i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY
š & ›
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ,
CHẾ TẠO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Sinh viên thực hiện : Hoàng Thiện Phúc
Lớp : Cơ điện tử K51
Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Lăng Vân

HÀ NỘI 05 - 2014
ii LỜI NÓI ĐẦU

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
iv

3.2.2. Phân chia khu tưới 27


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

1

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

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.
3

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


5

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

động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia, vùng
lãnh thổ nào.
7

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.
8


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. . .
10

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

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.

12 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 :
- PIC16F877A có tất cả 40 chân
Chức năng các chân VĐK:
• Chân OSC1/CLK1(13): Ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ
vào nhận xung clock từ bên ngoài.
• Chân OSC2/CLK0(14): Ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ cấp xung
clock.
• Chân
MCLR
/Vpp(1) Có 2 chức năng:

MCLR
: Ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.
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:

• 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.
14

• 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 :
+ PORTB : 8 chân
+ PORTD : 8 chân
+ PORTC : 8 chân
+ PORTA : 6 chân
+ PORT E : 3 chân


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). 17

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.

thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt
độ và độ ẩm.

Hình 2. 4.Cảm biến DHT11

- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình. Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.
19
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
thực hiện theo 2 bước:
- 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
giao tiếp của MCU với DHT.
- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11
+ DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte
20

+ Đọc dữ liệu: