Đồ án Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động

biến SHT10 2 Hình 2. 9. Sơ đồ chân của SHT10 2 Hình 2. 10. Sơ đồ ghép nối MCU với SHT10 2 Hình 2. 11. Sơ đồ chân của Ds1307 2 Hình 2. 12. Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của Ds1307 2 Hình 2. 13. Tổ chức bộ nhớ của các thanh ghi thời gian của Ds1307 2 Hình 2. 14. Khối hiển thị LCD 2 Hình 2. 15. Sơ đồ chân của LM2576 2 Hình 2. 16. Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn 2 Hình 2. 17. Trình tự truyền bit trên đường truyền 2 Hình 2. 18. Tín hiệu Start và Stop 2 Hình 2. 19. Lưu đồ thuật toán 2 Hình 3. 1. Sơ đồ nguyên lí 2 Hình 3. 2. Mạch in 2D 2 Hình 3. 3. Mạch khi được khởi tạo 2 Hình 3. 4. Cài đặt thời gian 2 Hình 3. 5. Cài đặt nhiệt độ, độ ẩm 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt SSP Synchronous Serial Port Cổng giao tiếp đồng bộ SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp I2C Inter- Intergrated Circuit Chuẩn giao tiếp nối tiếp PSP Parallel Slave Port Cổng giao tiếp song song SFG Special Function Register Thanh ghi chức năng đặc biệt của bộ nhớ dữ liệu GPR General Purpose Register Thanh ghi mục đích chung MSSP Master Synchronous Serial Port Khối giao diện đồng bộ nối tiếp RTC Real- Time Clock Đồng hồ thời gian thực SQW/ OUT Square Wave/ Output Driver Ngõ ra tạo xung vuông của Ds1307 LCD Liquid Crystal Display Màn hình hiển thị LCD LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tận tình dạy dỗ trong suốt những năm qua. Trong đó phải kể đến quý thầy cô trong khoa Điện Tử đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn ThS. Xxx đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đề tài. Cung cấp cho em những kiến thức quý báu cũng như những lời khuyên cực kỳ hữu ích. Tạo động lực cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Em xin cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn cho việc thực hiện đề tài này. Để hoàn thành em đã nỗ lực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những lời góp ý chân thành từ thầy cô và các bạn để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quá trình làm việc sau này. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện xxxxxxxxxxxxxxxx MỞ ĐẦU 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 thủ công và không đảm bảo được đúng yêu cầu. Có thể nói trong nông học ngoài những kỹ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây trồng sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tươi 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. 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 và đưa vào thực tiễn ngày càng nhiều. Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun nước, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, dây tưới nhỏ giọt) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây trồng 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 của mình. Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ấm gốc, độ ẩm lả và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường. 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 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 sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn. 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 ở 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 tử 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 hóa nông thôn nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào sử 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 độ chính xác cao. Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên và với những phương pháp 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 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 mô hình hệ thống tưới tự động CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC 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 quy trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người. Hệ thống tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến: - Hệ thống điều hòa không khí. - Hệ thống tự động báo cháy. - Hệ thống điều chỉnh độ ẩm. - Hệ thống tưới nước tự động . . . Trong môi trường sản xuất: - Các máy tự động. - Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động. - Các robot, máy tính . . . 1.2. Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất Tự động hóa đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp sản xuất, gia công cơ khí, dây chuyền lắp ráp tự động, ứng dụng kiểm soát chất lượng Các hệ thống điều khiển thường dùng để vận hành quá trình sản xuất bao gồm servo, PLC, mạch điện tử, G code Các hệ điều khiển này có thể bao gồm việc điều khiển từ đơn giản đến các thuật toán phức tạp, điều khiển những máy móc đơn giản cho đến những hệ thống công nghiệp lớn. Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tự động hóa của một quốc gia, hoặc một lĩnh vực. Trong đó, có thể kể đến những nhân tố quan trọng như: Công nghệ số hóa, trình độ nhân sự, nguồn lực vốn... Để quá trình này được diễn ra thuận lợi, cần hiểu rõ bản chất tự động hóa trong từng lĩnh vực, từng quy trình sản xuất, từ đó ứng dụng tối ưu, giúp tăng năng suất, giảm chi phí. 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 nói chung và 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 không chỉ trên lĩnh vực nông nghiệp. Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào muốn phát triển kinh tế trên Thế giới. 1.4. Các dạng chính của hệ thống tưới tự động Về cơ bản hệ thống tưới nước tự động có 4 dạng chính: - Tưới phun mưa: Đây là hệ thống tưới nước tạo các tia nước bắn ra xung quanh nhờ đầu phun tạo mưa, phun trực tiếp lên bề mặt lá cây. Hệ thống này giúp bà con nông dân tưới cây nhanh hơn, hiệu quả hơn, nâng cao hiệu quả kinh tế. Phương pháp này có tác dụng làm tăng độ ẩm cho đất và làm mát cho cây trồng, tạo điều kiện kích thích cây trồng sinh trưởng và phát triển. Hệ thống này được áp dụng phổ biến nhất do phù hợp với nhiều mô hình canh tác từ hoa màu cho đến cây ăn quả, cây công nghiệp. Nước ra vòi phun, béc phun theo dạng mưa, từng hạt, từng hạt có khả năng văng xa, tùy theo áp lực nước. Ưu điểm: Tưới phun mưa có hiệu quả sử dụng rất cao vì hạn chế cao độ tổn thất nước do bốc hơi vì tia phun ngắn. · Cường độ tưới phun mưa và diện tích làm ướt có thể được điều chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng của cây trồng. Không tạo nên dòng chảy trên mặt đất. không phá vỡ cấu tượng đất do hạt mưa nhỏ. · Cường độ tưới phun mưa và diện tích làm ướt có thể được điều chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng của cây trồng. Cường độ tưới phun mưa và diện tích làm ướt có thể được điều chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng của cây trồng. · Do toàn bộ hệ thống đường ống tưới phun mưa đặt ngầm nên tiết kiệm đất. Thuận tiện việc chăm sóc, canh tác trên đồng ruộng. Mặt khác cũng dễ dàng tự động hóa từng phần hoặc toàn phần hệ thống tưới phun mưa. Cũng như việc cơ khí hoá và tự động hóa phần thiết bị điều khiển. Thiết bị tưới phun mưa