Đề tài Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động

 i
 MỤC LỤC
MỤC LỤC..........................................................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ......................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................v
LỜI CẢM ƠN...................................................................................vi
MỞ ĐẦU.........................................................................................vii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ 
ĐỘNG................................................................................................1
1.1. Khái niệm về hệ thống tự động ..................................................................1
1.2. Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất .......................................1
1.3. Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng.........................2
1.4. Các dạng chính của hệ thống tưới tự động.................................................2
1.5. Các nghiên cứu ở nước ngoài...................................................................11
1.6. Các nghiên cứu trong nước ......................................................................12
1.7. Quy trình công nghệ.................................................................................12
1.8. Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung .........................................................13
1.9. Kết luận chương 1 ....................................................................................13
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG ..14
2.1 Xây dựng sơ đồ khối .................................................................................14
2.2 Chức năng của từng khối...........................................................................15
 2.2.1. Khối vi điều khiển PIC 18F4520 .......................................................15
 2.2.2. Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.......................................................21
 2.2.3. Khối hiển thị thời gian thực Ds1307..................................................25
 2.2.4. Khối hiển thị LCD..............................................................................29
 2.2.5. Khối nguồn sử dụng LM2576 ............................................................31
 2.2.6. Khối tạo dao động ..............................................................................32
2.3. Giao thức I2C ...........................................................................................32 ii
 2.3.1. Giới thiệu............................................................................................32
 2.3.2. Đặc điểm giao tiếp I2C ......................................................................32
 2.3.3. Chế độ hoạt động (tốc độ truyền).......................................................34
 2.3.4. Tín hiệu START và STOP. ................................................................36
2.4. Lưu đồ thuật toán .....................................................................................37
2.5. Kết luận chương 2 ....................................................................................38
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ............39
3.1. Mô hình thực nghiệm ...............................................................................39
 3.1.1. Sơ đồ nguyên lí ..................................................................................39
 3.1.2. Sơ đồ mạch in và mạch thực tế ..........................................................40
3.2. Đánh giá và kết luận.................................................................................42
 3.2.1. Kết quả đạt được ................................................................................42
 3.2.2. Kết luận chương 3 ..............................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................45
PHỤ LỤC ........................................................................................46 iii
 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Hệ thống tưới nước phun mưa .........................................................2
Hình 1. 2. Hệ thống tưới nước phun xương .....................................................2
Hình 1. 3. Hệ thống tưới nước nhỏ giọt ...........................................................2
Hình 1. 4. Hệ thống tưới nước cảnh quan, cây cỏ ............................................2
Hình 2. 1. Sơ đồ khối của hệ thống tưới nước tự động .....................................2
Hình 2. 2. Sơ đồ chân của PIC 18F4520 ..........................................................2
Hình 2. 3. Tổ chức bộ nhớ chương trình ..........................................................2
Hình 2. 4. Bộ nhớ dữ liệu RAM .......................................................................2
Hình 2. 5. Cảm biến LM35 ..............................................................................2
Hình 2. 6. Cảm biến HS1101 ...........................................................................2
Hình 2. 7. Chip cảm biến SHT10 .....................................................................2
Hình 2. 8. Cảm biến SHT10 .............................................................................2
Hình 2. 9. Sơ đồ chân của SHT10 ....................................................................2
Hình 2. 10. Sơ đồ ghép nối MCU với SHT10 ..................................................2
Hình 2. 11. Sơ đồ chân của Ds1307 .................................................................2
Hình 2. 12. Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của Ds1307 .................................................2
Hình 2. 13. Tổ chức bộ nhớ của các thanh ghi thời gian của Ds1307 ..............2
Hình 2. 14. Khối hiển thị LCD .........................................................................2
Hình 2. 15. Sơ đồ chân của LM2576 ...............................................................2
Hình 2. 16. Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn .................................2
Hình 2. 17. Trình tự truyền bit trên đường truyền.............................................2
Hình 2. 18. Tín hiệu Start và Stop ....................................................................2
Hình 2. 19. Lưu đồ thuật toán ...........................................................................2
Hình 3. 1. Sơ đồ nguyên lí.................................................................................2
Hình 3. 2. Mạch in 2D.......................................................................................2 iv
Hình 3. 3. Mạch khi được khởi tạo....................................................................2
Hình 3. 4. Cài đặt thời gian ...............................................................................2
Hình 3. 5. Cài đặt nhiệt độ, độ ẩm.....................................................................2 v
 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
 Cổng giao tiếp đồng 
SSP Synchronous Serial Port
 bộ
 Giao diện ngoại vi 
SPI Serial Peripheral Interface
 nối tiếp
 Chuẩn giao tiếp nối 
I2C Inter- Intergrated Circuit
 tiếp
 Cổng giao tiếp song 
PSP Parallel Slave Port
 song
 Thanh ghi chức 
SFG Special Function Register năng đặc biệt của 
 bộ nhớ dữ liệu 
 Thanh ghi mục đích 
GPR General Purpose Register
 chung
 Khối giao diện đồng 
MSSP Master Synchronous Serial Port
 bộ nối tiếp
 Đồng hồ thời gian 
RTC Real- Time Clock
 thực
SQW/ Ngõ ra tạo xung 
 Square Wave/ Output Driver
OUT vuông của Ds1307
 Màn hình hiển thị 
LCD Liquid Crystal Display
 LCD vi
 LỜI CẢM ƠN
 Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Công Nghiệp Hà 
Nội đã tận tình dạy dỗ trong suốt những năm qua. Trong đó phải kể đến quý 
thầy cô trong khoa Điện Tử đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt 
nghiệp này.
 Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn ThS. Xxx đã tận 
tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình 
thực hiện đề tài. Cung cấp cho em những kiến thức quý báu cũng như những 
lời khuyên cực kỳ hữu ích. Tạo động lực cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ của 
mình. 
 Em xin cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn 
cho việc thực hiện đề tài này. Để hoàn thành em đã nỗ lực nghiên cứu, thiết 
kế và chế tạo, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể 
tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những lời góp ý chân 
thành từ thầy cô và các bạn để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn 
trong quá trình làm việc sau này.
 Em xin chân thành cảm ơn!
 Sinh viên thực hiện
 xxxxxxxxxxxxxxxx vii
 MỞ ĐẦU
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 thủ 
công và không đảm bảo được đúng yêu cầu. Có thể nói trong nông học ngoài 
những kỹ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan 
trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây trồng sinh trưởng và phát triển 
bình thường, tưới đúng và tươi 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. 
 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 và 
đưa vào thực tiễn ngày càng nhiều. Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng 
loại (vòi phun nước, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, dây tưới nhỏ giọt) có 
thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây trồng 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 của mình. Hệ thống tưới phun 
đáp ứng độ ấm gốc, độ ẩm lả và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ 
thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng không 
gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường. 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 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 sẽ viii
được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác 
hơn. 
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 ở 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 
tử 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 hóa nông thôn nhưng không phải người dân 
nào cũng mạnh 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 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 độ 
chính xác cao. 
 Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự 
nhiên và với những phương pháp 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 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 mô hình hệ thống tưới tự động 1
 CHƯƠNG 1
 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC 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 quy trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không 
có sự tham gia trực tiếp của con người. 
 Hệ thống tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến:
- Hệ thống điều hòa không khí. 
- Hệ thống tự động báo cháy. 
- Hệ thống điều chỉnh độ ẩm. 
- Hệ thống tưới nước tự động . . . 
Trong môi trường sản xuất: 
- Các máy tự động. 
- Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động. 
- Các robot, máy tính . . . 
1.2. Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất
 Tự động hóa đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác 
nhau: công nghiệp sản xuất, gia công cơ khí, dây chuyền lắp ráp tự động, ứng 
dụng kiểm soát chất lượng Các hệ thống điều khiển thường dùng để vận 
hành quá trình sản xuất bao gồm servo, PLC, mạch điện tử, G code Các hệ 
điều khiển này có thể bao gồm việc điều khiển từ đơn giản đến các thuật toán 
phức tạp, điều khiển những máy móc đơn giản cho đến những hệ thống công 
nghiệp lớn.
 Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tự động hóa của một quốc 
gia, hoặc một lĩnh vực. Trong đó, có thể kể đến những nhân tố quan trọng 
như: Công nghệ số hóa, trình độ nhân sự, nguồn lực vốn... Để quá trình này 
được diễn ra thuận lợi, cần hiểu rõ bản chất tự động hóa trong từng lĩnh vực, 
từng quy trình sản xuất, từ đó ứng dụng tối ưu, giúp tăng năng suất, giảm chi 
phí. 2
1.3. Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng 
 Công trường thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của hiện đại 
hóa. Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, 
nâng cao sản lượng Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới 
tiêu, song nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước 
chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự 
động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm. Hiện nay, được sự trợ giúp của 
nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dần tự động hóa vào đời sống và 
sản xuất, đặc biệt là các nước Đông Nam Á nói chung và trong đó có Việt 
Nam. 
 Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ 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 
không chỉ trên lĩnh vực nông nghiệp. Có thể nói tự động hóa trở thành xu 
hướng tất yếu cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào muốn phát triển kinh tế 
trên Thế giới. 
1.4. Các dạng chính của hệ thống tưới tự động 
 Về cơ bản hệ thống tưới nước tự động có 4 dạng chính: 
- Tưới phun mưa: 
 Đây là hệ thống tưới nước tạo các tia nước bắn ra xung quanh nhờ đầu 
phun tạo mưa, phun trực tiếp lên bề mặt lá cây. Hệ thống này giúp bà con 
nông dân tưới cây nhanh hơn, hiệu quả hơn, nâng cao hiệu quả kinh tế. 
Phương pháp này có tác dụng làm tăng độ ẩm cho đất và làm mát cho cây 
trồng, tạo điều kiện kích thích cây trồng sinh trưởng và phát triển. Hệ thống 
này được áp dụng phổ biến nhất do phù hợp với nhiều mô hình canh tác từ 
hoa màu cho đến cây ăn quả, cây công nghiệp. Nước ra vòi phun, béc phun 
theo dạng mưa, từng hạt, từng hạt có khả năng văng xa, tùy theo áp lực nước.
 Ưu điểm: Tưới phun mưa có hiệu quả sử dụng rất cao vì hạn chế cao 
độ tổn thất nước do bốc hơi vì tia phun ngắn.