xây dựng giám sát và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho mô hình nông nghiệp công nghệ cao

Hiện nay với thực trạng chung của nghành kinh tế là đẩy nhanh sựphát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng những sản phẩm khoa học vàotrong các nghành khác đặc biệt là trong nghành công

3.2 Vi điều khiển, IC và các thiết bị chấp hành điều khiển

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong quá trình sản suấtđang là vấn đề được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa họctrên thế giới cũng như trong nước.

Trong trường đại học cao đẳng nghiên cứu khoa học cũng được sinh viên rất quan tâm, cụ thể đã có nhiều đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn cao, áp dụng cho sản suất với chất lượng mong muốn

Qua thời gian học tập tiếp thu những kiến thức của các thầy cô giáo

chúng em đã quyết định nghiên cứu sâu hơn đề tài: “Xây dựng giám sát và

điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho mô hình nông nghiệp công nghệ cao”

Với sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương

Đề tài gồm các phần sau:

Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính

Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển cùng các linh kiện thực hiện đo lường.Chương 3: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm

Chương 4: Xây dựng Card truyền thông

Trong quá trình tìm hiểu chúng em đã cố gắng tìm hiểu nghiên cứu các vấn đề thuộc phạm vi đề tài nhưng do thời gian ngắn, trình độ hiểu biết

có hạn nên trong đề tài không tránh khỏi những sai sót Mong thầy cô và các bạn góp ý và giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn

Cung cấp đầy đủ các file dữ liệu trừ mạch phần cứng

Nhóm nghiên cứu khoa học

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay với thực trạng chung của nghành kinh tế là đẩy nhanh sựphát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng những sản phẩm khoa học vàotrong các nghành khác đặc biệt là trong nghành công nghiệp và nông nghiệp.

Vấn đề nông nghiệp công nghệ cao càng ngày càng được quan tâmnhiều hơn, và thực tế ở các nước phát triền thì đây là những mô hình chủyếu, một số nước có nền nông nghiệp công nghệ cao phát triển như Anh,

Mỹ, Trung quốc, Nhật bản,…

Việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao đem lại nhiều hiệu quả chonền kinh tế: Tăng hiệu quả sản suất, giảm nhiều chi phí đầu tư, tăng năngsuất cây trồng, có thể tạo sản phẩm nông nghiệp theo yêu cầu thị trường màkhông quan tâm đến mùa vụ,… Ngoài ra việc phát triển nghành nông nghiệpứng dụng công nghệ cao cũng là sân cho sự sáng tạo, ứng dụng những tiến

bộ khoa học kỹ thuật vào sản suất, đem lại nhiều hiệu quả kinh tế

Việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao là sản phẩm của việc ứngdụng những ngành công nghệ như: Công nghệ thông tin, công nghệ vật liệumới, công nghệ sinh học, công nghệ quản lý,… vào trong nghành nôngnghiệp

Ở nước ta chính phủ cũng đã có những biện pháp đầu tư, khuyếnkhích nghiên cứu, phát triển, xây dựng những mô hình nông nghiệp côngnghệ cao Tuy nhiên do điều kiện kinh tế, trình độ khoa học kỹ thuật nên tiếntrình ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật mới này còn hạn chế, chỉthực hiện ở một số nơi

Do vậy,chỉ một số nơi có khả năng kinh tế, điều kiện thu hút đầu tưnhư Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Lâm Đồng,… đã triển khai và khá thànhcông trong nhiều ứng dụng xây dựng mô hình nông nghiệp công nghệ cao

Vì vậy việc xây dựng những ứng dụng công nghệ để phát triển nềnnông nghiệp là hết sức bức thiết, và phù hợp với xu thế chung của nền nôngnghiệp thế giới

Bus RS 485

Khung nhà

Hình a: Mô hình nhà kínhNghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào việc giám sát và điều khiểncác thông số cho phù hợp với yêu cầu của cây trồng, vật nuôi Phát triền môhình nhà kính điều khiển tự động

Do thời gian có hạn nên hiện tại nhóm mới thực hiện được đo 2 thông

số nhiệt độ và độ ẩm, điều khiển on – off các thiết bị rơle, chưa xây dựngđược mô hình hoàn chỉnh của nhà kính

Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà

kính1.1 Hệ thống đo lường.

a Giới thiệu.

Đo lường là 1 quá trình đánh giá đại lượng cần đo để có kết quả bằng

số với đơn vị đo

Trong đo lường thì kết quả đo lường được đặc trưng bởi các yếu tốsau:

- Đại lượng cần đo

- Điều kiện đo

định tính chính xác của phép đo Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhautùy thuộc vào đại lượng cần đo và yêu cầu đầu ra.

Khối mạch đo: Thực hiện chức năng thu thập gia công thông tin đosau chuyển đổi sơ cấp, thực hiện các thao tác tính toán Tùy thuộc vào yêucầu tính toán, kiểu đo,yêu cầu đầu ra,… mà mạch đo có câu trúc cũng nhưkhả năng xử lý là khác nhau Mạch đo thường xử dụng vi điều khiển hoặc vi

xử lý để nâng cao khả năng tính toán xử lý số liệu

Khối chỉ thị: Là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thể hiện kết quả củaphép đo dưới dạng con số, có kèm đơn vị của đại lượng cần đo

- ADC: chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số để Vi điều khiển tínhtoán cà hiển thị

- Vi điều khiển: Thực hiện xử lý trung tâm, tính toán ra các kết quả,thực hiện hiển thị, lưu trữ, truyền đi xa,…

- Hiển thị: Hiển thị các kết quả đo được

- Điều khiển thiết bị: Sau khi tính toán các thông số Vi điều khiển cóthể thực hiện các lệnh để đảm bảo yêu cầu nào đó đã được đề ra

1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ.

Nhiệt độ là thông số quan trọng ảnh hưởng nhiều đến đặc tính của vậtchất, quá trình kỹ thuật, và đặc biệt trong nông nghiệp nhiệt độ là đại lượnghết sức quan trọng ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của cây trồng vật nuôi,ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bảo quản,… Yêu cầu đo nhiệt độ là cầnthiết, để có được những biện pháp điều khiển thay đổi hoặc giả là tránhkhông để sảy ra hậu quả do nhiệt độ gây ra

Nhiệt độ là 1 đại lượng không điện, nên ta phải thực hiện đo gián tiếp

Đo nhiệt độ có thể sử dụng các phương pháp sau: Dùng các dụng cụ hỗ trợnhư cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode, transistor, IC cản biến nhiệt độ,cảm biến thạch anh,…

Có các phương pháp đo nhiệt độ như:

+ Đo tiếp xúc: Các chuyển đổi được đặt trực tiếp tại môi trường cần đo,thường dùng cho nơi có nhiệt độ thấp Gồm các loại cảm biến như: Nhiệt kếnhiệt điện trở, nhiệt kế nhiệt ngẫu, các cảm biến bằng linh kiện bán dẫn nhưdiode, transistor, IC

+ Đo không tiếp xúc: Các cảm biến, chuyển đổi đặt ngoài môi trường cần đo,thường dùng cho nơi có nhiệt độ cao, có thể dùng các thiết bị đo như sau:Hỏa quang kế, bức xạ, quang phổ,…

Một số phương pháp đo nhiệt độ:

a Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở.

Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể được cấu tạo từ dây platin, đồng, niken,bán dẫn,…quấn trên 1 lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối rangoài.

Yêu cầu của các vật liệu dùng để chế tạo nhiệt điện trở:

+ Hệ số nhiệt lớn

+ Điện trở suất lớn

+ Tính ổn định hóa lý cao

+ Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao

Mạch đo thường dùng khi sử dụng nhiệt điện trở[2]: hình 1.3:

Vậy với các giá trị R1, R2, Rn đã xác định ta có thể xác định được Rt

Độ chính xác phụ thuộc độ nhạy của điện kế G, ngoài ra sai số củaR1,R2,Rn cũng ảnh hưởng đến sai số của Rt

b Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu.

Cấu tạo: Một cặp nhiệt ngẫu được cấu tạo bởi 2 dây A, B và tại điểmtiếp xúc của chúng có nhiệt độ T1,T2 sẽ tạo ra 1 sức điện động E tùy thuộc

vào vật liệu dây A, B và nhiệt độ T1, T2 Nhiệt độ một trong 2 mối nối là cốđịnh và được dùng làm chuẩn(giả sử T1), trong khi nhiệt độ còn lại(T2) củamối nối còn lại là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt Tx.

Tc phụ thuộc Tx, và các đại lượng bên ngoài khác và điện trở dây dẫn, thanh

A, B

Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu[2] : hình 1.4

2: Ống, dùng để bảo vệ khi đo ở nhiệt độ cao

3: Ống sứ, dùng để cách điện 2 dây

4: Hộp đầu nối

Hình 1.4: Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu

Kích thước bé, độ chính xác cao

Tự tạo ra sức điện động, không cần đưa dòng 1 chiều vào

Nhược điểm: phải biêt rõ nhiệt độ của mối chuẩn (T1) nếu T1 không chínhxác thì Tc cũng không chính xác

c Đo nhiệt độ bằng IC chuyên dụng.

Ngày nay dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã tíchhợp những mạch transistor đo nhiệt độ thành những IC đo nhiệt độ hoàn hảo,được ứng dụng nhiều trong thực tế.

…

Nguyên lý hoạt động: Nhận tín hiệu thay đổi nhiệt độ dựa vào đặc tínhrất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ rồi chuyển thành các đại lượng điệnnhư điện áp, dòng điện,…

Một số loại IC đo nhiệt độ:

Dòng làm việc 400μA - 500 μA

1.3 Các phương pháp đo độ ẩm.

Độ ẩm là 1 thông số quan trọng tác động trực tiếp tới con người, cácquá trình sinh lý hóa, thiết bị máy móc,…Độ ẩm cao sẽ ảnh hưởng đến cácthiết bị mạch điện tử, các linh kiện,làm giảm cách điện của hệ thống,… Đặcbiệt trong hoạt động nông nghiệp thì độ ẩm cũng là thông số quan trọngkhông kém nhiệt độ đối với ảnh hưởng tới cây trồng vật nuôi, sự phát triểncủa sâu bệnh,… Độ ẩm và nhiệt độ thường liên quan mật thiết với nhau Dovậy đo độ ẩm và điều khiển độ ẩm là vấn đề cần được quan tâm nhiều

Một số thông số đặc trưng cho độ ẩm[2]:

Ta có: áp suất toàn phần của không khí:

Pk : áp suất riêng của không khí khô

Ph : áp suất riêng phần của hơi nước

Áp suất hơi bão hòa Pbh(Pa) ở nhiệt độ T là áp suất hơi nước ở trạngthái cân bằng với nước lỏng, ký hiệu Pbh(T), với áp suất này sé sảy ra ngưng

tụ

Độ ẩm tương đối RH% là tỷ số giữa áp suất riêng phần của hơi nước

và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T

chất hút ẩm và đặt hai thanh dẫn bằng kim loại không bị ăn mòn và oxi hóa.Trị số điện trở đo được giữa hai thanh dẫn phụ thuộc vào hàm lượng nước(tỷ

số giữa khối lượng nước hấp thụ và khối lượng chất khô) và vào nhiệt độchất hút ẩm Hàm lượng nược lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ

Đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm tươngđối và nhiệt độ của độ ẩm như hình 1.5[2]:

Hình 1.5Đặc điểm của ẩm kế điện trở : có thể đo được độ ẩm tương đối từ 5 –

±(2 – 5)%

b Đo độ ẩm bằng ẩm kế tụ điện.

Cấu tạo: chế tạo thành 1 tụ điện với lớp điện môi là chất hút ẩm, khi

độ ẩm thay đổi thì hằng số điện môi thay đổi làm cho điện dung của tụ thayđổi

Ví dụ loại cảm biến độ ẩm dạng tụ điện: IC HS1100, HS1101:

Hình 1.6: IC HS1101Khi đo độ ẩm ta sử dụng ẩm kế tụ điện, mà đầu ra của loại cảm biến này

là điện áp hoặc tần số, do mạch tần số dễ thực hiện, độ chính xác cao nên đã

sử dụng mạch đo đưa ra đầu ra là tần số, do vậy các thành viên cũng đãnghiên cứu và thực hiện mạch đo tần số Sau đây là một số phương pháp đotần số

1.4 Đo tần số.

Để thực hiện việc đo độ ẩm dựa vào cảm biến HS1101 ta phải thực hiệnviệc đo được tần số do phần mạch đầu đo phát ra.

a Các phương pháp đo tần số.

Đề đo được tần số ta sử dụng các phương pháp sau:

- Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng: Dùng các dụng cụ như:Tần số kế cộng hưởng, tần số kế cơ điện, tần số kế tụ điện, tần số kếchỉ thị số

- Đo tần số bằng phương pháp so sánh: Thực hiện nhờ Ôxilôcôp, tần số

kế đổi tần, tần số kế cộng hưởng,…

- Tần số kế: Dùng để đo tần số, có thể đo được tỷ số giữa 2 tần số, tổng

2 tần số, khoảng thời gian, khoảng cách xung,…

Để thực hiện việc đo tần số bằng thiết kế mạch điện xử lý toán bằng viđiều khiển ta chú ý đến phương pháp đo tần số bằng tần số kế chỉ thị số, sauđây sẽ đi sâu phân tích phương pháp đo tần số dùng tần số kế chỉ thị số

b Tần số kế chỉ thị số.

Nguyên lý đo:

- Khi đo tần số lớn: Nguyên lý: Đếm số xung N tương ứng với số chu

Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý hình 1.7a Nguồn tín hiệu cótần số cần đo được đưa đến “bộ vào” (“bộ vào” bao gồm: bộ khuếch đại dảirộng từ 10Hz – 3.5MHz và 1 bộ suy giảm tín hiệu) sau đó được đưa đến bộ

không đổi, tần số bằng tần số đầu vào (Hình 1.7b) Đồng thời với quá trình

mức với hệ số là 10n, tần số chuẩn f0 được chia từ 1MHz đến 0.01Hz(mục

Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý hình 1.8a Tín hiệu tần số cần

này sẽ được đưa qua bộ điều khiển – “ĐK” để đóng mở khóa K, vậy Tx chính

chuẩn đi qua K đưa vào bộ đếm, và ra chỉ thị, số xung đếm được là N

Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển cùng các linh kiện

thực hiện đo lường2.1 Đo nhiệt độ.

2.1.1 Vi điều khiển Pic 16F877A.

a Các đặc tính nổi bật của vi điều khiển.

- Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU

- Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giản

- Tốc độ xung là: Xung đồng hồ vào là DC – 20MHZ, chu kì thực hiện lệnh trong 200ns

- Bộ nhớ Flash 8Kx14 words

- Bộ nhớ Ram 368x8 bytes

- Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes

- Có đến 14 nguồn ngắt trong và ngoài

- Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.,…

- Xử lý đọc ghi tới bộ nhớ chương trình

- Dải điện thế hoạt động 2.0 v – 5.5v

- Công suất tiêu thụ thấp

< 0.6 mA với nguồn 5V, 4MHZ

20 μA với nguồn 3V, 32KHZ

< 1μA với nguồn dự phòng

- Các Timer:

Timer0 : 8 bit bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước

Timer1: 16 bit bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, có khả năngtăng trong chế độ Sleep qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài.Timer2 : 8 bit bộ định thời, bộ đếm với 8 bit, hệ số tỷ lệ trước, tỷ lệsau

- Có 2 chế độ bắt giữ, so sánh, điều chế độ rộng xung PWM (Chế độbắt giữ với 16 bit tốc độ 12.5 ns, chế độ so sánh 16 bit, tốc độ giảiquyết cực đại là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung 10 bit).

- Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số với 10 bit

- Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năngphát hiện 9 bit địa chỉ

b Sơ đồ chân linh kiện.

Sơ đồ chân Pic 16F877A như hình 2.1:

Hình 2.1: Sơ đồ chân Pic 16F877A

c Tổ chức bộ nhớ của Pic 16F877A.

- Bộ nhớ Flash

Vi điều khiển Pic 16F877 có 1 bộ đếm chương trình 13 bit và có8Kx14 words của nhớ chương trình Flash, được chia làm 4 trang Khi resetđịa chỉ bắt đầu thực hiện chạy là 0000h, vector ngắt bắt đầu từ 0004h

Bản đồ bộ nhớ chương trình và các ngăn xếp như hình 2.3 sau:

Hình 2.2: Bản đồ bộ nhơ chương trình

- Bộ nhớ Ram

Ram là bộ nhớ có thể đọc và ghi, không lưu lại khi mất nguồn, bộ nhớRam có 4 bank(0 – 3) mỗi bank có địa chỉ từ 0 – 7Fh, trên mỗi Ram cónhững thanh ghi đa mục đích, chúng hoạt động như những Ram tĩnh Để lựachọn bank ta dùng bit RP1(Status(6)), RP0 (Status(5))

01 1

d Các bộ Timer.

- Timer0: Là bộ định thời hoặc bộ đếm

+ 8bit cho Timer hoặc bộ đếm

- Timer1: Là bộ đếm hoặc bộ định thời

+ 16 bit cho bộ đếm hoặc bộ định thời

+ Có khả năng đọc viết

+ Ngắt tràn

Có thanh ghi điều khiển T1C0N

- Timer2:

+ 8 bit bộ định thời(thanh ghi TMR2)

+ 8 bit vòng lặp(thanh ghi PR2)

+ Có khả năng đọc viết ở cả hai thanh ghi

+ Có khả năng lập trình hệ số tỷ lệ trước bằng phần mềm

+ Có khả năng lập trình hệ số tỷ lệ sau bằng phần mềm

Chế độ SSP dùng đầu ra của TMR2 để tạo xung Clock

Thanh ghi điều khiển: T2C0N

2.1.2 LM335.

Lm335 là 1 IC đo nhiệt độ thông dụng được sử dụng nhiều trong thực

tế với độ chính xác khá cao, một số đặc tính kỹ thuật của IC như sau:

- Trực tiếp lấy chuẩn ở oK.

- Hoạt động từ 400μA tới 500ma

- Trở kháng nhỏ hơn 1 Ω

- Dễ dàng lấy được chuẩn

2.2.1 Vi điều khiển AT89S51.

Bộ vi điều khiển AT89S51 là bộ vi điều khiển thuộc họ VĐK x51

được sản xuất bởi công ty ATMEL

a Đặc điểm chung của bộ vi điều khiển.

- Có thể thao tác được trực tiếp 210 bit.

- Có 5 ngắt

- Dùng nguồn dao động ngoài

- Dùng điện áp 5v

b Sơ đồ chân.

Sơ đồ chân VĐK AT89S51 được thể hiện trong hình 2.4

Hình 2.4 : Sơ đồ chân VĐK AT89S51

c Tổ chức bộ nhớ.

Gồm bộ nhớ chương trình Rom và bộ nhớ dữ liệu Ram

- Rom:

Lưu giữ chương trình điều khiển chip AT89S51 Sau khi Reset Cpu

bắt đầu thực hiện chương trình từ địa chỉ 0000h

- Ram:

AT89S51 có 128 byte Ram ở trong chip chia làm 3 vùng như sau:

+ Vùng đa mục đích: Có địa chỉ từ 30h – 7Fh, vùng này có thể truy suấtbằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp Nó có thể dùng để chứa các biếnchương trình hay dùng để định nghĩa địa chỉ cho các cổng ngoại vi tùy theomục đích sử dụng

+ Vùng định địa chỉ bit: Có 128 bit chứa trong vùng địa chỉ từ 20h – 2Fh, tạivùng này có thể được truy suất tới tận các bit.

+ Vùng dãy thanh ghi từ bank 0 – bank 3: Nằm ở 32 byte thấp nhât của cùngnhớ dữ liệu Khi Reset hệ thống dãy thanh ghi mặc định là bank 0 Có thểchọn bank từ thanh ghi trạng thái chương trình PSW

d Các hoạt động chủ yếu của AT89S51.

- Hoạt động định thời:

Bộ định thời dùng để đếm sự kiện hay tạo tốc độ baud cho truyền

thông nối tiếp AT89S51 có 2 bộ định thời T0, T1 Lựa chọn hoạt động và

điều khiển cho bộ định thời bằng cách đặt giá trị cho các thanh ghi Tmod,Tcon

- Truyền dữ liệu nối tiếp:

Mục đích là chuyển dữ liệu song song thành nối tiếp(dữ liệu nối tiếptheo khung UART) Dữ liệu được truyền nhận thông qua bộ đệm Sbuf, cònthanh ghi Scon làm nhiệm vụ đặt bit điều khiển khung

- Ngắt:

Ngắt trong AT89S51 bao gồm: 2 ngắt ngoài 0 và 1; 2 ngăt Timer 0 và

1; 1 ngắt truyền thông nối tiếp Các ngắt đều có 1 địa chỉ bắt đầu (vecto ngắt)

Bảng vecto ngắt được trình bày như bảng 2.4

2.2.2 IC HS1101.