Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Hệ Thống Tưới Cây Tự Động theo độ
ẩm
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

Trong thời gian thực hiện đề tài với nội dung nghiên cứu,thiết kế và chế tạo
hệ thống tưới cây tự động, em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học ở
trường, trong thực tế. Cùng với sự giúp đỡ của thầy Lê Lăng Vân 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.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Lăng Vân đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ

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
3.2.3. Tính toán đường ống chính 27
3.2.4. Tính toán đường ống nhánh, đường ống thứ cấp 29


3.2.5. Chọn phương pháp tưới 30
3.2.6. Vật liệu sử dụng trong xây dựng hệ thống tưới 31
3.3.Thiết kế mạch điều khiển 33
3.3.1. Thiết kế phần cứng 33
3.3.2.Mạch in thực tế sau khi thiết kế (sử dụng phần mềm atium). 33

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
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,
để đảm 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 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 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

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
trên 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

- 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
6

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

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

• 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.
9


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

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

Hình 2. 1. Sơ đồ khối của mạch.

Khối thu sử dụng
cảm biến DHT11
Khối điều khiển
thiết bị

Khối xử lý
trung tâm
Khối
hiển thị
Khối thời gian
thực
11

Chức năng của từng khối:


• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC 16F877A điều khiển toàn bộ
hoạt động của mạch là nhận dữ liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm.
Đưa hiển thị lên các LCD sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật /tắt
(hẹn giờ bật /tắt) thiết bị điện.


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:
RA0, 1, 2: Ngõ vào xuất/nhập số.
AN0, 1, 2: Ngõ vào tương tự của kênh 0, 1, 2.
13

• Chân RA2/AN2/VREF-/VREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh
thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp bộ AD/ ngõ vào điện áp chuẩn cao bộ
AD.
• Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào kênh tương tự 3/ ngõ vào
điện áp chuẩn(cao) của bộ AD.
• Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài
cho TIMER0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
• Chân RA5/AN4/
SS
/C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/
ngõ vào lựa chọn SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.
• Chân RB0/INT(33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài.
• Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số.
• Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trính điện áp thấp ICSP.
• Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số.
• Chân RB6/PGC(39): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình
ICSP.
• Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.
• Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào dao động Timer1/
ngõ vào xung clock bên ngoài Timer1.
• Chân RC1/T1OSI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer1/

- 5 port của PIC16F877A bao gồm :
+ PORTB : 8 chân
+ PORTD : 8 chân
+ PORTC : 8 chân
+ PORTA : 6 chân


+ PORT E : 3 chân

15

* Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A
PORTA:
PORTA gồm có 6 chân. Các chân của PortA, có thể thực hiện được chức năng
“hai chiều” : xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vi
vào vi điều khiển.
Việc xuất nhập dữ liệu ở PIC16F877A khác với họ 8051. Ở tất cả các PORT của
PIC16F877A, ở mỗi thời điểm chỉ thực hiện được một chức năng: Xuất hoặc nhập.
Để chuyển từ chức năng này nhập qua chức năng xuất hay ngược lại, ta phải xử lý
bằng phần mềm, 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 chỉ 85H 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 chân nào là output thì ta “ clear bit ’’ tương ứng chân đó
trong thanh ghi TRISA. Điều này hoàn toàn 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.
- Ngõ vào điện thế so sánh


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.
* Bộ Timer 0: Là bộ định thời hoặc bộ đếm có những ưu điểm nổi bật sau:
+ 8 bit cho timer hoặc bộ đếm.


+ Có khả năng đọc và viết.
+ Có thể dùng đồng hồ bên trong hoặc bên ngoài.
+ Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ.
+ Có hệ số chia cho xung đầu vào có thể lập trình lại bằng phần mềm.
+ Ngắt tràn.
* Bộ Timer 1: Bộ Timer1 có thể là bộ đếm hoặc bộ định thời với ưu điểm sau:
+ 16 bít cho bộ đếm hoặc bộ định thời (gồm hai thanh ghi MR1H:TMR1L).
+ Có khả năng đọc và viết.
+ Có thể chọn xung đồng hồ bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài.
+ Có thể ngắt khi tràn FFFFh về 0000h.
Nó có thể hoạt động ở một trong các chế độ sau:
+ Là 1 bộ định thời 16 bit.
+ Là một bộ đếm có đồng bộ.
18

+ Là một bộ đếm không có đồng bộ.
* Bộ Timer 2: Bộ Timer2 có những đặc tính sau đây:
+ 8 bít cho bộ định thời ( thanh ghi TMR2 ).

+ 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:
Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về
MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm.

Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD loại 2 dòng, 16 kí tự LCD1602. Màn
hình LCD đã rất phổ biến trên thị trường và việc lập trình cho nó rất đơn giản
thêm vào đó là nó có mặt thẩm mĩ rất cao. Sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2, 5 đến


5V). Có thể hoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit

Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý kết nối của LCD1602 trong mạch điện
LCD1602 được ghép nối với vi điều khiển thông qua PortD (RD0 đến RD7 Không
sử dụng RD3). RD0 nối với chân E, RD1 nối với chân RS, RD2 nối với chân R/W
là chân đọc ghi dữ liệu và chân RD4 đến RD7 là chân dữ liệu vào.
Trong đó:
- VSS là chân nối đất
- VEE chân chọn độ tương phản, chân này được chọn qua 1 biến trở 5K một đầu
nối VCC, một đầu nối mát.
- Chân VDD nối dương nguồn
- Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): có hai thanh ghi trong LCD.
Tài liệu liên quan