Nghiên cứu, thiết kế kit điều khiển đo lường và điều khiển hệ thống tự động tưới đa năng cho nhà trồng hoa

Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HUẾ KHOA ĐIỆN - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KIT ĐIỀU KHIỂN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TƯỚI ĐA NĂNG CHO NHÀ TRỒNG HOA Khóa học 2011 - 2014 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾ KHOA ĐIỆN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KIT ĐIỀU KHIỂN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TƯỚI ĐA NĂNG CHO NHÀ TRỒNG HOA Sinh viên thực hiện: LÊ HỮU CƯỜNG Giáo viên hướng dẫn: Th.s LÊ ĐÌNH HIẾU(B) Lớp: 11CDDC01 Niên khoá: 2011 - 2014 Huế, tháng 05 năm2014 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÓA LUẬN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI PHUN THEO ĐA NĂNG 1.1 Giới thiệu công trình nghiên cứu hệ thống tưới phun Kỹ thuật tưới phun phương pháp tưới sử dụng nước hợp lý, tiết kiệm nước lượng, giúp nâng cao hiệu kinh tế, tăng suất lao động tăng suất trồng.Tưới phun phương pháp tưới cung cấp nước cho trồng dạng hạt mưa hạt sương rơi diện tích nhỏ xung quanh gốc trồng thiết bị gọi máy phun mưa Nguyên tắc phương pháp đưa lượng nước hạn chế tập trung vào vùng rễ thông qua hệ thống máy bơm, ống dẫn nước đầu phun để tạo thành mưa cục tưới cho loại trồng Các phương pháp tưới: - Tưới phun mưa: Kỹ thuật tưới phun mưa kỹ thuật đưa nước tới trồng vào mặt ruộng dạng mưa nhân tạo nhờ thiết bị tạo dòng phun mưa (tia mưa) thích hợp Phương pháp ngày phổ biến áp dụng rộng rãi, nước có cơng nghiệp phát triển Tưới phun mưa: Sử dụng máy bơm nước cột áp cao kèm theo ống dẫn mũi phun tạo mưa Đây phương pháp tưới đại có tác dụng nhiều mặt tạo độ ẩm cho đất làm mát cho cây, kích thích sinh trưởng cho đặc biệt tiết kiệm 30-50% khối lượng nước so với phương pháp tưới tràn theo rãnh - Tưới phun sương: tưới phun sương giải pháp điều hòa khơng khí , hoạt động dựa ngun tắc bốc nhanh Nước nén với áp suất cao qua vòi thiết kế đặc biệt , chuyển hóa thành dạng sương phân tử siêu mỏng với kích thước hạt sương nhỏ , khuếch tán vào khơng khí nóng xung quanh , khiến sương bốc Khi bốc nhanh sương hấp thu nhiệt làm giảm nhiệt độ mơi trường xung quanh từ – 7oC Để giảm nhiệt độ thời tiết nắng nóng nên lắp đặt hệ thống phun sương trước hiên nhà , cửa trước Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) vào nhà ,hoặc gia đình có sân vườn phun sương giải pháp tạo khơng gian thống mát Máy phun sương tạo áp suất cao cho nước để biến thể nước thành sương mù ẩm hạ nhiệt cho mơi trường, lắng bụi, tạo khơng khí mát mẻ dễ chịu Độ bền cao, vận hành êm không gấy tiếng ồn Phun sương phù hợp cho: nhà hàng, quán ăn, nhà máy dệt 1.2 Các phương pháp tưới thủ công bán thủ công - Phương pháp tưới rãnh Là phương pháp tưới để nước chảy theo rãnh thiết kế hàng Nước thấm dần vào đất cung cấp cho trồng Cách tưới tiết kiệm chủ động nước tưới cho vườn cây, lớp đất mặt tơi xốp, khơng bị gí chặt, kết cấu đất giữ vững, đất khơng bị bào mòn, chất dinh dưỡng khơng bị rửa trôi Đây phương pháp tưới thông dụng thường bà tưới cho nhiều vườn ăn nước Nhưng áp dụng với nơi có địa hình tương đối phẳng (độ dốcADC_value = (1024/5).2.73 = 559 (Dspic) V_in = 3.73V => ADC_value = (1024/5).3.73 = 764 (Dspic) V_in = 2.73V => ADC_value = (2047/5)*2.73 = 1118 (Psoc) V_in = 3.73 => ADC_value = (2047/5)*3.73 = 1527 (Psoc) Mặt khác ADC_value = cho điện áp tương ứng 4.9mV (dspic) 2.44mV (Psoc) Trong LM335 cho điện áp 10mV/K Nên để ADC _value thay đổi đơn vị nhiệt độ phải thay đổi : (4.9mV/10mV/K) = 0.5K (dspic) (2.44mV/10mV/K) = 0.244K (Psoc) Như ta có cơng thức tính đầy đủ độ C tương ứng cho Psoc Dspic: t = (ADC_value – 559)* (4.9mV/10mV) = (ADC_value – 559) * 0.49 (Đối với Dspic) + Tính giá trị điện trở đệm cho LM355 Muốn áp ứng với 10mV/oK phải cấp dòng cho từ 400uA đến 5mA, phải có điện trở đệm Nếu dùng nguồn áp 5V, dải đo từ 0-100 C => áp LM335 từ 2.73V đến 3.73V => áp rơi điện trở từ 2.27V đến 1.27V => chọn điện trở 1.5k nối 5V - 1,5k LM335 Do điện trở 1.5K khơng có nên ta dùng biến trở điện trở đệm 1.5K.Điều chỉnh giátrijij điện trở cho nhiệt độ với giá trị nhiệt độ mẫu 29 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 2.5.3 Cảm biến DS18B20 DS18B20 IC cảm biến nhiệt độ, bao gồm chân, đóng gói dạng TO-92 chân nhỏ gọn Đặc điểm DS18B20 sau: + Lấy nhiệt độ theo giao thức dây (1wire) + Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit, tùy theo sử dụng Trong trường hợp khơng config tự động chế độ 12 bit Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa 750ms cho mã hóa 12 bit +Có thể đo nhiệt độ khoảng -55 -> +125°C Với khoảng nhiệt độ -10°C to +85°C độ xác ±0.5°C,±0.25°C ,±0.125°C,±0.0625°C theo số bít config + Có chức cảnh báo nhiệt nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Người dùng lập trình chức cho DS18B20 Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo khơng bị mất nguồn có mã định danh 64 bit chứa nhớ ROM chip (on chip), giá trị nhị phân khắc tia laze + Cảm bien nhiệt DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, bạn kiểm tra nhiệt độ với nhiều IC DS18B20 mà dùng dây dẫn để giao tiếp với IC 30 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) Với DS18B20 bạn hồn tồn tạo cho mạch cảm biến nhiệt độ theo ý muốn + Điện áp sử dụng : – 5.5 V + Dòng tiêu thụ chế độ nghỉ nhỏ Tìm hiểu lệnh ROM liên quan đến DS18b20 - READ ROM (33h) Cho phép đọc byte mã khắc laser ROM, bao gồm: bit mã định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, bit kiểm tra CRC Lệnh dùng bus có cảm biến DS1820, khơng xảy xung đột bus tất thiết bị tớ đáp ứng - MATCH ROM (55h) Lệnh gửi với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép điều khiển bus chọn cảm biến DS1820 cụ thể bus có nhiều cảm biến DS1820 nối vào Chỉ có DS1820 có 64 bit ROM trung khớp với chuỗi 64 bit vừa gửi tới đáp ứng lại lệnh nhớ Còn cảm biến DS1820 có 64 bit ROM khơng trùng khớp tiếp tục chờ xung reset Lệnh sử dụng trường hợp có cảm biến dây, trường hợp có nhiều cảm biến dây - SKIP ROM (CCh) Lệnh cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến lệnh nhớ DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM Như tiết kiệm thời gian chờ đợi mang hiệu có cảm biến - SEARCH ROM (F0h) Lệnh cho phép điều khiển bus dò tìm số lượng thành viên tớ đấu vào bus giá trị cụ thể 64 bit ROM chúng chu trình dò tìm - ALARM SEARCH (ECh) Tiến trình lệnh giống hệt lệnh Search ROM, cảm biến DS1820 đáp ứng lệnh xuất điều kiện cảnh báo phép đo nhiệt độ cuối Điều kiện cảnh báo định nghĩa giá trị nhiệt độ đo lớn 31 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) giá