Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự động vườn cây trong nhà kính

LỜI NÓI DẦU Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như ngày nay, các thiết bị điện tử, tựđộng hóa đóng một vai trò rất quan trọng, Ngay cả trong lĩnh vực nông nghiêp,tự độnghóa cũ

LỜI NÓI DẦU

Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như ngày nay, các thiết bị điện tử, tựđộng hóa đóng một vai trò rất quan trọng, Ngay cả trong lĩnh vực nông nghiêp,tự độnghóa cũng đã được ứng dụng một cách sâu rộng.Trong nội dung đồ án này tích hợp mức 2này,chúng em muốn nghiên cứu việc ứng dụng của tự động hóa trong trồng cây trong nhàkính.Áp dụng những kiến thức đạt được trong quá trình học môn Vi Điều Khiển, chúng

em quyết định chọn đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Điều Hòa Nhiệt Độ Và Tưới

Cây Tự Động Vườn Cây Trong Nhà Kính

Sau một thời gian thực hiện đồ án chuyên ngành nhóm sinh viên đã được mở rộng vàhiểu biết thêm về các thiết bị chế tạo, cũng như phát hiện ra nhiều thiếu sót của bản thân.Ngoài ra, nó còn giúp nhóm sinh viên tìm hiểu thêm một số ứng dụng thực tế của nhiềuthiết bị, linh kiện trong thực tiễn và làm cho kiến thức chúng em ngày càng được nângcao

Qua đó, nhóm sinh viên xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Trung Thành đã nhiệt tình

giúp đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt nội dung của đồ án

đồ mạch, chương trình demo, các module chương trình

Phần 3 : Kết luận.Đánh giá kết quả thu được, ưu điểm nhược điểm và hướng phát triển đềtài

Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên còn xảy ra nhiều sai sót Chúng

em rất mong thầy và các bạn góp ý bổ sung để bản đồ án của chúng em được hoàn thiệnhơn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

là cây trong nhà kính là rất có ích nhằm tiết kiệm và đơn giản việc chăm sóc cây trồngđi.Từ ý tưởng đó cùng với những nhu cầu từ thực tiễn nhóm đồ án chúng em đã quyếtđịnh chọn đề tài:

“ Thiết kế chế tạo hệ thống điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự động vườn cây trongnhà kính “

Nội dung đề tài như sau :

1.Phần thuyết minh

- Tìm kiểu về nhu cầu tưới nước và nhiệt độ thích hợp của một số loại cây trồng

- Nghiên cứu tổng quan về cách tưới và điều hòa nhiệt độ

- Giới thiệu các linh kiện cần dùng trong mạch

2 Phần thực hành

- Thiết kế,chế tạo sơ đồ nguyên lý mạch

- Tiến hành lắp ráp linh kiện và hàn mạch

- Thiết kế mô hình nhà kính trồng cây

1.2 Mục tiêu nghiên cứu.

- Thiết kế, chế tạo mạch điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự động vườn cây trong nhà kính

- Nắm vững kiến thức về bộ môn vi điều khiển,vi xử lý.

- Có khả năng lập trình với độ chính xác cao, ứng dụng được trong thực tế

- Hoàn thành mô hình sản phẩm thực tế

1.3 Phương tiện nghiên cứu.

- Giáo trình liên quan đến đề tài, nguồn internet, máy vi tính

- Các linh kiện điện tử để thi công mạch điện: Bộ xử lý trung tâm (Vi điều khiển Pic16F877A), động cơ 1 chiều,LCD

- Các phần mềm hỗ trợ như : eagle 5.x, Visual Basic 6.0, Proteus 7.x, driver USB toCOM

1.4 Đối tượng nghiên cứu :

- Các tài liệu liên quan đên công việc trồng cây trong nhà kính

- Thiết kế tính toán lựa chọn phương pháp tưới cây tự động và điều hòa nhiệt độ vườncây trong nhà kính

