Hệ thống khiển tự động phục vụ trong công nghiệp

Tài liệu tham khảo Hệ thống khiển tự động phục vụ trong công nghiệp

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 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng và các nước trên thế giới đang ngày càng áp dụng các kỹ thuật tiên tiến vào tất cả các lónh vực như: kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp v.v…. Với những quốc gia có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu, người ta luôn luôn tìm mọi cách để nâng cao năng suất đồng thời cố gắng giảm chi phí đầu tư đến mức có thể. Để đạt được hiệu quả trên, cần phải chủ động trong quá trình sản xuất nghóa là nhà sản xuất phải làm chủ được các yếu tố tác động trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của cây trồng mà trước đây chúng hoàn toàn phụ thuộc vào thiên nhiên. Những nông dân trước đây chỉ dừng ở “nước, phân, cần, giống” để đạt được năng suất cao, các yếu tố liên quan khác chỉ biết nhờ “trời”. Ngày nay, với việc ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ, nông dân càng có nhiều điều kiện hơn để chủ động trong quá trình sản xuất. Vì vậy một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề phụ thuộc quá nhiều vào các yếu tố do thiên nhiên tác động lên cây trồng là áp dụng nhà kính để sản xuất nông sản. Xu hướng này đang ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới do ưu điểm là làm chủ được các yếu tố tác động lên cây trồng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng thông gió, cường độ ánh sáng, v.v….Vấn đề được đặt ra là cần xây dựng hệ thống điện tử điều khiển tự động quá trình vận hành trong nhà kính sao cho các yếu tố tác động đến cây trồng đảm bảo được quá trình sinh trưởng một cách tối ưu. -1- 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: Đà Lạt là một đòa phương trồng rau và hoa nổi tiếng trong cả nước. Để có thể xuất khẩu và cung cấp cho cả nước những loại hoa đẹp và rau xanh cao cấp, các nhà vườn tại Đà lạt đã không ngừng áp dụng các biện pháp hữu hiệu, trong đó việc sử dụng nhà kính là một biện pháp được sử dụng nhằm khắc phục những yếu tố môi trường không có lợi tác động đến cây trồng như mưa đá, sự khác biệt nhiệt độ giữa ngày và đêm, độ ẩm cao trong những tháng mùa mưa . Vấn đề đặt ra: làm sao chúng ta có thể làm chủ được các chế độ trồng trọt hợp lý cho từng loại cây trồng một cách chính xác? Ngày nay, với sự phát triển của các vi mạch điện tử số, các bộ vi xử lý, các vi mạch logic lập trình được v.v… người ta đã tạo ra các hệ thống điều khiển tự động đáp ứng các yêu cầu đảm bảo môi trường trồng trọt phù hợp trong nhà kính. Đây là một bước phát triển mới trong việc áp dụng các thành tựu kỹ thuật công nghệ trong nông nghiệp. Những hệ thống thô sơ, trước đây chỉ sử dụng một số thiết bò cơ khí điều khiển bằng tay với tốc độ xử lý chậm, dần dần được thay thế bằng những hệ thống điều khiển tự động đạt tốc độ xử lý nhanh vớiø những hệ điện tử điều khiển bằng các chương trình. Một trong những thiết bò đáp ứng được yêu cầu đó là hệ thống điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính. II) GIỚI THIỆU VỀ NHÀ KÍNH: 1. Khái niệm nhà kính: Nhà kính là nơi có thể trồng một loại cây, một loại hoa, một loại rau nào đó theo ý muốn của người trồng. Đây là một nơi tương đối đặc biệt để trồng những hoa, quả trong môi trường do ta làm chủ. Có thể nói đây là một nơi người nông dân có thể trồng trọt tuỳ ý nghóa là có thể trồng trọt bất cứ 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 ) và nhà kính nóng( the hot greenhouse ) Nhà kính nóng thường giữ nhiệt độ thấp nhất là 18 o C. Người ta có thể chọn giữ nhiệt độ cao cần thiết, loại nhà kính này thường dùng để trồng các cây miền nhiệt đới. Ở đây cần phải nâng nhiệt độ làm nóng môi trường cũng như tăng độ chiếu sáng đáp ứng các đòi hỏi của các loại cây miền nhiệt đới. Nhà kính ấm thường có nhiệt độ nằm trong vòng 13 o C. Trong điều kiện ấm này, có thể thấy hầu hết các cây trồng ôn đới đều phát triển giống như trong tự nhiên. Với nhà kính này thường nhu cầu cần thiết là giữ độ sáng cũng là đảm bảo nhiệt độ phù hợp trong những mùa mưa (hoặc mùa đông). Nhà kính mát thường có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 4 o C đến 8 o C. Nhiệt độ trong khoảng này cần thiết cho nuôi cấy cây giống hoặc những giống cây trồng không đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để phát triển. Để giữ môi -4- Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp trường này ổn đònh cần thiết phải giảm độ sáng cũng như nhiệt độ trong 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 Hình 1.3: Thông gió trong nhà kính Do đó khi xây dựng nhà kính và hệ thống điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính cần phải quan tâm đến các yếu tố trên. 3. Đại lượng vật lý cần đo:  Nhiệt độ: Trong những thời điểm khác nhau, nhiệt độ trong nhà kính thay đổi. Nhiệt độ trong nhà kính có thể lên đến 60 - 70 o C trong mùa nắng (mùa hè) nếu không thông gió. Sử dụng hệ đo