trị TH nhỏ giá trị TL hai giá trị nhiệt độ cao nhiệt độ thấp đặt ghi nhớ cảm biến Sau thiết bị chủ (thường vi điều khiển) sử dụng lệnh ROM để định địa cho cảm biến dây đấu vào bus, thiết bị chủ đưa lệnh chức DS1820 Bằng lệnh chức thiết bị chủ đọc ghi vào nhớ nháp (scratchpath) cảm biến DS1820 khởi tạo trình chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo xác định chế độ cung cấp điện áp nguồn Các lệnh chức mơ tả ngắn gọn sau: - WRITE SCRATCHPAD (4Eh) Lệnh cho phép ghi byte liệu vào nhớ nháp DS1820 Byte ghi vào ghi TH (byte nhớ nháp) byte thứ hai ghi vào ghi TL (byte nhớ nháp) Dữ liệu truyền theo trình tự bit có ý nghĩa bit có ý nghĩa giảm dần Cả hai byte phải ghi trước thiết bị chủ xuất xung reset có liệu khác xuất - READ SCRATCHPAD (BEh) Lệnh cho phép thiết bị chủ đọc nội dung nhớ nháp Q trình đọc bit có ý nghĩa nhấy byte tiếp tục byte rhứ (byte - CRC) Thiết bị chủ xuất xung reset để làm dừng trình đọc lúc có phần liệu nhớ nháp cần đọc - COPYSCRATCHPAD (48h) Lệnh copy nội dung hai ghi TH TL (byte byte 3) vào nhớ EEPROM Nếu cảm biến sử dụng chế dộ cấp nguồn l bắt đầu việc đo - CONVERT T (44h) Lệnh khởi động trình đo chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số (nhị phân) Sau chuyển đổi giá trị kết đo nhiệt độ lưu trữ ghi nhiệt độ byte nhớ nháp Thời gian chuyển đổi không 200 ms, thời gian chuyển đổi thực lệnh đọc giá trị đọc - READ POWER SUPPLY (B4h) Một lệnh đọc tiếp sau lệnh cho biết DS1820 sử dụng chế độ cấp nguồn 32 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) nào, giá trị đọc cấp nguồn đường dẫn liệu cấp nguồn qua đường dẫn riêng b Cách config độ phân giải cho ds18b20 Sơ đồ nhớ ds18b20 33 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) Các byte thứ nhớ đệm có chức đăng ký cấu hình (config) cho ds18b20, bít tổ chức sau: Các bit từ đến đọc giá trị 1, bít số ln đọc giá trị Cấu hình độ phân giải cho ds18b20 định R1 R0 ta có bảng thiết lập sau c Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt ds18b20 - Sơ đồ sử dụng cảm biến 34 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) - Sơ đồ mắc nhiều cảm biến (Chúng ta cần dây để lấy mẫu nhiệt độ) d Đọc nhiệt độ Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ chân DQ kéo xuống mức thấp chuyển đổi xong mức cao.Như ta vào tượng để xác định chuyển đổi xong nhiệt độ Lưu ý phải dùng điện trở tầm 4.7k trở lên vào chân DQ treo lên nguồn sơ đồ mắc Dưới ví dụ mẫu đo nhiệt độ ds18b20 hiển thị LCD bạn tham khảo hiểu rõ sử dụng cảm biến Đồng thời tham khảo thêm datasheet ds18b20 2.6 Cảm biến đo độ ẩm khơng khí cảm biến đo độ ẩm đất 2.6.1.Cảm biến LM35 2.7 Thiết bị mạch điều khiển, mạch động lực Thiết bị bao gồm: ➢ Kit ATMEGA16 ➢ Công tắc tơ ➢ Domino ➢ Máy bơm nước 35 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) ➢ Đường ống dẫn nước ➢ Bộ nguồn biến áp cấp điện cho mạch điều khiển 2.8 Giới thiệu phần mềm codevision CodeVisionAVR - mơi trường phát triển tích hợp phần mềm cho vi điều khiển Atmel AVR Nó cung cấp hỗ trợ rộng rãi cho thiết bị AVR tạo đoạn mã nhỏ gọn hiệu CodeVisionAVR bao gồm thành phần sau: - Trình biên dịch ngơn ngữ C cho AVR; - Trình biên dịch hợp ngữ cho AVR; - Các máy phát điện mã chương trình ban đầu cho phép khởi tạo thiết bị ngoại vi; - Module giao tiếp với debug board STK-500; - Module tương tác với lập trình viên; - Terminal CodeVisionAVR cho tập tin đầu là: - HEX, BIN tập tin ROM để nạp vào thiết bị thơng qua lập trình; - COFF - file có chứa thơng tin cho trình gỡ lỗi; - OBJ - file Hiện nay, CodeVisionAVR bao gồm thư viện ví dụ sau đây: - Alphanumeric LCD modules for up to 4x40 characters; - Philips I²C Bus; - National Semiconductor LM75 Temperature Sensor; - Maxim/Dallas Semiconductor DS1621 Thermometer/Thermostat; - Philips PCF8563 and PCF8583 Real Time Clocks; - Maxim/Dallas Semiconductor DS1302 and DS1307 Real Time Clocks; - Maxim/Dallas Semiconductor Wire protocol; - Maxim/Dallas Semiconductor DS1820/DS18B20/DS1822 Wire Temperature Sensors; - Maxim/Dallas Semiconductor DS2430/DS2433 Wire EEPROMs; 36 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) - SPI; - MMC/SD/SD HC FLASH Memory Card drivers and FAT12, FAT16, FAT32 access libraries; - Power management; - Delays; - BCD and Gray code conversion Nó hỗ trợ hầu hết vi điều khiển Atmel AVR Phiên thêm hỗ trợ cho vi điều khiển với kernel ATxmega 2.9 Tổng kết chương Chương toàn sở lý thuyết để thiết kế Kit điều khiển cho tưới tự động theo nhiệt độ, độ ẩm thời gian + Chương tổng kết lại toàn sở thực tế cần cho q trình chăm sóc trồng Từ đó, dựa sở để thiết kế KIT điều khiển phù hợp với qua trình sinh trưởng phát triển trồng Chương giới thiệu linh kiện phần mềm để thiết kế,chế tạo KIT điều khiển cho hệ thống tưới tự động Giới thiệu toàn thiết bị cần thiết cho việc thiết kế lắp ráp KIT hồn chỉnh 37 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế kít Vi điều khiển AVR 3.1.1 Chíp điều khiển AVR Atmega16 Hình 4.Atmega 16 38 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 3.1.2 Mạch cảm biến nhiệt độ Mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng cảm biến DS18B20 với công nghệ truyền dây DS18B20 Hình 5.Bộ cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 39 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 3.1.3 Mạch cảm biến độ ẩm LM35 Hình Bộ cảm biến đo độ ẩm LM35 40 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 3.1.5 Mạch rơ le kích ngõ 3.1.6 Mạch giao tiếp thời gian thực DS1307 Hình 7.Bộ kích ngõ rơle 41 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 3.1.7 Mạch I/O nút ấn cài đặt 3.2 Thiết kế mạch động lực 3.2.1 Rơ le trung gian kích cơng tắc tơ 3.2.2 Mạch điều khiển van điện từ 3.2.3 Mạch điều khiển động bơm 3.3 Thiết kế, bố trí đường ống-vòi phun, bơm nước, cảm biến 3.4 Tổng kết chương CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết Kít vi điều khiển 42 Khóa luận tốt nghiệp SVTT: Lê Hữu Cường GVHD: Th.s Lê Đình Hiếu (B) 4.2 Kết mạch động lực 4.3 Kết thuật toán điền khiển 4.4 Đánh giá kết đạt 4.5 Thảo luận kiến nghị 43 ... CƠNG NGHIỆP HUẾ KHOA ĐIỆN - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KIT ĐIỀU KHIỂN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TƯỚI ĐA NĂNG CHO NHÀ TRỒNG HOA Sinh viên thực... dàng tự động hóa phần tồn phần hệ thống tưới, khí hố tự động hóa phần thiết bị điều khiển, thiết bị tưới mặt ruộng điều khiển toàn hệ thống từ xa theo chương trình lập sẵn nên tiết kiệm sức lao động. .. I TỔNG QUAN VỀ KHÓA LUẬN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI PHUN THEO ĐA NĂNG 1.1 Giới thiệu cơng trình nghiên cứu hệ thống tưới phun Kỹ thuật tưới phun phương pháp tưới sử dụng nước hợp lý,