PHẦN II : CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự

động vườn cây trong nhà kính

1.1 Cơ bản về hệ thống tự động

1.1.1 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 khiểncác quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp củacon người

- Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tácđộng 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

1.1.2.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 muônvàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mấu chốt quyết định năng suất, chất lượng, giáthành sản phẩm Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại nhữnghiệu quả không nhỏ cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, cải thiệnđiều 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 thểthiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sốngcon 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 ngườinhững công nghệ này sẽ được ứng dụng phục vụ nhu cầu sống Nó sẽ là phương tiệnkhông thể thiếu trong đời sống chúng ta

1.1.3 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu và ổn định nhiệt độ cho vườn cây trong nhà kính.

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

- Trong sản xuất nông nghiệp nói chung và trồng cây trong nhà kính nói riêng việc ứngdụng tự động hóa trong sản xuất sẽ giúp giảm bớt các công việc cơ bắp nặng nhọc nângcao năng suất lao động và tăng hiệu quả chất lượng của sản phẩm

- Trong đề tài này, tự động hóa được úng dụng trong tưới nước cho cây và điều hòa nhiệt

độ cho cây để cây có điều kiện phát triển phù hợp nhất trong nhà kính và không phụthuộc nhiều vào yếu tố bên ngoài

1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình sinh trưởng của thực vật

- Nhỉệt độ là yêu tố ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng của cây Cây có thể sinh trưởngtrong một khoảng nhiệt độ khá rộng, vì vậy các loại cây trồng khác nhau tồn tại nhữngđiểm nhiệt độ tối thấp và tối cao cũng khác nhau.Trong giới hạn nhiệt độ sinh trưởng củacây thì có nhiệt độ tối thích cho sự sinh trưởng, ở nhiệt độ đó sự sinh trưởng của cây xảy

ra thuận lợi nhất, trên dưới nhiệt độ tối thích thì tốc độ sinh trưởng sẽ giảm Nhiệt độ tốithấp và nhiệt độ tối cao cho sự sinh trưởng của cây đó là điểm nhiệt độ mà ở đó câyngừng sinh trưởng Giới hạn nhiệt độ sinh trưởng thay đối theo sự thích nghi của câytrông ở những vùng sinh thái khác nhau Nhiệt độ tối thấp và tối cao của cây vùng nhiệtđới cao hơn cây vùng ôn đới và hàn đới Ở vùng nhiệt đới nhiều cây ngừng sinh trưởng ởnhiệt độ 100 ͦ C, trong khi đó ở vùng hàn đới rất nhiều loại cây có khả năng sinh trưởngtrong băng tuyết với nhiệt độ - 500 ͦ C Biết được yêu cầu nhiệt độ sinh trưởng của từngloại cây trồng có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định thời vụ gieo trồng thích hợp, chuyểnvùng và nhập nội giống

Bảng 2.1 Giới hạn nhiệt đô thích hơp của một số loại cây

- Sinh trưởng của các cơ quan khác nhau của cây cũng nằm trong khoảng nhiệt độ khácnhau Những cơ quan ở trên mặt đất thích nghi với nhiệt độ không khí cao hơn so vớinhững cơ quan ở dưới mặt đất,vì vậy ở nhiệt độ cao sự sinh trưởng của rễ kém hơn thân

và cành.Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm có ảnh hưởng rất lớn đến sựsinh trưởng của cây.Ban ngày nhiệt độ cao thuận lợi cho cây quang hợp và tích lũy chấthữu cơ, ban đêm nhiệt độ hạ thấp sẽ hạn chế hô hấp và tiêu phí chất hữu cơ, giảm sựthoát hơi nước nên sinh trưởng nhanh hơn Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm tạo

điều kiện thuận lợi cho sự tích lũy tinh bột trong các cơ quan sinh sản và dự trữ như củkhoai lang, khoai tây, củ sắn, hạt hòa thảo , do đó làm tăng năng suất mùa màng Sựchênh lệch nhiệt độ ngày đêm phụ thuộc vào vùng địa lý, biên độ nhiệt độ ngày đêm lớnnhất ở vùng cận nhiệt đới và giảm dần về hai cực của quả đất Trong một năm thì mùaxuân và mùa thu có biên độ nhiệt độ lớn hơn các mùa khác, vì vậy sự sinh trưởng của câytrồng trong hai mùa này khá thuận lợi cho sự tích lũy chất khô, lại cũng phù hợp với haimùa chính cho cây trồng ở nước ta.

- Tổn thương của cây do lạnh : khi nhiệt độ thấp cây sẽ có triệu chứng vàng da hay rụng

lá, nhiệt độ thấp làm giảm khả năng sinh trưởng của cây, giảm quang hợp

- Tổn thương của cây do nóng, khi cây trồng tiếp xúc với nhiệt độ cao cây thường có lớp

vỏ dày, thân lùn màu lá đậm, tầng bầu phát triển để cách nhiệt Lá nhỏ và dày do tạothành lớp cutin hạn chế sự bốc hơi.Nếu nhiệt độ quá cao sẽ gây hiện tượng cháy rụp lá

* Biện pháp khắc phục

- Cây trồng bị nóng ta có thể dùng lưới che bớt ánh sáng chiếu trực tiếp vào cây

- Làm thông thoáng hệ thống đối lưu trong nhà trồng

- Nếu cây bị lạnh thì nên có hệ thống lò sưởi hoặc trồng chỗ kín

1.3 Vai trò của việc tưới nước tới quá trình sinh trưởng của thực vật

1.3.1 Vai trò của tưới nước

Đất, nước, cây trồng và khí hậu là 4 yếu tố quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp,

trong đó yếu tố quan trọng hàng đầu là nước Nước là tác nhân chuyển hoá các quá trìnhhỉnh thành, phát triển đất, quá trình hình thành phát triển môi sinh Nước, chất dinhdưỡng, ánh sáng, nhiệt độ và không khí, cố liên quan chặt chẽ với nhau nhưng khôngthay thế được cho nhau Tuy nhiên chế độ nước có ảnh hưởng rõ rệt đến chế độ nhiệt,không khí và dinh dưỡng trong đất

Trong thiên nhiên nước phân bố không đều cả về không gian và thời gian Vĩ vậy điềutiết chế độ nước trong đất phù hợp với nhu cầu của cây trồng là một biện pháp kỹ thuậtquan trọng để tăng vụ, tăng năng suất cây trồng, nâng cao độ phì nhiêu và cải tạo chấtđất

Tác dụng của tưới nước được thể hiện trên 2 mặt:

- Bổ sung thêm lượng nước và lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng mà đấtkhông cung cấp.

- Ảnh hưởng đến các quá trình biến đổi lý hoá, hoạt động của vỉ sinh vật trong đât và điềukiện khỉ hậu trên đồng ruộng

1.3.2 Xác định lượng nước cần tưới của cây trồng

Lượng nước cần của cây trồng (còn gọi là lượng bốc hơi mặt ruộng) phụ thuộc vào nhiềuyếu tố Tuy nhiên nguyên lý chung là mổi quan hệ giữa lượng bốc hơi mật ruộng với cácyếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến nó như điêu kiện khí hậu, cây trồng

Các phương pháp xác định lượng bổc hơi mặt ruộng:

1) Phương pháp quan trác trực tiếp (phương pháp thực nghiệm) bằng các thiết bị chuyêndùng ít được sử dụng trong sản xuất vì thời gian thực hiện dài và tốn kém thiết bị, côngsuất

2) Phương pháp lý luận, bán kinh nghiệm

Dựa trên các sổ liệu đo đạc trực tiếp lượng bốc hơi mặt ruộng rồi kết hợp vói phần tích lýluận để tìm ra công thức kinh nghiệm thể hiện định lượng mối quan hệ giữa E, các yếu tốkhí hậu (nhiệt độ, gió, độ ẩm không khí, độ chiếu sáng ) và cây trồng (giống, loại cây,

và giai đoạn phát triển của cây trồng )

Phương pháp này được áp dụng phổ biến vỉ đơn giản, tiện lợi, ít tốn kém, kết quả tươngđối chính xác

3) Công thức xác định lượng bốc hơi mặt ruộng thông dụng

Công thức bán kinh nghiệm này đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước và ở Việt Nam

ta đạt độ chinh xác tương đối cao và cao, gần sát và sát với thực tế

E = KcYTrong đó: E - lượng bốc hơi mật ruộng;

Kc - hệ số nước cần để tạo nên một đơn vị sản phẩm;

Y - năng suất phấn đấu

Ưu điềm: công thức thể hiện được quan hệ lượng nước cần với năng suất cây trồng, quan

hệ chặt chẽ với điều kiện khí hậu trong cùng một điều kiện nhất định, nhưng dưới dạng

ẩn Tài liệu thí nghiệm và thực nghiệm phong phú đáng tin cậy có thể sử dụng tính toáncho những điều kiện tương tự

Nhược điểm: Việc xác định chính xác Kc là khó khăn, chỉ sử dụng được trong điều kiệnkhí hậu tương đối ổn định Thường gặp sai số lớn so với thực tế nếu điều kiện khỉ hậubiến động không chính xác

- Giá trị hệ số cây trồng K c được Tổ chức FAO của Liên hợp quốc nêu ra:

Thòi kỳ Đầu vụ Phát triển Giữa vụ Cuối vụ Thu hoạch

- Thời kỳ cần tưới của một số cây trồng

Cây trồng Thài kỳ cần tưới Cây

trồng

Thòi kỳ cần tưới

Đậu tương

Khi gieo hạt, khi ra hoa kết quả,

khi hạt đậu đã đẫy

Đậuvàng

Khi gieo trồng và bắt đầu tạo

Gieo trồng, ra hoa kết quả tạothành tròn củ , ngừng Tướitrước thu hoạch 10+15 ngày

Cà chua Khi gieo trồng, ra hoa kết quả,

quả chín, kết hộp bẩm lá tỉa cành

vối tưối nưóc

Cây ngô Thòi kỳ gieo trồng, nảy mầm,

thòi kỳ 7-9 lá đến 14-16 lá cầntưới dộ ẩm cao hdn

Lúa mì Giai doạn đầu gieo trồng, thòi kỳ

cây cao, trước thụ phấn,

Càl bắp Trước gieo trồng, tưói khi bắp

cuộn trở đi, ngùng tuới trướcthu hoạch 1 tuần, nêntướitrước các đợt rét hay khô

hanh

Chương 2 Các phần tử của mạch điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự động vườn cây trong nhà kính

2.1 Vi điều khiển Pic 16F877A.

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

Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC 16F877A

2.1.2 Khái quát và chức năng của các port trong PIC16F877A

* PORTA

PORTA gồm có 6 chân Các chân của PortA, ta lập trình để có thể thực hiện được chứcnăng “hai chiều” : xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vivào vi điều khiển

Việc xuất nhập dữ liệu ở PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất cả các PORT củaPIC16F877A, ở mỗi thời điểm chỉ thực hiện được một chức năng :xuất hoặc nhập Đểchuyển từ chức năng này nhập qua chức năng xuất hay ngược lại, ta phải xử lý bằng phầnmềm, 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 chỉ85H 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 chânnào là output thì ta clear bit tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Điều này hoàntoàn 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

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

* PORTC

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điềukhiển 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 dụngtrong 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 củaPORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp songsong PSP (Parallel SlavePort)

* PORTE

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

2.1.3 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A.

Cấu trúc phần cứng của PIC16F877A

PIC là tên viết tắt của “ Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrumentđặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ Hãng Microchip tiếp tục phát triển sảnphầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau

PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cảcác ứng dụng thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thểhọc tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình

Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau :

- 8K Flash Rom

- 368 bytes Ram

- 256 bytes Rom