Các chân của PortA, có thể thực hiện được chức năng

“hai chiều” : xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển

Việc xuất nhập dữ liệu ở PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất cả các PORT của PIC16F877A, ở mỗi thời điểm chỉ thực hiện được một chức năng: Xuất hoặc nhập

Để chuyển từ chức năng này nhập qua chức năng xuất hay ngược lại, ta phải xử lý bằng phần mềm, không như 8051 tự hiểu lúc nào là chức năng nhập, lúc nào là chức năng xuất

Trong kiến trúc phần cứng của PIC16F877A, người ta sử dụng thanh ghi TRISA ở địa chỉ 85H để điều khiển chức năng I/O trên Muốn xác lập các chân nào của PORTA là nhập (input) thì ta “ set bit ’’ tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Ngược lại, muốn chân nào là output thì ta “ clear bit ’’ tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Điều này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lại Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào Analog của bộ ADC: thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital

- Ngõ vào điện thế so sánh

- Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng : thực hiện các nhiệm

vụ đếm xung thông qua Timer0…

- Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)

PORTB:

PORTB có 8 chân Cũng như PORTA, các chân PORTB cũng thực hiện được 2 chức năng: input và output Hai chức năng trên được điều khiển bới thanh ghi TRISB Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong TRISB

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiển được bằng chương trình

PORTC:

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau:

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ v.v…

- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

PORTD:

PORTD có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port)

PORTE:

PORTE có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

2.1.3 Các bộ timer của 16F877A

Bộ vi điều khiển PIC16F877A có 3 bộ Timer đó là: Timer0, Timer1, Timer2

* Bộ Timer 0: Là bộ định thời hoặc bộ đếm có những ưu điểm nổi bật sau:

+ 8 bit cho timer hoặc bộ đếm

+ Có khả năng đọc và viết

+ Có thể dùng đồng hồ bên trong hoặc bên ngoài

+ Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ

+ Có hệ số chia cho xung đầu vào có thể lập trình lại bằng phần mềm

+ Ngắt tràn

* Bộ Timer 1: Bộ Timer1 có thể là bộ đếm hoặc bộ định thời với ưu điểm sau:

+ 16 bít cho bộ đếm hoặc bộ định thời (gồm hai thanh ghi MR1H:TMR1L) + Có khả năng đọc và viết

+ Có thể chọn xung đồng hồ bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài

+ Có thể ngắt khi tràn FFFFh về 0000h

Nó có thể hoạt động ở một trong các chế độ sau:

+ Là 1 bộ định thời 16 bit

+ Là một bộ đếm có đồng bộ

+ Là một bộ đếm không có đồng bộ

* Bộ Timer 2: Bộ Timer2 có những đặc tính sau đây:

+ 8 bít cho bộ định thời ( thanh ghi TMR2 )

Hình 2 5 Sơ đồ kết nối với VĐK

Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý

- Bước 1: gửi tín hiệu Start + MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm + MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào +Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11

+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11 + DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý kết nối của LCD1602 trong mạch điện

LCD1602 được ghép nối với vi điều khiển thông qua PortD (RD0 đến RD7 Không

sử dụng RD3) RD0 nối với chân E, RD1 nối với chân RS, RD2 nối với chân R/W

là chân đọc ghi dữ liệu và chân RD4 đến RD7 là chân dữ liệu vào

Trong đó:

- VSS là chân nối đất

- VEE chân chọn độ tương phản, chân này được chọn qua 1 biến trở 5K một đầu nối VCC, một đầu nối mát

- Chân VDD nối dương nguồn

- Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): có hai thanh ghi trong LCD

+ Nếu RS=0 ở chế độ ghi lệnh như xóa màn hình,bật tắt con trỏ

+ Nếu RS =1 ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị kí tự, chữ số lên màn hình

- Chân đọc/ ghi (R/W): Đầu vào đọc/ ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin LCD khi R/W = 1

- Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt dữ liệu của nó Khi dữ liệu được đến chân dữ liệu thì cần có 1 xung từ mức cao xuống mức thấp ở chân này để LCD chốt dữ liệu , xung này phải có độ rộng tối thiểu 450ns

- Chân D0 – D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

2.4 Rơle đóng ngắt thiết bị

Hình 2 7 Relay 5V và sơ đồ các chân

Khối điều khiển thiết bị điện sử dụng Relay để đóng/ ngắt mạch điện khối công suất này nhận lệnh điều khiển từ VĐK PIC 16F877A ( Sử dụng điện áp thấp đống mở điện áp cao )

2.5 Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu,mạch truyền tín hiệu, mạch tạo dao động vv… Có tác dụng nạp xả điện, ổn định điện áp đầu ra

2.6.Điot

Hình 2 8 Điot

Là các linh kiện điện tử thụ động, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều

mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn

2.7 Điện trở

Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp

Trị số điện trở : cho biết mức độ cản trở dòng điện của điện trở

Đơn vị đo là Ôm (Ω)

Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu , điện trở chính xác thì ký

Hình 2 9 Sơ đồ các chân của DS1307

Các chân của nó được mô tả như sau:

- X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307 Cần dao động thạch anh

32.768Khz

- Vbat là nguồn nuôi cho chip Nguồn này từ 2V-3,5V Đây là nguồn cho chip hoạt động liên tục khi không có nguồn Vcc mà DS 1307 vẫn hoạt động theo thời gian

- Vcc là nguồn cho giao tiếp I2C Điện áp cung cấp là 5V chuẩn và được dung chung với vi xử lý Nếu mà Vcc không có mà Vbat có thì DS1307 vẫn hoạt động bình thường nhưng mà không ghi và đọc dữ liệu

