BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
---oOo---
BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
CẤP BỘ NĂM 2005-2006
Tên đề tài: Hệ điều khiển tự động
phục vụ trong nông nghiệp
Mã số: 2005-29-35 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hữu Lộc
Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Vấn đề này đã được nông dân Đà lạt quan tâm trong thời gian gần đây.
Hiện nay “nhà kính” làm bằng vật liệu polyme đang được đưa vào sử dụng song
các hệ thống điện tử tự động đáp ứng các yêu cầu cần thiết chưa được triển khai do
nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan. Bộ môn Điện tử Khoa Vật lý đã triển
khai một đề tài nghiên cứu thiết kế một hệ điều khiển tự động phục vụ trong nhà
kính.
-2-
Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Trong báo cáo này, tôi xin trình bày hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông
nghiệp mà cụ thể là thiết kế một hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính theo 4
phần sau:
Phần 1: Tổng quan về nhà kính và hệ điều khiển tự động
Phần 2: Sơ lược về những linh kiện đã chọn để tạo hệ điều khiển tự động
Phần 3: Thực hiện hệ điều khiển tự động
Phần 4: Xây dựng phần mềm -3-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ NHÀ KÍNH
VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
I) ĐẶT VẤN ĐỀ:
loại cây trồng nào ở bất cứ thời điểm nào và bằng cách riêng nào đó. Khi sử
dụng nhà kính người ta có thể điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và
lượng thông gió là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình sinh
trưởng của cây trồng.
Nhà kính thường được cấu tạo bằng các hợp chất trong suốt cho phép
ánh sáng chiếu đến vùng đất trồng trọt, nhờ đó người ta có thể khống chế độ
sáng đến cây trồng nhờ điều khiển bộ phận che chắn trong những ngày có
nắng to. Ngược lại, người ta cũng có thể tạo sáng theo yêu cầu nhờ dàn đèn
-3-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
trong những thời điểm thiếu sáng. Như vậy bất kể ngày đêm, ngày nắng
cũng như ngày mưa người nông dân đều có được độ sáng thích hợp cho loại
cây đang trồng (xem hình 1.1)
Hình 1.1: Mô hình một nhà kính
2.
Phân loại nhà kính:
Có rất nhiều cách phân loại nhà kính, tuy nhiên đa số người ta chọn
phân loại nhà kính theo nhiệt độ và cách sử dụng.
Có thể phân chia thành 3 loại nhà kính sử dụng cơ bản dựa vào nhiệt
độ cần thiết cho cây trồng phát triển. Đó là các nhà kính mát (
the cool
greenhouse),
nhà kính ấm (
the warm greenhouse
những tháng mùa nắng nóng (hoặc mùa hè)
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng:
Nhiệt độ: là một nhân tố giữ vai trò quyết đònh các hoạt động
sinh lý như: quang hợp, hô hấp, thoát hơi nước v.v…Nhiệt độ là
nhân tố hoạt động quan trọng kích thích hạt giống nảy mầm.
Độ ẩm: ảnh hưởng trực tiếp đến nảy mầm hạt giống, sinh
trưởng và chất lượng cây tái sinh.v.v… Nếu độ ẩm cao cũng có
thể gây ra nấm mốc, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng (úng
thối, héo lá...)
Ánh sáng: tác động đến khả năng quang hợp và sự sinh trưởng
của cây trồng.
Hình 1.2: Quang hợp trong nhà kính
Thông gió: Các cửa sổ hoặc thông gió giúp đẩy hơi nóng ra
ngoài nhờ các quạt hoặc tận dụng hướng gió. Ngay cả khi
không được mát, không khí lưu thông trong nhà kính vẫn khiến
cho cây trồng tươi hơn và có khả năng sinh trưởng tốt hơn. Nếu
không khí không được lưu thông thì cây trồng cũng có thể bò
cháy hoặc héo do nắng nóng. Độ ẩm cũng thay đổi do thông
gió .
-5-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Đôi khi nhiệt độ ở trên mái nhà kính sẽ lớn hơn nhiều nhiệt độ
trên giàn giá, tại đây nhiệt độ thường điều hoà hơn. Do vậy
thường người ta dùng hai cảm biến đo nhiệt độ: một đặt gần
mái nhà và một đặt tại giàn giá.
-6-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Độ ẩm: Hoạt tính của động thực vật bao giờ cũng phụ thuộc
vào hàm lượng nước hay hơi nước trong không khí rất lớn, thay
đổi nhiều khi cho thu nhận hay cho thoát bớt hơi nước. Hàm
lượng hơi nước này được gọi là độ ẩm, có diễn biến rất lớn
trong thiên nhiên.
Độ ẩm cao của không khí có thể có hậu quả nghiêm trọng đối
với các quá trình lý hoá và sinh lý. Trong đời sống, độ ẩm
tương đối cần phải duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chòu cho
con người thay đổi trong khoảng tương đối rộng: từ 35% đến
70%. Nếu độ ẩm tương đối thấp hơn 35%, bộ máy tiêu hoá bò
kích thích, còn nếu lớn hơn 70% thì sự ra mồ hôi sẽ bò giảm
nghiêm trọng. Nói chung độ ẩm ảnh hưởng đến tiêu thụ năng
lượng: độ ẩm càng cao thì càng tốn phí năng lượng để có cùng
điều kiện môi trường.
Trong công nghiệp thực phẩm, độ ẩm cao quá làm cho thực
phẩm bò hỏng và thấp quá làm giảm trọng lượng do bay hơi
nước.
Thông lượng ánh sáng (Φ): là năng lượng phát xạ, lan truyền
hay hấp thụ dưới dạng bức xạ trong một đơn vò thời gian.
Thông lượng được đo bằng watt. Trong những thời điểm khác
nhau, thông lượng ánh sáng thay đổi, ảnh hưởng đến nhiệt độ
và độ ẩm trong nhà kính . Có thể sử dụng màn che trong nhà
v.v.
Tuy vậy thông thường trong nhà kính, người ta thường tưới một
lần trong mỗi năm đến bảy ngày tuỳ theo mùa trong năm và
cũng tuỳ theo độ ẩm của đất.
Chắn sáng:
Để tạo ra môi trường tuyệt hảo cho cây trồng, người ta cần biết
điều tiết không khí mát, sức nóng, lượng nước có trong nhà
kính.
Trong những ngày nắng nóng (mùa hè), ánh sáng mặt trời được
chiếu thẳng vào nhà kính làm nhiệt độ trong nhà kính tăng lên.
Khi ấy cần phải che chắn nhà kính để làm giảm nhiệt độ trong
nhà kính đồng thời kết hợp với việc thông gió và sử dụng quạt
sẽ làm mát môi trường trồng trọt. Việc che sáng có thể giúp
cho nhiệt độ giảm xuống hai mươi phần trăm.
Sưởi ấm:
Trong những ngày mưa lạnh (mùa đông), chỉ có thể nâng nhiệt
độ lên nhờ hệ thống sưởi hoặc một dàn đèn (Số lượng đèn sử
dụng phụ thuộc vào loại đèn và kích thước nhà kính).
III.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG TRONG NHÀ KÍNH:
Trong những hệ thống tự động hoá công nghiệp ngày nay, để đo lường
và điều khiển tự động các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm
v.v... , người ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện
1
Chuyển
đổi
Mạch
đo
Chỉ thò
Hình 1.4: Sơ đồ khối của một hệ thống đo cơ bản
¾ Khối chuyển đổi: nhận trực tiếp các đại lượng vật lý (không điện)
đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng đó thành các
đại lượng vật lý (điện) thống nhất (dòng điện hay điện áp) để thuận
lợi cho việc xử lý.
¾ Mạch đo: tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi
sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thò.
¾ Khối chỉ thò: biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể
hiện kết quả. 3.
Tổng quan về hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính:
Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gọi đầy đủ là hệ thống
đo và điều khiển sử dụng trong nhà kính, ngoài ra còn có thể nói ngắn gọn
là hệ điều khiển tự động (automatic controller). -9-
trước (set point) là vùng tỷ lệ (proportional zone). Ngoài vùng này, hệ điều
khiển hoạt động như hệ mở-đóng, dưới vùng này là vùng mở (fully on) còn
trên vùng này là vùng đóng (fully off). Tuy vậy trong vùng tỷ lệ này, ngõ ra
hệ điều khiển nhiệt độ mở và đóng tỷ lệ với sai phân từ giá trò nhiệt độ đặt
trước nghóa là tại điểm giữa của vùng tỷ lệ, thời gian mở và thời gian đóng
bằng nhau và như vậy nhiệt độ ổn đònh. Nếu nhiệt độ ở dưới giá trò đặt
trước, ngõ ra mở lâu hơn, còn nếu nhiệt độ quá cao thì ngõ ra đóng lâu hơn.
Hệ điều khiển nhiệt độ PID kết hợp điều khiển tỷ lệ với 2 phần điều
chỉnh được gọi là tích phân (integral) và đạo hàm (derivative). Chúng giúp
điều chỉnh tự động các thay đổi của hệ. Hệ điều khiển nhiệt độ PID là hệ ổn
-10-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
đònh và chính xác nhất. Người ta thường chọn sử dụng hệ điều khiển nhiệt
độ PID khi có yêu cầu cao về chất lượng.
