Nghiên cứu và thiết kế: “ Hệ Thống Tưới Cây Tự Động ”

MỤC LỤCLỜI CẢM ƠNiLỜI CAM ĐOANiiDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆUvDANH MỤC CÁC HÌNHviLỜI MỞ ĐẦU11. Tính cấp thiết của đề tài12. Lý do chọn đề tài23. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu34. Kết cấu đồ án4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG51.1. Khái niệm hệ thống tự động51.2. Vị trí và tầm quan trọng của hệ thống tự động51.3. Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng.61.4. Một số hệ thống tưới cây tự động trên thị trường61.5. Các loại vòi tưới và van điện tử8CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG92.1. Vi điều khiển AT89S5292.1.1. Sơ đồ của vi điều khiển AT89S5292.1.2. Cấu trúc của vi điều khiển AT89S52112.1.3. Các bộ timer của AT89S52122.1.4. Điều khiển ngắt (INTERRUPT) của AT89S52132.2. Đồng hồ thời gian thực DS1307132.3. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm152.4. Màn hình LCD182.5. Rơ le (relay)202.6. Tụ điện212.7. Cuộn cảm222.8. Điện trở232.9. Điot24CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN253.1. Xây dựng bài toán263.2. Thiết kế mạch điều khiển283.2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển tưới cây283.2.2. Các khối trong mạch293.2.2.1 Khối nguồn nuôi293.2.2.2 Khối giao tiếp Rơle 5V293.2.2.3 Khối giao tiếp LCD303.2.2.4 Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm303.2.2.5 Khối giao tiếp I2C DS1307313.2.2.6 Khối nút bấm313.3.2. Mạch in323.3.3. Thiết kế phần mềm333.3.4. Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển.353.3.4. Mạch sau khi chạy mô phỏng bằng phần mềm Proteus.363.3.5. Mạch thực tế sau khi chạy thử36KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI38TÀI LIỆU THAM KHẢO39PHỤ LỤC40

LỜI CẢM ƠN

Kính thưa quý thầy cô!

Để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơncác thầy, các cô giáo trong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã nhiệt tìnhgiảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử , đặcbiệt là ThS Nguyễn Thị Minh Tâm – người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ emhoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, gia đình đã động viên vàgiúp đỡ em rất nhiều để em hoàn thành được công việc của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

NGUYỄN DUY KHÁNH

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em có tham khảo một số tàiliệu liên quan đến hệ thông tưới cây tự động

Em xin cam đoan đề tài này là do chính em thực hiện, các số liệu thuthập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất

kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào Những thông tin tham khảo trong khóaluận đều được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng

Ngày 15 tháng 4 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Duy Khánh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Lý do chọn đề tài 2

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 3

4.Kết cấu đồ án 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 5

1.1.Khái niệm hệ thống tự động 5

1.2.Vị trí và tầm quan trọng của hệ thống tự động 5

1.3.Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng 6

1.4.Một số hệ thống tưới cây tự động trên thị trường 6

1.5 Các loại vòi tưới và van điện tử 8

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 9

2.1 Vi điều khiển AT89S52 9

2.1.1 Sơ đồ của vi điều khiển AT89S52 9

2.1.2 Cấu trúc của vi điều khiển AT89S52 11

2.1.3 Các bộ timer của AT89S52 12

2.1.4 Điều khiển ngắt (INTERRUPT) của AT89S52 13

2.2 Đồng hồ thời gian thực DS1307 13

2.3 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm 15

2.4 Màn hình LCD 18

2.5 Rơ le (relay) 20

2.6 Tụ điện 21

2.7 Cuộn cảm 22

2.8 Điện trở 23

2.9 Điot 24

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 25

3.1 Xây dựng bài toán 26

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 28

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển tưới cây 28

3.2.2 Các khối trong mạch 29

3.2.2.1 Khối nguồn nuôi 29

3.2.2.2 Khối giao tiếp Rơle 5V 29

3.2.2.3 Khối giao tiếp LCD 30

3.2.2.4 Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm 30

3.2.2.5 Khối giao tiếp I2C DS1307 31

3.2.2.6 Khối nút bấm 31

3.3.2 Mạch in 32

3.3.3 Thiết kế phần mềm 33

3.3.4 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 35

3.3.4 Mạch sau khi chạy mô phỏng bằng phần mềm Proteus 36

3.3.5 Mạch thực tế sau khi chạy thử 36

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤ LỤC 40

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Viết tắt Viết đầy đủ tiếng Anh Viết đầy đủ tiếng Việt

MCU Microcontroller Unit Bộ vi điều khiển

AC Alternating Current Dòng điên xoay chiều

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống tưới rau bằng điện thoại 7

Hình 1.2: Hệ thống tưới phun tự động đa năng 8

Hình 1.3: Các loại van điện tử 8

Hình 1.4: Các loại van tưới nước 8

Hình 2.1 : Sơ đồ chân của VĐK AT89S52 9

Hình 2.2 : Sơ đồ khối của VĐK AT89S52 10

Hình 2.3: Cấu tạo chip DS1307 14

Hình 2.4: Ghép nối DS1307 với VĐK 14

Hình 2.6: Sơ đồ kết nối vi điều khiển 15

Hình 2.7: Sơ đồ chân và kết nối LCD với VĐK 19

Hình 2.8: Rơ le 5V và sơ đồ các chân 20

Hình 2.9: Ký hiệu và hình dạng thực tế của tụ hóa 22

Hình 2.10 : Ký hiệu và hình dạng thực tế của tụ gốm 22

Hình 2.11: Ký hiệu và hình ảnh thực tế cuộn dây 23

Hình 2.13: Ký hiệu điện trở 23

Hình 2.14: Các loại điện trở có giá trị cố định 24

Hình 2.15: Điot 24

Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mạch điều khiển 25

Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý 28

Hình 3.3: Khối nguồn nuôi 29

Hình 3.4: Khối Rơle 29

Hình 3.5: Khối LCD 30

Hình 3.7: Khối giao tiếp I2C DS1307 31

Hình 3.8: Khối nút nhấn 31

Hình 3.9: Mạch in sau khi thiết kế 32

Hình 3.10: Mạch in hiển thị dưới dạng 3D 33

Hình 3.11: Giao diện của phần mềm Keil 34

Hình 3.12 :Lưu đồ thuật toán hệ thống tưới cây tự động 35

Hình 3.13: Mạch sau khi chạy mô phỏng 36

Hình 3.14: Mạch thực tế sau khi thiết kế và chạy thử 37

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn còn là nền nông nghiệplạc hậu, ứng dụng khoa học kĩ thuật chưa được áp dụng nhiều vào thực tế.Rất nhiều quy trình chăm sóc, kĩ thuật trồng trọt được tiến hành một cáchchủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nônghọc ngoài chăm sóc, những kĩ thuật trồng trọt thì “tưới nước là một trongnhững khâu quan trọng nhất trong trồng trọt”

“Hiện nay rau sạch đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu khitrên thị trường rau quả, người tiêu dùng luôn phải đối mặt với các loại rau

củ quả có sử dụng dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc kích thích, vi khuẩn, hóachất gây bệnh…bởi lẽ đằng sau đó là sự lo lắng về chất lượng, về sứckhoẻ cho bản thân và gia đình Trước thực trạng đó, nhiều hộ gia đình đã

áp dụng các phương pháp trồng rau sạch trong nhà, nhưng để chăm sócđược rau đảm bảo được các tiêu chuẩn về an toàn thì lại rất tốn thời gian

và công sức.”

Ngoài ra trên nhiều tuyến đường trong thành phố, chúng ta vẫn bắtgặp hình ảnh các xe chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an toàngiao thông

Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa,hiện đại hóa các thiết bị tự động hóa được đưa vào phục vụ thay thế sứclao động của con người Vì vậy thiết bị tưới cây đang được nghiên cứu,thiết kế, chế tạo được áp dụng ngày càng nhiều vào thực tiễn “Thiết bịtưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun sương, phun mưa, vòi nhỏgiọt bù áp, không bù áp, tưới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụcho các loại cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Hàn Quốc,Israel, Trung Quốc, Đài Loan , sẽ rất thuận tiện giúp cho người sử dụng

các thông số để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tướicho từng loại cây theo nông học và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuậtcho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệthống tưới này Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm không khí, độ ẩm gốc

và độ ẩm lá cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước giúp tăngnăng suất, tăng chất lượng sản phẩm, tạo điều kiện cho cây trồng hấp thudinh dưỡng không gây rửa trôi, không gây ô nhiễm môi trường, thoái hóađất Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với phun thuốc hóa học,bón phân Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽgiúp cho chúng ta tiết kiệm thời gian tưới cây, tiết kiệm chi phí nhân côngtưới nước và không cần phải giám sát thời gian tưới cây Với hệ thốngnày, 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 đượcđưa 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 sẽđược sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chínhxác hơn Vì vậy việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tưới nước có ýnghĩa rất quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ độ ẩm, kiểm soát tỷ lệ cácchất dinh dưỡng cũng như nồng độ các chất bảo vệ thực vật phun tới câyrau để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng vàtưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạnchế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao.”(Forum nông học 2013)

2 Lý do chọn đề tài

Hệ thống tưới tự động (tưới nhỏ giọt, phun sương…) là hệ thống thiết bịtưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụngrộng trên các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tướinước 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 việcvận dụng hệ thống này mới trở thành xu hướng Hệ thống tưới nước tự độngcũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trìnhhiện đại hóa nông nghiệp nông thôn nhưng không phải người dân nào cũngmạnh dạn đưa vào sử dụng vì chi phí đầu tư cao

Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộcsống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi vàhiện đại Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móchiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chínhxác cao

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trongnhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bịđiều khiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộkhông ngừng của các lĩnh vực này Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay cònphụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canhtác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thìnhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao Do đócần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển đượccác thông số của môi trường như : nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡngcung 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 thiết kế: “ Hệ Thống Tưới Cây Tự Động ”.

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu về các phương pháp tưới cây

nhằm thiết kế ra mô hình hệ thống tưới cây tự động, từ đó ứng dụng vàothực tiễn giúp cho việc tưới cây đạt hiệu quả cao và giúp cho việc trồngtrọt ở nước ta có những phương án mới

Nhiệm vụ nghiên cứu: Để thực hiện được những mục tiêu trên, em

xác định cho mình những nhiệm vụ sau đây:

Thứ nhất, nghiên cứu về các công trình nghiên cứu các thế hệtrước, tìm hiểu các hệ thống tưới cây hiện đang có trên thị trường, từ đóđánh giá những ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống

Thứ hai, nghiên cứu về phần mềm lập trình và mô phỏng trên máytính

Thứ ba, tiến hành làm mô hình, thử nghiệm mô hình nhiều lần,kiểm tra lỗi và từ đó hoàn thiện hệ thống

4 Kết cấu đồ án

Đồ án được bố cục thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống tưới cây tự động

Chương 2: Giới thiệu các phần tử trong hệ thống tưới cây tự động

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.1 Khái niệm hệ thống tự động

Hệ thống tự động là hệ thống bao gồm quá trình thu thập thông tin, xử lýthông tin và tác động lên hệ thống để điều khiển các quá trình xảy ra trong thiênnhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người

Hiện nay, hệ thông tự động rất phổ biến, nó xuất hiện trong nhiều lĩnhvực Có thể kể đến 1 số hệ thống tự động rất phổ biến hiện nay:

 Hệ thống quạt, điều hòa, tủ lạnh

 Hệ thống báo chuông giờ học

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 nghệvật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội pháttriển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mấu chốtcủa năng suất, chất lượng, giá thành Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóavào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ, cho phép giảm giá thành

và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường độcao 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 laigần tự động hóa sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nókhông chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sống conngười 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.

Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới tiêu, song nó chỉphát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuynền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tướicây vẫn còn rất chậm Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đangphát triển đã đưa dần tự động hóa vào đời sống vào sản xuất, đặc biệt là cácnước Đông Nam Á trong đó có Việt Nam Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽcủa công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong côngnghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tựđộng hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếucho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào

1.4 Một số hệ thống tưới cây tự động trên thị trường

Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vàotrong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống tưới cây bán tự độnggiúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiênnhững hệ thống này vẫn còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiểuquả cao nhất có thể

Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thốngtưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chếcần khắc phục

Một số hệ thống ở Việt Nam

“Hệ thống tưới rau bằng điện thoại: Bằng cách soạn tin nhắn thông

thường, nội dung là mã code và gửi tới hộp điều khiển, sau 10 giây, các bécnước bắt đầu hoạt động Đó là sáng kiến tưới rau bằng nhắn tin điện thoại độcnhất của anh Bùi Ngọc Minh Tâm ở TP.HCM giúp trồng rau sạch tại nhà Nếuđiều khiển bằng tay nông dân chỉ cần bấm nút là có thể bơm được Còn khi

không ở nhà nông dân muốn tưới rau thì có thể tưới bằng cách soạn tin nhắntheo cú pháp rồi gửi yêu cầu, tủ điều khiển sẽ phản hồi lại và thực hiện thao táctưới rau như yêu cầu của tin nhắn.”

Hình 1.1: Hệ thống tưới rau bằng điện thoại

“Hệ thống tưới phun tự động đa năng - một công trình khoa học của 2

giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận vàthạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng nàygồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tạinhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7- 1200 Khi cáccảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khí tại nhà màng báohiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chứcnăng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phunthe các vòi phun lắp đặt, và sẽ tự ngừng trong đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ

ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sảnphẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực và đã được thử nghiệm có

Hình 1.2: Hệ thống tưới phun tự động đa năng

1.5 Các loại vòi tưới và van điện tử

Hình 1.3: Các loại van điện tử

Hình 1.4: Các loại van tưới nước

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

2.1 Vi điều khiển AT89S52

2.1.1 Sơ đồ của vi điều khiển AT89S52

Hình 2.1 : Sơ đồ chân của VĐK AT89S52

Chip AT89S52 có đặc điểm sau:

- 8K Byte bộ nhớ chương trình trên chip

- Dao động với thạch anh bên ngoài trong khoảng từ 0Hz đến 24Mhz

- Bộ nhớ RAM dùng cho dữ liệu 256 Byte

- 32 đường dẫn vào/ra lập trình được

- 3 Timer/ Counter 16 bit Timer 0,1,2 Timer 2 có các chức năng

Capture/Compare

- 8 nguồn ngắt

- Nạp chương trình song song hoặc nạp nối tiếp qua đường SPI

Hình 2.2 : Sơ đồ khối của VĐK AT89S52

2.1.2 Cấu trúc của vi điều khiển AT89S52

- AT89S52 có tất cả 40 chân

Chức năng của các chân vi điều khiển:

 P1.0 đến P1.7 (Chân 1 đến chân 8): Đây là chân vào/ra hai hướng của cổng 1 với một điện trở kéo lên dương nguồn đã đặt sẵn trên chip

 Chân RST (Chân 9) : là lối vào Reset Lối vào thường được sử dụng

xóa vi điều khiển về trạng thái ban đầu hoặc khởi động lại

 P3.0 (Chân 10): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này cũng hoạt động như mộtlối vào nhận dữ liệu (RxD) khi vi điều khiển được sử dụng như một bộtruyền nhận không đồng bộ (UART) để nhận dữ liệu nối tiếp

 P3.1 (Chân 11): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này cũng hoạt động như mộtlối ra truyền dữ liệu (TxD) khi vi điều khiển được sử dụng như một bộtruyền nhận không đồng bộ (UART) để truyền dữ liệu nối tiếp

 P3.2 (Chân 12): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này cũng là chân ngắt ngoài

có số hiệu là 0 (INT0)

 P3.3 (Chân 13): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này cũng là chân ngắt ngoài

có số hiệu là 1 (INT1)

 P3.4 (Chân 14): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này là chân lối vào của bộđếm T0

 P3.5 (Chân 15): Đây là chân vào/ra hai hướng với một điện trở kéo lên

dương nguồn đã đặt sẵn trên chip Chân này là chân lối vào của bộđếm T1

 P3.6 (Chân 16): Đây là chân vào/ra hai hướng Đây là chân ghi vào bộ

nhớ ngoài (WR)