được điều khiển toàn bộ hệ thống từ xa theo chương trình lập sẵn. Nên tiết kiệm sức lao động và nâng cao năng suất tưới. · Nâng cao năng suất tưới và năng suất các khâu canh tác nông nghiệp khác. Sử dụng áp lực làm việc loại trung bình và thấp. Đồng thời lưu lượng tưới phun mưa yêu cầu nhỏ nên tiết kiệm năng lượng và nguồn nước. Có tác dụng cải tạo vi khí hậu khu tưới. Hạn chế sâu bệnh, cỏ dại phát triển. Kết hợp được tưới tưới phun mưa với phun thuốc trừ sâu, bón phân hóa học. Rất phù hợp với các cây trồng mềm yếu (vườn hoa, vườn ươm, cây đang ra hoa, thụ phấn). · Thiết bị tưới phun sương cho phép người sử dụng có thể pha thêm một số dung dịch an toàn chống lại sâu bệnh gây hại. Tuy nhiên, nếu phải thường xuyên tiếp xúc với các chất này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì thế, sản phẩm này giúp đảm bảo sức khỏe của người dùng. Bên cạnh đó, với mật độ phun đều, lượng nước và chất phòng ngừa sâu hại không bị tồn đọng quá nhiều gây ngập úng hay dư thừa chất bảo vệ thực vật. Nhược điểm: · Các loại béc tưới phun mưa dễ bị tắc nghẽn (khi nước tưới có nhiều tạp chất), nhất là đối với các vòi phun sương mù (Mist Sdrayer) có các lỗ tưới phun mưa rất nhỏ. · Yêu cầu trình độ nhất định trong thiết kế xây dựng và quản lý hệ thống tưới phun mưa. · Vốn đầu tư cho hệ thống tưới phun mưa ban đầu cao hơn so với các kỹ thuật tưới cổ điển. · Các đường ống tưới phun mưa và thiết bị hay hư hỏng, dễ bị mất mát, phá hoại do con người và côn trùng tại mặt ruộng (điều này rất dễ xảy ra ở Việt Nam). Hình 1. 1. Hệ thống tưới nước phun mưa [2] - Tưới phun sương: Tưới phun sương là một hệ thống tưới nước chịu áp suất của máy bơm tăng áp. Nguồn nước đưa vào được nén với áp suất cao qua những vòi được thiết kế đặc biệt sẽ chuyển hóa thành dạng sương siêu mỏng với kích thước hạt nhỏ, dễ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Tưới phun sương thường được lắp trong các khu vườn ươm giống, các vườn hoa trong nhà kính, trồng rau hữu cơ, rau thủy canh, trồng hoa, tưới cảnh quan Ưu điểm: · Có tác dụng ngăn bụi, điều hòa vi khí hậu, giúp không khí mát mẻ và có thể tận dụng lúc tưới để phun các loại thuốc bổ trợ cho cây trồng. Kích thước hạt nhỏ, mịn nên sẽ an toàn đối với hoa và cây trồng, không gây hại cho cây. · Nhắc đến thiết bị tưới phun sương là phải nhắc đến công dụng đầu tiên của sản phẩm này là chống lãng phí nước. Nếu so với việc tưới thủ công tốn khá nhiều nước, thì thiết bị này giúp người trồng trọt tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý giá và không thể thiếu đối với sự sống của cây trồng. Cường độ tưới có thể điều chỉnh cho thích hợp với từng loại cây trồng, cộng thêm thiết bị có thể tưới trên diện rộng, nên thiết bị này không chỉ chống lãng phí nước mà còn tiết kiệm thời gian tưới cây. · Lợi thế tiếp theo của thiết bị này là giúp cho người trồng trọt đỡ vất vả, đỡ tốn công sức tưới hoặc thuê người tưới. Thay vì mất vài giờ đồng hồ chỉ để tưới cây, trong khi thời gian là tiền bạc, chủ vườn cây có thể dành thời gian đó để làm việc khác, hoặc ngồi ngắm nhìn khu vườn đang sai trĩu quả hoặc đang trổ hoa đẹp mắt. Vừa tiết kiệm nước, vừa tiết kiệm công sức lao động quả là thiết bị đáng phải xem xét để đầu tư. · Thiết bị tưới phun sương cho phép người sử dụng có thể pha thêm một số dung dịch an toàn chống lại sâu bệnh gây hại. Tuy nhiên, nếu phải thường xuyên tiếp xúc với các chất này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì thế, sản phẩm này giúp đảm bảo sức