Thiết kế, mô phỏng hệ thống tưới cây tự động dùng vi điều khiển pic16f887

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - NGUYỄN ANH MINH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Phú Thọ, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - NGUYỄN ANH MINH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Văn Quyết Phú Thọ, 2023 MỤC LỤC PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài .1 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm hệ thống tự động 1.1.2 Vai trò tự động hóa q trình sản xuất 1.1.3 Ứng dụng tự động hóa tưới tiêu cho trồng .3 1.1.4 Các nghiên cứu nước 1.1.5 Các nghiên cứu nước 1.1.6 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung .5 1.2 Yêu cầu toán thiết kế 1.2.1 Mô tả hoạt động hệ thống 1.2.2 Nguyên lí hoạt động 1.3 Thiết kế sơ đồ khối 1.4 Lựa chọn thiết bị 1.4.1 Vi điều khiển PIC16F887 a Chức chân port A 11 b Chức chân port B 12 c Chức chân port C 13 d Chức chân port D 14 e Chức chân port E 15 f Chức chân phân chia theo nhóm chức .16 1.4.2 Relay 5VDC 18 1.4.3 Cảm biến độ ẩm đất 20 1.4.4 Màn LCD hiển thị 21 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 2.1 Giới thiệu phần mềm dùng mô 22 2.1.1 Lịch sử hình thành, phát triển phạm vi ứng dụng phần mềm Proteus .22 2.1.2 Các chức phần mềm Proteus 24 a Các ưu điểm 24 b Khả ứng dụng .25 c Nhược điểm: 25 2.2 Kết vẽ mô 26 2.2.1 Chương trình nạp cho vi điều khiển .26 2.2.2 Kết mô 34 a Hệ thống tự động hoạt động 34 b Hệ thống tự động dừng 35 PHẦN III: KẾT LUẬN DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Hình ảnh hệ thống tưới tự động dùng cho trồng Hình Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động dùng PIC 16F887 Hình Cấu trúc bên vi điều khiển Hình Hình ảnh thực tế PIC16F887 10 Hình Sơ đồ chân vi điều khiển pic16F887 .10 Hình Relay VDC 18 Hình Sơ đồ chân Relay VDC 19 Hình Cảm biến độ ẩm đất 20 Hình Màn hình LCD 16x2 .21 Hình 10 Hình dạng phần mềm protues .23 Hình 11 Động bơm hoạt động, đèn báo sáng độ ẩm mức độ cài đặt 64% 34 Hình 12 Động bơm không hoạt động, đèn không báo sáng độ ẩm mức cài đặt 64% .35 PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trong xã hội đại, phát triển ngành ngành điện tử yêu cầu thiếu để thúc đẩy kinh tế phát triển góp phần nâng cao đời sống xã hội Ngày nay, giới, điện tử không ngừng phát triển với tốc độ cao thâm nhập ngày sâu vào tất lĩnh vực đời sống xã hội Cùng với phát triển vũ bão đó, ngành điện tử Việt Nam nỗ lực đường tìm chỗ đứng cho Từ cơng nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đem đến kĩ thuật điều khiển đại có nhiều ưu điểm so với việc lắp ráp linh kiện rời như: kích thước nhỏ, giá thành hạ, làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ Ngày nay, lĩnh vực điều khiển ứng dụng nhiều thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày làm cho đời sống ngày đại tiện nghi hơn… Với mục tiêu nêu xuất phát từ yêu cầu thực tế, trọng tâm đề tài sâu nghiên cứu “Thiết kế hệ thống tưới tự động ” Với mong muốn đưa hệ thống vào úng dụng sống hàng ngày 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đồ án môn học nói riêng mơn học chun nghành Điện tử nói chung sinh viên theo học, tìm hiểu nghiên cứu lĩnh vực Điện tử, đồng thời tất người yêu thích chuyên nghành Điện tử, mơn học làm tảng, trang bị kiến thức cho người học để tự tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu học tập cho môn học tiếp theo, đồng thời củng cố kiến thức môn học học thời gian theo học trường 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mô hệ thống tưới tự động dùng PIC16F887 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG DÙNG PIC 16F887 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm hệ thống tự động Hệ thống điều khiển tự động hệ thống bao gồm phần tử tự động nhằm điều khiển trình xảy thiên nhiên, sống mà khơng có tham gia trực tiếp người Hệ thống điều khiển tự động: tập hợp thành phần vật lý có mối liên quan tác động qua lại lẫn để huy, tự hiệu chỉnh điều khiển hệ thống khác Hệ thống điều khiển tự động xuất ngày phổ biến - Hệ thống điều hồ khơng 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 1.1.2 Vai trị tự động hóa q trình sản xuất Lịch sử hồn thiện cơng cụ, phương tiện sản xuất phát triển sở giới hóa điện khí hóa Khi có đột phá lĩnh vực công nghệ vật liệu điện tử tin học cơng nghệ tự động có hội phát triển mạnh mẽ, đem lại mn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó mấu chốt suất, chất lượng, giá thành Trong thực tiễn áp dụng tự động hóa vào sản xuất mang lại hiệu không nhỏ cho phép giảm giá thành nâng cao suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường độ cao sản xuất đại, thực chuyên mơn hóa hốn đổi sản xuất Từ tăng khả cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất Trong tương lai gần tự động hóa đóng vai trị vơ quan trọng khơng thể thiếu, khơng ứng dụng sản xuất mà ứng dụng phục vụ đời sống người Trong sản xuất thay người công việc bắp nặng nhọc, công việc nguy hiểm, độc hại,cơng việc tinh vi đại, cịn đời sống người công nghệ ứng dụng phục vụ nhu cầu sống Nó phương tiện thiếu đời sống 1.1.3 Ứng dụng tự động hóa tưới tiêu cho trồng Công trường thực vật địa sản xuất nơng nghiệp đại hóa Tồn q trình điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng… Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ lâu cho việc tưới tiêu, song phát triển số nước phát triển, nước chậm phát triển nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới chậm Hiện nay, trợ giúp nước nước phát triển đưa dần tự động hóa vào đời sống sản xuất, đặc biệt nước đơng nam có Việt Nam Hình Hình ảnh hệ thống tưới tự động dùng cho trồng 1.1.4 Các nghiên cứu nước ngồi Ở nước ngồi có nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tưới tự động: Đầu năm 80, Liên Xô ( cũ ) chế tạo loại máy tự động ứng dụng nông nghiệp Khi làm việc loại máy quan sát độ ẩm thổ nhưỡng, nhiệt độ khơng khí, sức gió… Nó xác định phương pháp tưới tiến hành tưới cho trồng, nhờ loại máy làm mưa nhân tạo khác Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới tích hợp cơng nghệ tự động nhất, điện tốn đám mây số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả tự động ngắm hướng vịi phun, lượng nước tần suất tưới để tự động tưới nước cho theo lịch trình tự tính tốn dựa phân tích liệu đầu vào Chỉ cần vài thao tác lập trình, cung cấp cho hệ thống nguồn nước đầu vào dẫn đầu tưới đến vị trí cần tưới hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự động theo cơng nghệ tưới tiên tiến Có loại điều khiển: - Điều khiển theo tưới điều khiển theo chu kỳ - Điều khiển theo tưới: Hệ thống hoạt động theo thời gian đồng hồ yêu cầu - Điều khiển theo chu kì tưới: Hệ thống hoạt động theo vòng lặp thời gian 1.1.5 Các nghiên cứu nước Ở nước ta có nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động vào sống Người dân sáng tạo hệ thống bán tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu mang lại cao so với tưới thủ cơng Tuy nhiên hệ thống cịn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu cao Ở trường đại học chuyên ngành kĩ thuật có nhiều đề tài hệ thống tưới nước tự động sinh viên thực Tuy nhiên nhiều mặt hạn chế cần khắc phục Hệ thống tưới phun tự động đa năng- công trình khoa học giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận thạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị hệ thống tưới phun đa gồm có cảm biến đo nhiệt độ cảm biến đo độ ẩm đất cài đặt nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển lập trình PLC-S7- 1200 Khi cảm biến cho thông số độ ẩm đất nhiệt độ khơng khí nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu đưa đến hộp điều khiển PLC Tại chức điều khiển tự động để nhận nước đưa tưới tự động tưới phun theo vòi phun lắp đặt, tự ngừng phút, cảm biến báo độ ẩm nhiệt độ đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực thử nghiệm có hiệu thực tế 1.1.6 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung Các nghiên cứu ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, giá thành cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng thiết bị Vì vậy, em thực nghiên cứu hệ thống tưới sử dụng PIC16F887 cảm biến độ ẩm để định thời gian tưới cho trồng Hệ thống chế tạo đơn giản, chi phí thấp dễ sửa chữa Hình 10 Hình dạng phần mềm protues 23 2.1.2 Các chức phần mềm Proteus a Các ưu điểm - Dễ dàng tạo sơ đồ nguyên lý đơn giản từ mạch điện đơn giản, đến mạch có lập trình vi xử lý - Dễ dàng chỉnh sửa đặc tính linh kiện sơ đồ nguyên lý: chỉnh sửa số bước động bước, chỉnh sửa nguồn nuôi cho mạch, thay đổi tần số hoạt động vi xử lý Công cụ hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế sơ đồ nguyên lý Xem lưu lại phần báo lỗi - Chạy mơ phân tích tính chất mạch điện Công cụ hỗ trợ cho việc chạy mơ mạnh xác Các cơng cụ đồ thị hỗ trợ mạch cho việc phân tích tần số, song, âm khơng phần mềm cịn có thêm máy phân tích từ đơn giản đồng hồ đo Vôn, Ampe, đến máy đo dao động, máy tạo sóng dao động - Ngồi Proteus cịn cung cấp cho người sử dụng công cụ mạnh phần mềm khác khơng có Chẳng hạn thư viện led với mầu sắc khác kể led đoạn Nhưng phần hiển thị mạnh mà Proteus cung cấp LCD, mơ cho nhiều LCD từ đơn giản đến phức tạp - Một ưu điểm Proteus mơ cơng cụ phát thu tín hiệu từ mạch giao tiếp với máy tính thơng qua cơng cụ RS232 Trong người sử dụng điều khiển trình truyền phát, tốc độ Baud giúp cho người lập trình mơ mạch truyền, phát tín hiệu Một điểm mạnh khác Proteus cung cấp cho người dùng công cụ biên dịch cho họ vi xử lý MSC51, AVR, HCHI Qua tạo tập tin HEX dùng để nạp cho vi xử lý tập tin DSI dùng để xem chạy kiểm tra bước chương trình mô - Đối với mạch vi xử lý Proteus khơng cung cấp hình ảnh thực tế linh kiên xuất mà cung cấp cho người lập trình nhiều cửa sổ thơng báo nội dung nhớ, trỏ, ghi Proteus có thư viện lớn 6000 linh kiện loại ngày bổ sung Ngoài 24 cịn có keypad (Ma trận phím tạo đơn giản cho người thiết kế cần thao tác ma trận phím) b Khả ứng dụng - Khả ứng dụng Proteus mơ phỏng, phân tích kết từ mạch nguyên lý Proteus giúp cho người sử dụng thấy trước mạch thiết kế chạy hay sai trước thiết kế bo mạch Các công cụ phục vụ cho việc phân tích mạch có độ xác cao đo vôn, ampe hay máy đo dao động - Khả áp dụng chương trình Proteus vào giảng dạy tốt cho giảng viên cho sinh viên học tập kỹ thuật điện tử Proteus cung cấp gần đầy đủ từ đến phức tạp cho người học điện tử vi xử lý - Đối với sinh viên Proteus mà sử dụng rộng rãi gần thầy dạy cho họ nhà Nó giúp cho sinh viên tự học, tự nghiên cứu thiết kế thử phần học chạy xem kết rút học tốt c Nhược điểm: Phần mềm có nhược điểm Proteus khơng tránh khỏi nhược điểm:  Phần mềm công ty nước ngồi nên tính bảo mật cao, biết đến nên khó kiếm ngồi thực tế  Trong thiết kế có nhiều phần quan trọng Proteus chạy không theo quy tắc làm người sử dụng đơi lúc gặp khó khan  Sử dụng phức tạp mạch vi xử lý hay mạch cần chỉnh sửa tính chất linh kiên ( nhiều tính chất phải điển chỉnh) 25  Phần mềm cơng ty nước ngồi viết nên khơng có tài liệu cung cấp hay hướng dẫn sử dụng  Hướng dẫn sử dụng Proteus hoàn toàn tiếng anh nên địi hỏi người sử dụng phải có tảng tiếng anh muốn sử dụng cách hiệu ( Nhất tiếng anh chuyên ngành điện tử) 2.2 Kết vẽ mơ 2.2.1 Chương trình nạp cho vi điều khiển Chương trình nạp cho vi điều khiển sử dụng ngơn ngữ lập trình C khởi tạo sự hỗ trợ trình biên dịch CCS Chương trình viết cho vi điều khiển hệ thống tưới tự động sử dụng PIC16F887 sau: #include #device *=16 adc=10 #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #use delay(clock=20M) #include ////////////////////////////////// #define BTMode input(PIN_B0) #define BTUp input(PIN_B1) #define BTDown input(PIN_B2) #define BTMal input(PIN_B3) #define Relay PIN_B4 ////////////////////////////////// int8 Mode; 26 unsigned int8 TempLv, HumiLv;//Nhiet Do, Do Am cai dat unsigned int8 TempS, HumiS;//Nhiet Do, Do Am tu cam bien int1 Status = 0; ////////////////////////////////// #int_ext_NgatRB() { Mode++; lcd_putc('\f'); if (Mode==4) Mode = 0; return Mode; } ////////////////////////////////// void _ConRelay(unsigned int8 TempLv, unsigned int8 HumiLv, unsigned int8 TempS, unsigned int8 HumiS); void _BtMode(int8 Mode); int16 _ReadADC(unsigned int8 Pin); int8 _ReadHumi(unsigned int16 GiaTriADC1); ///////////////////////////////// void main() { unsigned int16 GiaTriADC1; 27 SET_TRIS_A(0xff); SET_TRIS_D(0x00); SET_TRIS_B(0xFF); // enable_interrupts(int_ext); ext_int_edge(h_to_l); enable_interrupts(global); Mode = 0; // HumiLv = (0x40); // setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_adc_ports(all_analog); // lcd_init(); lcd_putc('\f'); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc," HE THONG TUOI CAY "); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc," TU DONG"); delay_ms(5000); 28 lcd_putc('\f'); while(TRUE) { GiaTriADC1 = _ReadADC(1); // Do am tu cam bien HumiS = _ReadHumi(GiaTriADC1); switch(Mode) { case 0: lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc," Setup Sensor"); lcd_gotoxy(1,3); printf(lcd_putc,"Humi: "); lcd_gotoxy(7,3); printf(lcd_putc,"%02d",HumiLv); lcd_putc("% "); 29 lcd_gotoxy(15,3); printf(lcd_putc,"%02d",HumiS); lcd_putc("% "); _ConRelay(TempLv, HumiLv, TempS, HumiS); break; case 1: lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc," "); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Nhan nut MAL "); lcd_gotoxy(1,3); printf(lcd_putc,"de bat/tat may bom"); if(BTMal == 0) { delay_ms(20); while(BTMal == 0); if(Status == 1) { Status = 0; 30 output_high(Relay); lcd_gotoxy(1,4); printf(lcd_putc,"May bom bat"); } else { Status = 1; output_low(Relay); lcd_gotoxy(1,4); printf(lcd_putc,"May bom tat"); } } break; case 2: if(BTUp == 0) { delay_ms(20); while(BTUp == 0); HumiLv = HumiLv + 1; if(HumiLv >= 100) HumiLv = 100; 31 } else if(BTDown == 0) { delay_ms(20); while(BTDown == 0); HumiLv = HumiLv - 1; if(HumiLv