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 em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Do kiến thức còn hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án em không tránh khỏi những sai xót kính mong quý thầy cô trong hội đồng thi chỉ dẫn, bỏ qua và giúp đỡ em.Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để nội dung đề tài này ngày càng hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Hoàng Thiện Phúc iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 1.Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Lý do chọn đề tài 2 3. Mục đích nghiên cứu 3 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 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 3.3.3. Thiết kế phần mềm 34 3.3.4. Thuật toán điều khiển 38 3.3.5. Mạch thực tế sau khi thiết kế và chạy thử 40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 41 4.1. Đánh giá kết quả 41 4.2. Hạn chế của đề tài 41 4.3. Hướng phát triển đề tài 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC 43 v DANH MỤC HÌNH VẼ 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 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 và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này. Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm lá và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước 2 tạo điều kiện cho cây trồng hấp thu dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường. Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học. Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây. Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay 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 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 4 - Kế thừa công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng. - Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn. • Định hướng nghiên cứu - Nghiên cứu phần mềm lập trình và mô phỏng trên máy tính. - Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả. • Kiểm chứng - Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi và từ đó hoàn thiện hệ thống. 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 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 [...]... hệ thống tưới tự động Phương án để ra quyết định đóng mở hệ thống tưới như sau: + Độ ẩm > 90% thì hệ thống không hoạt động + Độ ẩm 85-90% tưới 10 phút + Độ ẩm 80-84% tưới 15 phút +Độ ẩm 75-79% tưới 20 phút + Độ ẩm < 74% tưới 25 phút 25 Các phương án lựa chọn trên có thể thay đổi được tùy theo vùng miền, loại cây, mùa và thời tiết Thiết kế bộ hẹn giờ tự động, đến giờ cài đặt hệ thống hoạt động, bơm... 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, ... 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 9 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... 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 7 • Điều khiển theo giờ tưới: Hệ thống hoạt động đúng theo thời gian đồng hồ yêu... cho cây trồng, Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao nhất cần tính toán kĩ về đặc tính cây trồng cũng như điều kiện vùng Một hệ thống tưới cây tự động bao gồm: - Nguồn nước cấp cho hệ thống - Máy bơm nước, các van điện từ - Hệ thống đường ống chính và phụ -Các đầu phun tưới (có hoặc không tùy vào phương pháp tưới ) -Bộ điều khiển tự động đóng ngắt máy bơm hoặc các van điện từ Đề ra phương án cho hệ thống. .. 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 8 1.5.Các nghiên cứu trong nước Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ. .. 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... ra sơ đồ sau: DS1307 nó chỉ giao tiếp với vi điều khiển với 2 đường truyền SCL và SDA nên do đó trên vi xử lý cần phải xác định chân nào trên vi xử lý nó có SCL và SDA để nối với DS1307 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 3.1 Xây dựng bài toán cho hệ thống Hệ thống tưới cây tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi Việc tưới cây tự động sẽ làm tăng hiệu quả canh tác như: giảm thời gian lao động, ... của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào 6 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... 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 lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhất có thể Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy