Thiết kế, chế tạo 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.. Việc tính toán để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng

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

hệ thống tưới cây tự động, chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học

ở trường, trong thực tế Cùng với sự giúp đỡ của cô Nguyễn Phương Thảo 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

Chúng Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Phương Thảo đã tận tình chỉ

bảo và giúp đỡ em hoàn thành đồ án Do kiến thức còn hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không tránh khỏi những sai xót kính mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ chỉ dẫn, bỏ qua và giúp đỡ Chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để nội dung đề tài này ngày càng hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

khiển 12

Hình 2 1 Sơ đồ khối của mạch 15

Hình 2 2.Sơ đồ chân của PIC 16F877A .19

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý các cổng của PIC 16F877A 19

Hình 2 4.Cảm biến độ ẩm đất 26

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý kết nối của LCD1602 trong mạch điện 28

Hình 2 6 Relay 5V và sơ đồ các chân 29

Hình 2 7 Sơ đồ các chân của DS1307 30

Hình 2 8 Sơ đồ kết nối DS1307với VĐK 31

Hình 2.9 Cấu tạo của Transistor 31

Hình 3 1 Giao diện của phần mềm lập trình 38

Hình 3 2 PG2C mạch nạp PIC qua cổng COM 39

Hình 3 3 Giao diện phần mềm nạp pickit2 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, đểđảm 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 tựđộng 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 độẩm gốc, độẩm 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 tựđộng 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 tựđộng tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm… Tất cả các điều kiện đó sẽđược 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 sẽđược 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 chúng

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 tựđộng: 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 độẩm

- 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 Thực trạng vấn đề tưới cây vụ đông tại Việt Nam

Nước là một yếu tố không thể thiếu trong đời sống của mỗi loại cây trồng Tùy từng giai đoạn phát triển khác nhau mà nhu cầu cây trồng cần nhiều hay ít nước Độ ẩm đồng ruộng mà cây rau màu luôn cần ở mức từ 75 - 80% Do đó để rau màu phát triển được thuận lợi nông dân cần chú ý dưỡng ẩm cho cây liên tục nhất là thời kỳ phát triển thân lá, ra hoa đậu quả và nuôi quả

Hiện nay ở Việt Nam, người nông dân canh tác cây trồng chủ yếu theo phương pháp thủ công Việc cung cấp nước cho cây chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, vì vậy mà hiệu quả đem lại không cao.

Nguyên nhân áp dụng tưới tiết kiệm còn hạn chế chủ yếu là do chi phí đầu

tư, nhất là đầu tư ban đầu, đối với công nghệ tưới tiên tiến, tiết kiệm nước còn cao so với thu nhập của người dân và đòi hỏi có một kiến thức, trình

độ nhất định khi sử dụng

1.7 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, chúng em

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

1.8 Nghiên cứu nhu cầu nước tưới của cây lạc

Các giai đoạn sinh trưởng và nhu cầu độ ẩm của cây lạc vào vụ đông :

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ HÌNH

Thiết kế mạch điều khiển có chức năng thực hiện điều khiển đóng ngắt thiết bị điện tự động thông qua cảm biến đo độ ẩm đất

Hệ thống được thiết kế gồm 5 khối:

• Khối thu gồm cảm biến đo độ ẩm đất

• Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 16F877A

• Khối hiển thị sử dụng LCD

• Khối điều khiển thiết bị sử dụng Relay 12VDC để đóng/ cắt thiết bị

• Khối thời gian thực

2.1.Sơ đồ khối của mạch

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch

Khối thu sử dụng cảm biến độ ẩm đất

Khối chấp

hành

Khối xử lý trung tâm

Khối hiển thịKhối thời

gian thực