khỏe của người dùng. Bên cạnh đó, với mật độ phun đều, lượng nước và chất phòng ngừa sâu hại không bị tồn đọng quá nhiều gây ngập úng hay dư thừa chất bảo vệ thực vật. · Với sân vườn nhỏ, khách hàng có thể tự lắp ráp hệ thống tưới phun sương tự động theo hướng dẫn ghi trên hộp, hoặc theo hướng dẫn của nhà cung cấp. Đối với diện tích sân vườn lớn hơn, bạn vẫn có thể tự lắp ráp nhưng tốt nhất là nên có sự hỗ trợ kỹ thuật từ phía người bán, vì họ có nhiều kinh nghiệm và họ sẽ giúp bạn có được hệ thống tưới hiệu quả nhất. Tính năng tự động không thể không nhắc đến khi nói về sản phẩm này. Người sử dụng chỉ cần đứng ở đầu nguồn nước để mở vòi, hoặc lắp đặt hệ thống tưới tự động hẹn giờ, lúc này thiết bị sẽ tưới theo đúng thời gian và lượng nước được cài đặt sẵn. · Không gây dòng chảy mặt: Các hạt sương có kích thước nhỏ, di chuyển với vận tốc bé trong không khí. · Độ ẩm đồng đều. Nhược điểm: · Hệ thống này nếu muốn tưới tự động thì bạn cần đầu tư chi phí để mua bộ thiết bị hẹn giờ, cảm biến mưa, các vòi phun và đường ống tốt. Đặc biệt đối với hệ thống lắp đặt ngầm, bạn càng cần có sản phẩm tốt để có thể sử dụng lâu dài mà không tốn công thay thế bộ phận, chi tiết hay phải sửa lại đường ống nếu ống dẫn không tốt. Tuy vốn đầu tư ban đầu lớn, nhưng điều đó không có nghĩa chi phí trung bình cao vì hệ thống thiết bị tưới phun sương có thể sử dụng từ 10 đến 20 năm. Nếu bạn lấy vốn ban đầu chia cho số năm sử dụng, bạn sẽ thấy được thiết bị này vừa tiện lợi, lại vừa tốn ít chi phí trung bình phải bỏ ra. • Thiết bị sử dụng công nghệ hiện đại đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức nhất định về sản phẩm, cũng như cách dùng. Với diện tích đất trồng hay sân vườn lớn, bạn cần có bản thiết kế hoàn chỉnh trước khi bắt tay vào lắp đặt, chưa kể đến bạn cần có thông tin cách sử dụng sao cho hiệu quả nhất. Tuy nhiên, bạn cũng không cần quá lo lắng, vì đa phần các nhà cung cấp thiết bị tưới phun sương uy tín đều có đội ngũ nhân viên kỹ thuật giàu kinh nghiệm. Họ sẽ giúp đỡ bạn từ khâu thiết kế, lắp đặt, đến vận hành hệ thống tưới tự động này. Hình 1. 2. Hệ thống tưới nước phun xương [2] - Tưới nhỏ giọt: Tưới nhỏ giọt là hệ thống tưới nước đưa nước đến từng gốc cây, nước sẽ được tưới trực tiếp lên bề mặt của đất chứ không phải phun trên bề mặt lá. Từ đây hạn chế đến tối đa việc bốc hơi của nước, giúp cây thu đủ chất dinh dưỡng để phát triển. Nước ra từ các đầu vòi theo dạng từng giọt, từng giọt một tưới trực tiếp vào gốc cây thích hợp cho việc tưới không gian lớn cho cây ăn quả, cây lâu năm. Ưu điểm · Đảm bảo cung cấp độ ẩm đồng đều cho đất canh tác, ngoài ra còn điều hòa được các yếu tố như nhiệt độ, chế độ không khí, nước, thức ăn, quang hơp của cây · Tưới nhot giọt giúp tiết kiệm nước một cách tối đa, giảm đến mức thấp nhất sự hao hụt về nước do thấm ra đất hay bốc hơi. · Tránh hiện tượng xói mòn, rửa trôi đất, tập trung muối về 1 nơi khiến đất không đồng đều về dinh dưỡng. · Là bước đệm cho cơ giới hóa, tự động hóa trong nông nghiệp, năng suất lao động tăng lên đáng kể nhưng lại ít tốn nhân công và giảm thời gian lao động chân tay bởi vì thao tác bón phân hay bơm thuốc bảo vệ thực vật dễ dàng kết hợp cùng quá trình tưới. · Tưới nhỏ giọt ít phụ thuộc vào cấu trúc địa hình, không phá vỡ kết cấu của đất, thích hợp với mọi điều kiện địa hình ở nước ta. · Tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành. · Góp phần ngăn chặn cỏ dại, sâu bệnh do chỉ đủ nước cho gốc cây chứ không phung phí ra các vùng xung quanh. · Và đặc biệt, hệ thống tưới nhỏ giọt luôn duy trì độ ẩm ở mức độ tốt nhất, phù hợp với từng loại cây trồng, do đó, tăng năng suất cây và giúp cây đạt chất lượng vượt trội. Nhược điểm: · Dễ bị tắc ngẽn do rong rêu, bùn, chất cặn trong dinh dưỡng hay nguồn nước, do đó nguồn dung dịch đi qua ống tưới cần có bộ lọc trước khi đến cây trồng. · Không thể làm mát cây và tăng khả năng quang hợp của lá nhưng các hệ thống tưới khác. ·Chi phí ban đầu khá cao. · Đòi hỏi người đầu tư phải am hiểu về kỹ thuật tưới nhỏ giọt mới vận hành được. · Nếu quá trình tưới nhỏ giọt bị gián đoạn chất lượng cây trồng sẽ xuống cấp cực kỳ nhanh so với những cách tưới khác. Như vậy, sau khi so sánh những ưu – nhược điểm của hệ thống tưới nhỏ giọt bạn có thể chọn cho mình cách tưới tiêu hợp lý nhất tùy vào loài cây và khả năng tài chính của bạn. Có 2 hệ thống tưới nước nhỏ giọt phổ biến: · Tưới nhỏ giọt dọc luống: Được áp dụng đầu tiên trong nông nghiệp có lẽ là hình thức tưới nhỏ giọt dọc luống. Với khả năng nhân rộng cao, chủ vườn chỉ cần lắp đặt một đường ống nước và đặt dọc theo các luống cây. Mỗi gốc cây sẽ lắp thêm một béc để dòng nước chảy nhỏ giọt ra từ từ. · Tưới nhỏ giọt quanh gốc: Từ phương pháp tưới nhỏ giọt dọc luống cũ, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cải tạo thành tưới nhỏ giọt quấn quanh gốc. Phương pháp này phù hợp để sử dụng cho những loại cây trồng có nhu cầu cao về lượng nước, nhưng việc áp dụng các biện pháp tưới phun sương lại không phù hợp. Hình 1. 3. Hệ thống tưới nước nhỏ giọt [2] - Tưới cảnh quan, tưới cỏ: Hệ thống tưới tự động được hiểu đơn giản là có thể hoạt động mà không cần sự tác động của con người. Mọi hệ thống tưới nhỏ giọt, phun mưa, tưới cảnh quan, sân vườn đều có thế áp dụng tưới tự động thống tưới tự động thông qua các thiết bị điện tử như bộ hẹn giờ và các thiết bị cơ khí khác. . . Việc áp dụng hệ thống tưới tự động có thể làm tăng chi phí ban đầu nhưng về lâu dài các năm sau chi phí để chăm sóc cây trồng sẽ giảm thiểu tối đa do giảm thiểu về nhân công lao động, tiền điện, tiền nước. Ưu điểm · So với việc tưới cây thủ công thì hệ thống tưới cảnh quan tự động giúp tiết kiệm được 60% lượng nước. Chính điều này đã giúp giảm chi phí tiền nước hàng tháng của mỗi gia đình, mỗi công ty. Đồng thời cũng giúp giảm được sức lực chăm sóc của con người. Không chỉ vậy, đặc điểm của hệ thống này đó là được lắp đặt cố định nên nó sẽ giúp đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho các thiết bị tưới tiêu. · Bên cạnh đó, hệ thống tưới cảnh quan còn giúp bạn tiết kiệm được nhiều thời gian chăm sóc cây, từ đó có thêm thời gian để tập trung vào những việc khác trong cuộc sống. Khu vườn của bạn sẽ trở nên tươi mới, sống động hơn nếu được lắp đặt hệ thống tưới cảnh quan tự động. Từ đó công trình sân vườn do bạn tâm huyết chăm sóc sẽ trở nên ấn tượng và thu hút hơn rất nhiều. Điều này cũng giúp con người thư thái và thoải mái hơn khi ngắm những loại cây cảnh ưa thích. Vì hệ thống này có bộ cảm biến và tắt tự động vì vậy nó giảm lượng bụi bẩn, ô nhiễm vào nguồn nước từ các dòng chảy, giúp bảo vệ môi trường trong lành hơn. Nhược điểm: · Nhược điểm của hệ thống tưới cảnh quan tự động là chi phí đầu tư ban đầu khá cao so. · Để vận hành hệ thống hoạt động tốt và hiệu quả thì cần người có kỹ thuật chuyên môn, am hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống tưới tự động Hình 1. 4. Hệ thống tưới nước cảnh quan, cây cỏ [2] 1.5. 