 P3.7 (Chân 17): Đây là chân vào/ra hai hướng dùng cho bit 7 của cổng

3 Chân này là chân đọc bộ nhớ dữ liệu bên ngoài (RD)

 XTAL1 và XTAL2 (Chân 18 và 19): Hai chân này được dùng để nối với

một bộ cộng hưởng thạch anh ở bên ngoài để tạo nên một bộ dao độngbên trong vi mạch

 GND (Chân 20): Chân nối đất

 P2.0 đến P2.7 (Chân 21 đến chân 28): Đây là 8 chân vào/ra của cổng 2

vi điều khiển Các chân này có các điện trở nối lên nguồn dương

 PSEN ( Chân 29): Đây là chân cho phép lưu trữ chương trình trên các

vi điều khiển 8051 chuẩn Chân này được kích hoạt khi vi điều khiểnthực thi các mã lệnh từ bộ nhớ bên ngoài

 ALE/PROG (Chân 30): Đây là chân cho phép chốt địa chỉ trên các vi

điều khiển 8051 chuẩn Chân này được sử dụng để chốt thấp (LOW)của địa chỉ trong khi truy cập đến bộ nhớ ngoài

 EA/VPP (Chân 31): Đây là chân cho phép truy cập bên ngoài Chân

EA phải được nối với nguồn VCC khi thực thi chương trình bên ngoài

 P0.0 đến P0.7 (Chân 39 đến chân 32): Đây là 8 chân vào/ra của cổng 0

của vi điều khiển Các chân này không có các điện trở nối lên dươngnguồn

 VCC (chân 40) : Nguồn nuôi vi điều khiển, nối với nguồn dương.

2.1.3 Các bộ timer của AT89S52

Bộ vi điều khiển AT89S52 có 3 bộ Timer 16 bit đó là: Timer0,Timer1, Timer2

Người ta sử dụng các timer để:

 Định khoảng thời gian

 Đếm sự kiện

 Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 89S52.

Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ởnhững khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer Cờ được dùng để đồng bộ hóachương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các ngõ vàohoặc gửi sự kiện ra các ngõ ra Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xungnhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ đo độrộng xung)

2.1.4 Điều khiển ngắt (INTERRUPT) của AT89S52

Một ngắt là sự xảy ra một điều kiện, một sự kiện mà nó gây ra treo tạmthời chương trình chính trong khi điều kiện đó được phục vụ bởi một chươngtrình khác

Các ngắt đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế và cài đặt các ứngdụng vi điều khiển Chúng cho phép hệ thống đáp ứng bất đồng bộ với một sựkiện và giải quyết sự kiện đó trong khi một chương trình khác đang thực thi

Vi điều khiển AT89S52 chuẩn có 6 nguồn ngắt, cụ thể là:

 Hai ngắt ngoài (INT1 và INT0)

có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày,tháng, năm Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56thanh ghi trống có thể dùng như RAM DS1307 được đọc và ghi thông qua giao

diện nối tiếp I2C (TWI của AVR) nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản DS1307 ởSOIC và DIP có 8 chân như trong hình 2.2

- V BAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip

- GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc

- Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển.Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được)

- SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần

số của xung được tạo có thể được lập trình Như vậy chân này hầu như khôngliên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏtrống chân này khi nối mạch

- SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C

Ghép nối DS1307 với vi điều khiển

Việc ghép nối DS1307 với vi điều khiển bằng một mạch điện đơn giảnnhư trong hình sau:

Nó có cấu tạo gồm 4 chân như hình :

-Chân 1: Chân nối nguồn VCC

-Chân 2: Chân dữ liệu để giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn 1 dây.-Chân 3: Chân NC (No connect)

-Chân 4: Chân GND nối đất

Sơ đồ kết nối vi xử lý:

Hình 2.6: Sơ đồ kết nối vi điều khiển

- Nguyên lý hoạt động:

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theobước:

 Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại

 Khi đã giao tiếp được với DHT11, cảm biến sẽ gửi 5 byte dữ liệu và nhiệt

độ đo được

- Bước 1: Gửi tín hiệu Start

 MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trongkhoảng thời gian >18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ

và độ ẩm

 MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

 Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us

mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được vớiDHT11

 Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên caotrong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được cógiao 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 Trong đó:

 Byte 1 : giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

 Byte 2 : giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

 Byte 3 : giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

 Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

 Byte 5 : kiểm tra tổng

 Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm vànhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 vềMCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của nhiệt độ và độ ẩm

 Bit 0:

 Bit 1:

Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU đượcDHT11 kéo lên 1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếutồn tại 70us là 1 Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đódelay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là

1 thì ta đọc được bit 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo

2.4 Màn hình LCD

Trong đồ án này, em sử dụng LCD 16x4 vì nó có màn hình rộng, hiển thịđược nhiều thông số, thuận tiện cho việc tùy chỉnh cài đặt tự động Màn hìnhLCD đã rất phổ biến trên thị trường Sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2,5 đến5V) LCD hoạt động ở 2 chế độ 4 bít và 8 bít

Hình 2.7: Sơ đồ chân và kết nối LCD với VĐK

LCD16x4 được ghép nối thông qua Port P2 (từ P2.0 đến P2.7 không sửdụng P2.3) P2.0 nối với chân RS, P2.1 nối chân R/W, P2.2 nối chân E và chânP2.4 đến P2.7 là chân dữ liệu vào

Trong đó:

-VSS : Chân nối đất-VDD: Chân nối nguồn 5VDC-VEE: Chân chọn độ tương phản , chân này được nối với 1 biến trở 10k 1đầu nối VCC, 1 đầu nối mass để tùy chỉnh độ tương phản cho màn hình LCD

- Chân chọn thanh ghi RS, có 2 chế độ chọn thanh ghi+ RS=0 ở chế độ ghi lệnh vào LCD như xóa màn hình, bật tắt con trỏ,vv

+ RS=1 ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị kí tự, chữ, số lên màn hình

-Chân chọn chế độ đọc/ghi R/W: cho phép người dùng ghi thông tin lênLCD R/W=0 hoặc đọc thông tin LCD R/W=1.

-Chân cho phép E (Enable): Khi có 1 tín hiệu được đưa lên chân dữ liệu,khi có 1 xung từ mức cao đến mức thấp (xung cho phép) của chân E thì các lệnhđược chấp nhận

-Chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

2.5 Rơ le (relay)

Rơ le (relay) là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện Nói là mộtcông tắc vì rơ le có 2 trạng thái ON và OFF Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụthuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không

Cấu tạo tụ gốm Cấu tạo tụ hóa

- Điện dung chỉ khả năng tích điện của tụ điện

Hình 2.9: Ký hiệu và hình dạng thực tế của tụ hóa

-Tụ điện không phân cực (tụ gốm): Là tụ không qui định cực tính,

Đại lượng đặc trưng cho cuộn cảm:

- Hệ số tự cảm đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ của ống dây đốivới sự biến thiên từ thông do chính sự thay đổi dòng điện qua mạch

Hình 2.11: Ký hiệu và hình ảnh thực tế cuộn dây

- Cuộn dây lõi sắt bụi (Ferrite): thường sử dụng trong mạch điện

có tần số cao.” (Trần Văn Thiệt, Phạm Duy Phương, Bùi Quốc Trưởng, 6)

Đặc điểm: Các loại điện trở có một giá trị cố định được thể hiện qua các

vòng màu, thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu, điện trở chính xác thì ký hiệu

bằng 5 vòng mầu.” (Trần Văn Thiệt, Phạm Duy Phương, Bùi Quốc Trưởng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Thiết kế bộ điều khiển có chức năng điều khiển đóng ngắt các thiết bị tựđộng thông qua cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11)

Hệ thống thiết kế gồm 6 khối:

 Khối MCU sử dụng chip AT89S52

 Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

 Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD

 Khối thời gian thực sử dụng DS1307

 Khối điều khiển đóng/ngắt thiết bị sử dụng Relay 5VDC

 Khối nguồn nuôi 5VDC

Sơ đồ khối của mạch điều khiển

Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mạch điều khiển

Khối xử lýtrung tâmAT89C55

Khối cảm biến nhiệt

độ và độ ẩm DHT11

Khối hiển thị LCDKhối thời gian

Chức năng của từng khối:

 Khối vi điều khiển : Sử dụng vi điều khiển AT89S52 được lập trình đểđiều khiển toàn bộ hoạt động của mạch

 Khối hiển thị: Là LCD 4 dòng 16 cột để hiển thị thời gian thực, nhiệt độ,

độ ẩm và các thiết lập khác

 Khối thời gian thực: sử dụng DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực

 Khối nguồn nuôi: Là khối tạo ra điện áp 5VDC cung cấp dòng nuôi viđiều khiển và toàn bộ linh kiện trong mạch

 Khối đóng/ngắt thiết bị điện: dùng để đóng ngắt thiết bị điện khi nhận tínhiệu điều khiển từ vi điều khiển AT89S52 sử dụng Relay 5VDC

3.1 Xây dựng bài toán

Việc tưới cây tự động sẽ làm tăng hiệu quả canh tác như: giảm thời gianlao động, tiết kiệm nước, tăng năng suất cho cây trồng Tuy nhiên để đạt đượchiệu quả cao nhất cần tính toán đến đặc tính từng loại cây trồng và đặc tính đấtđai của từng vùng

Như vậy thiết kế hệ thống tưới cây tự động sẽ bao gồm:

- Nguồn cấp nước cho hệ thống

- Chế độ thủ công:

+ Nhiệt độ > 35oC( Nhiệt độ tối đa), chọn chu kỳ tưới mong muốn(thời gian lặp lại quá trình làm mát nếu nhiệt độ vẫn cao, còn nhiệt độthấp hơn nhiệt độ tối đa hệ thống sẽ dừng lại) và thời gian tưới theokhoảng độ ẩm hiện tại

 Độ ẩm < 65% : phun sương 10 phút

 Độ ẩm < 75% : phun sương 5 phút

 Độ ẩm < 85% : phun sương 3 phút

 Độ ẩm >90% : ngừng tướiTất cả các thông số trên đều có thể tùy chỉnh bởi người sử dụng tùy theocách sử dụng của từng người, tùng vùng và từng thời tiết khác nhau

2 Thiết kế bộ hẹn giờ tưới

Đến giờ được cài đặt, bơm sẽ tự bật lên, tùy chọn van để mở, có thể chọn

mở van theo từng khu vực và tùy thuộc vào khoảng độ ẩm sẽ quyết định thờigian đóng bơm

3 Chế độ tưới theo ngày

Do có nhiều loại cây có không ưa nước, mà ưa hạn, nên em thiết kế thêmchế độ tưới theo ngày, ta có thể tùy chọn được những ngày cần tưới trong tuần

và những ngày hệ thống ngừng hoạt động

3.2 Thiết kế mạch điều khiển

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển tưới cây

Sử dụng phần mềm Altium để thiết kế sơ đồ bố trí mạch

Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý

3.2.2 Các khối trong mạch

3.2.2.1 Khối nguồn nuôi

Hình 3.3: Khối nguồn nuôi

- Khối nguồn sử dụng IC LM2576 –T cho điện áp ra cố định 5V Đây là

IC làm việc ổn định, cho dòng điện đầu ra lớn, lên tới 3A

- Khi cấp nguồn cho mạch, không thể tránh khỏi việc không cấp đượcđiện áp liên tục cho mạch, vì vậy các tụ C2(1000uF/25V) và C4(104) có nhiệm

vụ bù đắp điện áp cho mạch, tránh hiện tượng mạch bị reset liên tục khi hoạtđộng

- Cuộn cảm L1 và tự C3(470uF) và C1(104) có chức năng lọc điện áp đầu

ra, tạo điện áp ổn định 5V

- Diode IN4004 để bảo vệ mạch khi LM2576 hỏng

3.2.2.2 Khối giao tiếp Rơle 5V

Hình 3.4: Khối Rơle

- Sử dụng Rơle 5V/10A – 250VAC , cho phép cường độ dòng điện tối đa

qua tiếp điểm rơ le với hiệu điện thế nhỏ hơn 250 V xoay chiều là 10A

3.2.2.3 Khối giao tiếp LCD

Hình 3.5: Khối LCD