Khối xử lý
Khối
hiển thò
Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và
hầu hết các công ty bán dẫn hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty
Intel và rất nhiều công ty khác như : Atmel, AMD, Siemens, Philips, Dallas,
OKI …
Ngoài việc chọn sử dụng bộ vi điều khiển 89C51 là chính để điều
khiển và giải mã, chúng tôi còn chọn các cảm biến nhiệt LM35, cảm biến
độ ẩm NH3, cảm biến quang CdS, chip ADC0809 và các IC ổn áp 7812,
7805 để xây dựng hệ thống, chúng tôi chỉ sơ lược trình bày những thông số
kỹ thuật của các linh kiện này đồng thời nêu 1 số mạch sử dụng trong quá
trình thiết kế cũng như các đồ thò, đáp tuyến liên quan.
II .
KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 89C51
1.
TỔNG QUAN:
89C51 là một IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất, có các đặc
điểm sau:
o 4KB EEPROM
o 128 bit RAM
o 4 cổng vào/ra 8bit
o Hai bộ đònh thời 16bit
o Giao tiếp nối tiếp
o 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng
o 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
o Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)
o 210 bit được đòa chỉ hóa
-12-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
= 2,4V;với điều kiện I
OH
= -60μA,V
CC
=5V ± 10%
- V
OH
= 0,75V
CC
; với điều kiện I
OH
= -25 μA
- V
OH
= 0,9V
CC
; với điều kiện I
OH
= -10 μA
o Điện áp ra ở mức cao(cổng 0):
- V
OH1
= 2,4V với điều kiện I
OH
= -800 μA,V
CC
= 5V± 10%
- V
OH1
= 0,75V
= 40 μA vời điều kiện V
CC
= 5V
o Dòng điện ở lối ra( cổng 1,2,3) I
OL
=15 mA
o Dòng điện ở lối ra (cổng 0) I
OL
= 26mA
2 .
CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 89C51
Phần chính của vi điều khiển là bộ xử lí trung tâm (CPU: central
processing unit) bao gồm :
o Thanh ghi tích lũy A
o Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia
o Đơn vò logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit )
o Từ trạng thái chương trình (PSW : Program Status Word)
o Bốn băng thanh ghi đặc biệt
o Con trỏ ngăn xếp
o Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều
khiển thời gian và logic.
Đơn vò xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra
còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhòp từ bên ngoài.
-13-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
B
TXD
*
RXD
*
T
1
*
T
2
*
P
0
P
1
P
2
P
3EA\ RST PSEN ALE
Các thanh ghi
khác
128 byte
RAM
9
18
19
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17
P3.2/INT0
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
ALE/PROG
EA/VPP
Hình 2.2 – Sơ đồ chân logic của 89C51
- Port
0 : là cổng có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39. Trong
các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có chức năng
vào hoặc ra. Đối với các thiết kế cỡ lớn (có sử dụng bộ nhớ mở
rộng tức là có sử dụng các đường đòa chỉ và dữ liệu bên ngoài bộ
vi điều khiển) cổng này sử dụng cho các đường đòa chỉ thấp hoặc
các đường dữ liệu. Đây là cổng cực thoát D để hở (open-drained
bidirectional I/O port)
-
Port1 : cổng vào/ra trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu
Chức na ủa ca
chân điề ển
êng c ùc chân trên cổng 3
-
Bốn u khi :
PSE
N (Program Storage Enable )
Tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho
và thường được nối
ột EPROM để cho phép
đọc c
của 89C51 để giải mã lệnh. Khi thi
phép sử dụng bộ nhớ chương trình mở rộng
đến chân OE (Output Enable) của m
ác bytes mã lệnh.
PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhò
phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được
chốt vào thanh ghi lệnh
hành chương trình trong EEPROM nội (89C51) PSEN sẽ ở mức
không tác động (mức cao).
ALE (Address Latch Enable ) :
Tín hiệu ra ALE trên
chân 30 tương hợp với các thiết bò
làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một
ùc kênh các bus đòa chỉ và dữ
khởi động hệ thống.
ác ngõ vào bộ dao động
:
ư đã thấy trong các h
Nh ình trên, 89C51 có một bộ dao động trên
ip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19.
hư đã vẽ. Tần số thạch anh thông
ch
Các tụ giữa cũng cần thiết n
thường là 12MHz.
-
Các chân nguồn :
89C51 vận hành vơ
ùi nguồn đơn +5V. V
cc
được nối vào chân 40 và
ss
(GND) được nối vào chân 20.
4.
V
TỔ CHỨC BỘ NHỚ :
51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harv
89C ard : có những vùng riêng biệt
cho chương trình và dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ
liệu có thể ở bên trong 89C51, dù vậy chúng có thể được mơ ûrộng bằèng
các
nhiều phần : phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ
đòa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc
Bảng tóm tắt bản đồ vùng nhớ trên chip data 89C51 RAM đòa chỉ hóa từng bit :
89C51 chứa 210 bit được đòa chỉ hóa, trong đó 128 bit là ở các đòa chỉ
byte 20H đến 2FH, và phần còn lại trong các thanh ghi chức năng đặc
biệt .
Ý tưởng truy xuất từng bit riêng rẽ bằng mềm là một đặc tính tiện lợi
của vi điều khiển nói chung. Các bit có thể được đặt, xóa, AND,OR …với
một lệnh đơn. Đa số các chi xử lí đòi hỏi một chuổi lệnh đọc – sữa – ghi
để đạt được hiệu quả tương tự. Hơn nữa, các port I/0 cũng được đòa chỉ
từng bit làm đơn giản phần mềm xuất nhập từng bit.
-19-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Có 128 bit được đòa chỉ hóa đa dụng ở các byte 20H đến 2FH. Các đòa
chỉ này được truy xuất như các byte hoặc các bit phụ thuộc vào lệnh
được dùng.
Các bank thanh ghi :
32 byte thấp nhất của bộ nhớ nội là dành cho các bank thanh ghi. Bộ
lệnh của 89C51 hổ trợ 8 thanh ghi (R0 đến R7) và theo mặc đònh (sau
khi Reset hệ thống) các thanh ghi này ở các đòa chỉ 00H-07H.
Bank thanh ghi tích cực có thể chuyển đổi bằng cách thay đổi các bit
chọn bank thanhghi trong từ trạng thái chương trình (PSW).
Ýù tưởng dùng “các bank thanh ghi” cho phép “chuyển hướng”
chương trình nhanh và hiệu qủa.
F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B
FF
F0
E0
E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC
-20-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW
- - - BC BB BA B9 B8 IP
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3
AF - - AC AB AA A9 A8 IE
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2
Không được đòa chỉ hóa
SBUF
9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON
97 96 95 94 93 92 91 90 P1
TL1
TL0
TMOD
8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
PCON
DPH
DPL
SP
88
87
83
82
81
80
87 86 85 84 83 82 81 80 PO
Tóm tắt bộ nhớ dữ liệu trên chip
-
Từ trạng thái chương trình:
Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word) ở đòa chỉ
D0H chứa các bit trạng thái như bảng tóm tắt sau:
• Cờ nhớ (Carry viết tắt là CY) có công dụng kép. Thông thường nó
OV
P
D7H
D6H
D5H
D4H
D3H
D2H
D1H
D0H
Cờ nhớ
Cờ nhớ phụ
Cờ 0
Bit 1 chọn bank thanh ghi
Bit chọn bank thanh ghi.
00=bank 0; đòa chỉ 00H-07H
01=bank 1: đòa chỉ 08H-0FH
10=bank 2:đòa chỉ 10H-17H
11=bank 3:đòa chỉ 18H-1FH
Cờ tràn
Dự trữ
Cờ Parity chẵn.
90H, Port 2 ở đòa chỉ A0H và Port 3 ở đòa chỉ B0H. Tất cả các Port đều được
đòa chỉ hóa từng bit. Điều đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi.
-
Các thanh ghi timer:
89C51 chứa 2 bộ đònh thời đếm 16 bit được dùng trong việc đếm thời
hoặc đếm sự kiện. Timer 0 ở đòa chỉ 8AH (TL0:byte thấp) và 8CH
(TH0:byte cao). Timer 1 ở đòa chỉ 8BH (TL1:byte thấp) và 8DH (TH1: byte
cao).
-
Các thanh ghi port nối tiếp:
89C51 chứa một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông
tin với các thiết bò nối tiếp như máy tính, modem hoặc cho việc giao tiếp với
các IC khác có giao tiếp nối tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi
dòch..).
-
Các thanh ghi điều khiển ngắt:
89C51 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bò cấm sau
khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép
ngắt (IE) ở đòa chỉ 8AH. Cả hai thanh ghi được đòa chỉ hóa từng bit.
-
Các thanh ghi điều khiển công suất:
Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở đòa chỉ 87H chứa nhiều bit
điều khiển.
Chúng được tóm tắt trong bảng sau:
Bit Ký hiệu nghóa
7 6
5
chỉ thoát khi có ngắt hoặc reset hệ
thống.
Thanh ghi điều khiển công suất (PCON)
5.
RESET:
89C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao ít nhất trong 2
chu kỳ máy và trả nó về múc thấp. RST có thể được kích khi cấp điện
dùng một mạch R-C.
-23-
Copyright: Tài liệu đại học ©