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. 1.6. 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 rường 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. 1.7. Quy trình công nghệ - Cảm biến đo độ ẩm, nhiệt độ truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để tưới nước một cách tự động (khô thì tưới, thừa nước thì ngừng luôn duy trì độ ẩm ở mức ổn định để cây phát triển nhanh). Có thể điều khiển tưới thước bằng tay khi cần thiết. - Cảm biến đo mức nước truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để xác định xem có cần bơm nước vào bình hay không (cạn thì bơm, đầy thi tự ngắt). Có thể điều khiển máy bơm bằng tay khi cần thiết. - Cảm biến đo áp nước trên đường ống từ máy bơm lên bể nước truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để xem áp suất nước có quả tải đường ống không. - Khi nước được tưới ở đâu thì sẽ có đèn báo hiệu ở vị trí đó. 1.8. Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng trong thực tiễn. Tuy nhiên, do giá thành quá cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các thiết bị đó. Vì vậy, em 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 1.9. Kết luận chương 1 Qua những thông tin về nền nông nghiệp, công nghiệp của Việt Nam và của các nước phát triển trên thế giới nên trên. Chúng ta thấy rằng không áp dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là một thiếu sót rất lớn đối với một đất nước chủ yếu về nông nghiệp. Tuy nhiên để áp dụng công nghệ hiện đại như ở Israel hay Nhật Bản vào nền nông nghiệp nước ta ngay lúc này là điều rất khó khăn vì những hệ thống đó đòi hỏi phải đầu tư rất cao với những người nông dân ở Việt Nam. Từ thực tế đó chúng em thấy rằng mình hoàn toàn có thể học hỏi và thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản trong nông nghiệp với giá thành rẻ hơn nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu của một hệ thống thông minh. Qua quá trình khảo sát tại một số khu vườn và thực tế trồng trọt tại gia đình, để tài của em làm là “Thiết kế hệ thống tưới nước tự động sử dụng vi điều khiển PIC 18F4520". Đây là một đề tài có tính ứng dụng rất thực tế. Nội dung thiết kế chi tiết sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo. CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG 2.1 Xây dựng sơ đồ khối Theo những gì đã trình bày ở trên và khảo sát thực tế. Em đưa ra sơ đồ khối của hệ thống như sau Hình 2. 1. Sơ đồ khối của hệ thống tưới nước tự động Trong sơ đồ khối trên gồm các khối: Khối điều khiển trung tâm PIC18F4520: Điều khiển toàn bộ chức năng của mạch, nhận dữ liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm. Đưa hiển thị lên LCD sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật/ tắt máy bơm. Khối cảm biến: SHT10 và module thời gian thực Ds1307. Xác định giá trị nhiệt độ, độ ẩm và thời gian. Khối hiển thị LCD: Là LCD 2 dòng 16 kí tự để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trong môi trường, thời gian. Khối nguồn LM2576: Là khối cơ bản nhất, tạo ra điện áp ổn định, cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ linh kiện trong mạch. Khối dao động thạch anh: Cung cấp xung cho vi điều khiển PIC 18F4520 hoạt động. 2.2 Chức năng của từng khối 2.2.1. Khối vi điều khiển PIC 18F4520 Hình 2. 