nhiệt độ giúp điều khiển được môi trường trong nhà kính. Khi biết nhiệt độ trong những ngày mưa lạnh (mùa đông), người ta sẽ biết lúc nào cần làm nóng lên môi trường trong nhà kính. Nông dân có thể sử dụng rất nhiều hệ đo nhiệt khác nhau. Có loại chỉ đo nhiệt độ chung trong nhà kính, có loại đo nhiệt độ lẫn độ ẩm và cũng có loại vừa đo nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp của nhà kính. Nông dân có thể điều khiển môi trường trồng cây thông qua hệ đo nhiệt. Hệ đo nhiệt độ tốt nhất là hệ cho ta biết nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, nó có thể giúp ta biết khi nào cần thông gió nhiều hơn và cho ta biết khi nào thì sức nóng chưa đủ. Vò trí đặt hệ đo cũng rất quan trọng. Nếu cây trồng đặt trên giàn giá thì tốt nhất hệ đo nhiệt được đặt ngay trên giàn giá. 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 kính để làm thay đổi thông lượng ánh sáng. 4. Các chức năng cần điều khiển:  Mở/đóng cửa: Các cửa liếp đặt gần mái nhà kính có khả năng mở/đóng giúp điều hoà nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính cũng như giúp thông gió trong nhà kính mà không tiêu thụ quá nhiều năng lượng.  Mở/đóng quạt: Một khi nhiệt độ tăng quá cao, độ ẩm vượt mức giới hạn, cần thiết phải có sự điều chỉnh tích cực hơn, mở/đóng quạt sẽ là phương án hợp lý tuy có phải tiêu tốn năng lượng nhiều hơn.  Tưới nước: Trong môi trường được điều khiển, cần phải tưới nước để cây trồng phát triển. Thông thường, nông dân sẽ dùng vòi tưới 'sương' để tưới cây trồng tại những vò trí cần thiết. -7- Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp Nên biết rằng mỗi loại cây trồng có một chế độ tưới cần thiết: khi nào, tại đâu và mức độ nào. Có loại cây trồng cần tưới đònh kỳ mỗi ngày 1 lần, có loại chỉ tưới rễ mà không được tưới lá vì khi lá dính nước sẽ bò thối rữa hoặc bò nấm mốc. Đôi khi thời điểm cần tưới nước là lúc đất mặt quanh cây trồng bắt đầu khô 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 (điện áp, dòng điện ) bằng những bộ "chuyển đổi" hoặc cảm biến chính xác và tin cậy trong lónh vực đo lường và điều khiển tự động. Có 2 loại biến đổi cơ bản là chủ động và thụ động. Chủ động là trực tiếp biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng khác không cần nguồn năng lượng bên ngoài kích thích. Thí dụ: cặp nhiệt điện, photodiode v.v -8- [...]... 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- Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gồm có bộ phận chính là một hệ đo cơ bản (nhiệt...Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp Thụ động là không trực tiếp biến đổi năng lượng mà phải được điều khiển từ nguồn năng lượng khác Thí dụ là cảm biến nhiệt bán dẫn, cầu điện trở v.v Trong một hệ điều khiển, cảm biến thường nằm ở phần đầu của hệ 1 Chức năng hệ điều khiển tự động: Hầu hết các hệ điều khiển tự động có hai chức năng chính: Cung cấp cho... Khối Điều khiển Hình 1.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển -11- Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp PHẦN 2: SƠ LƯC VỀ NHỮNG LINH KIỆN ĐÃ CHỌN ĐỂ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I GIỚI THIỆU CHUNG Bộ vi điều khiển (Micro-controller) là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến... 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... đó Trong các thiết bò điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công. .. BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ: 1 – Sơ lược: -30- Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp Ngày nay việc truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thò phần lớn được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự như: nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý... 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- Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp +5V +5V 100 10UF 8,2K Hình 2.4: Mạch Reset hệ thống Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 89C51 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau: (a) Thanh ghi Đếm chương trình Tích lũy B... nhớ mở rộng -16- Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp RST (Reset) : Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 89C51 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 89C51 được tải những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống - Các ngõ vào bộ dao động: Như đã thấy trong các hình trên, 89C51 có một bộ dao động trên chip Nó thường được nối với thạch... 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 INT1 INT0 TIMER2 TIMER1 Điều khiển ngắt Các thanh ghi khác EEPROM 128 byte RAM 4KBytes Timer1 Timer2 CPU tạo dao động động Điều khiểu bus EA\ RST PSEN ALE Các... giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài Trong vi điều khiển 89C51 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi : Bộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình -14- T1* T2* Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí Khi CPU làm việc, nó làm thay đổi nội