- GND là nguồn mass chung cho cả Vcc và Vbat

- SQW/OUT là một ngõ ra phụ tạo xung dao động (xung vuông) Chân này không ảnh hưởng đến thời gian thực nên không sử dụng chân này trong thời gian thực và bỏ trống chân này

- SCL và SDA là 2 bus dữ liệu của DS 1307

Ghép nối DS1307 với vi điều khiển

Việc ghép nối nó với vi điều khiển khá đơn giản và theo datasheet thì tôi đưa ra sơ

đồ sau:

DS1307 nó chỉ giao tiếp với vi điều khiển với 2 đường truyền SCL và SDA nên do

đó trên vi xử lý cần phải xác định chân nào trên vi xử lý nó có SCL và SDA để nối với DS1307

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY

3.1 Xây dựng bài toán cho hệ thống

Hệ thống tưới cây tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi

Việc tưới cây tự động sẽ làm tăng hiệu quả canh tác như: giảm thời gian lao động, tiết kiệm nước, tăng năng suất cho cây trồng, Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao nhất cần tính toán kĩ về đặc tính cây trồng cũng như điều kiện vùng

Một hệ thống tưới cây tự động bao gồm:

- Nguồn nước cấp cho hệ thống

- Máy bơm nước, các van điện từ

- Hệ thống đường ống chính và phụ

-Các đầu phun tưới (có hoặc không tùy vào phương pháp tưới )

-Bộ điều khiển tự động đóng ngắt máy bơm hoặc các van điện từ

Đề ra phương án cho hệ thống tưới tự động

Phương án để ra quyết định đóng mở hệ thống tưới như sau:

Các phương án lựa chọn trên có thể thay đổi được tùy theo vùng miền, loại cây, mùa và thời tiết

Thiết kế bộ hẹn giờ tự động, đến giờ cài đặt hệ thống hoạt động, bơm được bật lên và tùy thuộc vào khoảng độ ẩm và quyết định đến thời gian đóng bơm

3.2 Thiết kế phần cơ

Các phương pháp tưới có dùng ống đều có cùng nguyên lý tính toán trên cơ

sở môn học cấp thoát nước và thủy lực đường ống Đó là: Xác định diện tích tưới, nguồn nước, nhu cầu nước tưới phù hợp với từng loại cây trồng, diện tích, địa hình vùng tưới.Từ các thông số này, ta sẽ tính toán đường kính ống chính, ống phụ, ống nhánh, vận tốc nước chảy trong ống, áp lực nước trong ống; tính toán chiều dài của các loại ống, các chi tiết nối (co, tê, van, lơi vv ), số lượng các bét phun, bét

đế chân, ống dẫn đến gốc vv và cuối cùng là lập bảng tổng hợp số lượng các loại vật tư, tính toán chí ít mua vật tư, tiền công xây lắp vv

3.2.1 Xác định lần tưới nhu cầu nước/lần tưới và khả năng cung cấp nước

Tùy thuộc mỗi loại cây trồng, ta xác định lần tưới, nhu cầu nước cho mỗi lần tưới Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữa ẩm của đất

Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồn nước.Trong sản xuất, sẽ dựa vào thực tế đất đai, thời tiết để điều chỉnh số lần tưới cho phù hợp

Nhu cầu nước/lần tưới là thông số quan trọng để tính toán, thiết kế hệ thống tưới và tính toán nguồn nước.Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trồng ít hơn nhiều so với lượng nước ta cung cấp, do vậy mà lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới.Thông thường nhu cầu nước tưới cho một cây lâu năm/lần tưới

giao động từ 5-10 lít (tưới nhỏ giọt); 15-20 lít (tưới phun tia) 30 đến 40 lít nước (tưới rãnh, tưới phun mưa)

3.2.2 Phân chia khu tưới

Nếu chỉ tưới cho diện tích nhỏ thì là 1 khu tưới, nhưng nếu diện tích tưới lớn hơn phải phân chia vùng tưới thành nhiều khu tưới Nếu chia khu tưới quá lớn, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất lớn dẫn đến không có hiệu quả kinh tế.Cách tốt nhất là tưới lần lượt từng khu tưới

Khi phân chia khu tưới, phải lên bản vẽ thể hiện rõ hình dáng, diện tích từng khu tưới, kích thước các cạnh của khu tưới, vẽ các hàng cây và chiều dài mỗi hàng cây, từ đây ta sẽ tính được số lượng cây trồng trong mỗi khu tưới, tính ra đường kính, chiều dài của đường ống chính

3.2.3 Tính toán đường ống chính

Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó,

ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọn loại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa tốn tiền, ống nhỏ quá không cung cấp đủ nước cho khu tưới, ống dởm quá sẽ bị xé vỡ gây tốn kém )

Ngoài ra, ta cần tính vị trí lắp đặt đường ống chính và chuyển họa nó lên bản vẽ Thông thường nếu khu tưới có địa hình thấp dần thì ta bố trí đường ống chính đi theo cạnh có cao độ lớn nhất của khu tưới, nhờ đó khi xả nước ra khỏi đường ống chính, nước sẽ có khuynh hướng chảy từ nơi cao đến nơi thấp Như vậy sẽ có lợi về năng lượng

Nếu đất tương đối bằng phẳng hoặc gợn sóng nhô cao ở giữa thì nên bố trí đường ống chạy dọc theo các đỉnh cao xuyên qua vùng đất để chia nước tưới về hai phía