2. Sơ đồ chân của PIC 18F4520 [3] Các chức năng: Chân 1->7: Port A (RA) là các port I/O. Chân 33->40: Port B (RB) là các port I/O. Chân 15->18: và chân 23->26: Port C (RC) là các chân I/O. Chân 19->22 và chân 27->30: Port D (RD) là các chân I/O. Chân 12 và 31: Nối mass Chân 11 và 32: Nối nguồn 2.2.1.1. Một vài thông số về PIC 18F4520 Bộ vi điều khiển ghi tắt là Micro- controller là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lí thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Trong các thiết bị điện và điện tử các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, điện thoạiTrong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển sử dụng trong robot, các hệ thống đo lường giám sát, các hệ thống càng thông minh, hiện đại thì vai trò của vi điều khiển càng ngày càng quan trọng. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như: 6811 của Motorola, 8051 của Intel, Z8 của Zilog, PIC của Microchip Technology Trong đề tài này nghiên cứu về PIC 18f4520 vì nó có nhiều ưu điểm hơn các loại vi điều khiển khác như: ADC 10 bit, PWM 10 bit, EEPROM 256 Byte, Comparaterngoài ra nó còn được các trường đại học trên thế giới, đặc biệt là các nước Châu Âu hầu hết xem PIC là một môn học trong bộ môn vi điều khiển. Nói vậy các bạn cũng thấy sự phổ biến rộng rãi của nó. Ngoài ra PIC còn được rất nhiều nhà sản xuất phần mềm tạo ra các ngôn ngữ hõ trợ cho việc lập trình ngoài ngôn ngữ Assembly như: MPLAB, CCSC, HTPIC Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: CPU tốc độ cao có 75 cấu trúc lệnh, nếu được cho phép có thể kéo dài đến 83 cấu trúc lệnh. Hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất một chù kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh chương trình mất hai chu kì máy. Tốc độ làm việc: Xung clock đến 40MHz, tốc độ thực thi lệnh 125ns. Bộ nhớ chương trình (Flash Program Memory) là 32 Kbyte. Bộ nhớ dữ liệu SRAM là 1536 byte. Bộ nhớ dữ liệu EEFROM là 256 byte. 5 port vào/ ra (PORTA, PORTB, PORT C, PORT D, PORT E). 4 bộ Timer (Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3). 1 capture/ compare/ PWM modules. 1 enhanced capture/ compare/ PWM modules. Các chuẩn giao tiếp nối SSP (Synchronous Serial Port), SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter- Intergrated Circuit). Chuẩn giao tiếp USART nối với 9 bit địa chỉ. Cổng giao tiếp song song PSP (Parrallel Slave Port). 13 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác nhau của vi điều khiển như: Bộ nhớ Flash với khả năng ghi xóa 100.000 lần. Bộ nhớ EEFROM với khả năng ghi xóa 1.000.000 lần. Flash/ dữ liệu bộ nhớ EEFROM có thể lưu trữ hàng trăm năm. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần phềm. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. 2.2.1.2. Tổ chức bộ nhớ Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC18F4520 gồm có bộ nhớ chương trình (program memory), bộ nhớ dữ liệu RAM (Data RAM) và bộ nhớ dữ liệu EEPROM (Data EERPROM). Bộ nhớ chương trình: Dòng vi điều khiển Pic18xxxx là thiết bị với 21 bit bộ đếm chương trình PC (Program counter) có thể quản lý 2Mbyte bộ nhớ chương trình. Với Pic18F4520 có 32Kbytes bộ nhớ Flash có thể lưu trữ lên tới 16,384 câu lệnh đơn, dòng Pic này có hai vector ngắt: Reset vector có địa chỉ 0000H và Interrupt vector ở địa chỉ 0008H và 0018H. Hình 2. 3. Tổ chức bộ nhớ chương trình [3] Bộ nhớ dữ liệu Pic18Fxxxx là họ Statis Ram mỗi thanh ghi bộ nhớ dữ liệu có 12 bit địa chỉ, cho phép truy nhập tới 4096 bytes dữ liệu bộ nhớ. Không gian bộ nhớ chia làm 16 bank gồm 256 byte mỗi bank Pic18F4520 như sơ đồ phía sau. Bộ nhớ dữ liệu bao gồm: thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR), thanh ghi mục đích chung (GPR). Thanh ghi SFR dùng để đ