HỆ THỐNG tưới cây tự ĐỘNG DÙNG PIC (có code và layout)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.22 MB, 37 trang )
ĐỒ ÁN 2
HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG
1
ĐỒ ÁN 2
Trang 2/37
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG
1.1 Giới thiệu
Nhằm tự động hoá trong việc chăm sóc cây trồng và áp dụng khoa học công nghệ
vào lĩnh vực trồng trọt. Hệ thống tưới cây tự động có thể giúp người trồng tiết kiệm
nhiều thời gian hơn trong việc tưới cây, hệ thống có thể phát hiện được khi nào
vùng đất xung quanh khu vực gốc cây thiếu nước và tự động tưới cho cây.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và kỹ năng lập trình trên nền tảng lập trình
CCS compiler để tạo ra hệ thống tưới cây tự động.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Vi điều khiển, cảm biến độ ẩm đất, thu phát RF, LCD.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Mô hình chỉ sử dụng với máy bom công xuất nhỏ 12v, van nước điện từ 12v với 2
cảm biến hoạt động từ 0% đến 100% độ ẩm đất.
Khoảng cách truyền RF trong phạm vi ngắn.
1.5 Kết quả mong muốn
Hệ thống tưới hoạt động khi: Độ ẩm đất ở vị trí đặt cảm biến dưới khoảng giá trị đặt
trước thì máy bơm và van nước điện từ tại vị trí đặt cảm biến hoạt động và khi vượt
ngưỡng giá trị đặt thì hệ thống tắt theo bảng sau:
Cảm biến 1
Cảm biến 2
Vượt khoảng giá Vượt
khoảng
trị đặt
giá trị đặt
Dưới khoảng giá Vượt
khoảng
trị đặt
giá trị đặt
Vượt khoảng giá Dưới
khoảng
Động
bơm
Khoá tại vị Khoá tại vị
trí cảm biến trí cảm biến
1
2
Tắt
Đóng van
Đóng van
Hoạt động
Mở van
Đóng van
Đóng van
Mở van
Mở van
Mở van
Hoạt động
trị đặt
giá trị đặt
Dưới khoảng giá Dưới
khoảng Hoạt động
Hệ thống tưới cây tự động
cơ
ĐỒ ÁN 2
Trang 3/37
trị đặt
giá trị đặt
Bảng 1-1: Hệ thống tưới mong muốn
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 4/37
CHƯƠNG 2.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
1.6 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2-1: Sơ đồ khối bên phát
Hình 2-2: Sơ đồ khối bên thu
-
1.1.1 Khối nguồn
Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống mạch, trong mô hình hệ
thống tưới cây tự động ta sử dụng 2 cấp điện áp một chiều là 5v cung cấp toàn
bộ hệ thống, 12v cho động cơ và van nước điện từ.
-
Nguồn 12v ta lấy trực tiếp từ adapter 12v, nguồn 5v ta sử dụng IC LM7805 để
hạ điện áp từ 12v xuống 5v.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 5/37
Hình 2-3: IC LM7805 [1]
-
Thông số IC LM7805:
Điện áp ngõ ra
5v
Điện áp đầu vào thấp nhất
7v
Điện áp đầu vào cao nhất có thể
12v
Dòng ngõ ra cao nhất
1.5A
Kiểu đóng gói
Nhiệt độ hoạt động
TO-220
0oc đến 125oc
Bảng 2-2: Thông số IC LM7805
-
Sơ đồ chân IC LM7805:
+
Chân số 1: Chân ngõ vào điện áp.
+
Chân số 2: Chân nối đất.
+
Chân số 3: Chân ngõ ra điện áp ổn định 5V.
-
1.1.2 Khối cảm biến độ ẩm đất
Để có thể đo được độ ẩm đất tại vị trí cây trồng ta sử dụng cảm biến độ ẩm đất.
-
Cảm biến độ ẩm đất có cấu trúc 2 thanh kim loại với đầu ra ở vô cùng ohm khi
độ ẩm đất bằng 0% và ngắn mạch khi độ ẩm đất 100%. Ngõ ra của cảm biến độ
ẩm đất đo được dưới dạng ohm biến thiên từ vô cùng ohm đến ngắn mạch.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 6/37
Hình 2-4: Cảm biến độ ẩm đất
-
Module đọc cảm biến độ ẩm đất cho đầu ra dưới dạng số (chân D0) hoặc tương
tự (chân A0).
Hình 2-5: Module đọc cảm biến độ ẩm đất
-
Thông số kỹ thuật module đọc cảm biến độ ẩm đất:
+ Điện áp hoạt động: 3.3v đến 5v.
+ IC chính để so sánh điện áp LM393.
-
Sơ đồ chân module đọc cảm biến độ ẩm đất:
+ Chân + và –: 2 chân gắn vào cảm biến độ ẩm đất.
+ Chân GND: Chân nối đất.
+ Chân VCC: Chân nối với nguồn.
+ Chân D0: Cho đầu ra dưới dạng số.
+ Chân A0: Cho đầu ra dưới dạng tín hiệu tương tự.
-
1.1.3 Khối Điều khiển
PIC16F877A được sử dụng làm vi điều khiển trung tâm cho hệ thống tưới cây tự
động. Từ đọc cảm biến, truyền dữ liệu qua RF, hiển thị dữ liệu qua LCD đến
điều khiển các thiết bị.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 7/37
-
PIC16F877A là dòng PIC khá phổ biến và đầy đủ các tính năng để đáp ứng nhu
cầu phục vụ thực tế. PIC16F877A thuộc dòng PIC16Fxx nên có các thông số
sau:
+ Ngôn ngữ lập trình với 35 tập lệnh và độ dài 14bit.
+ Tất cả các câu lệnh đều thực hiện 1 chu kì lệnh ngoại trừ các câu lệnh rẽ
nhánh thực hiện 2 chu kỳ lệnh. 1 chu kỳ lệnh bằng 4 chu kỳ dao động của
thạch anh.
+ Bộ nhớ chương trình flash 8KB với khoảng 100 ngàn lần ghi xoá.
+ Bộ nhớ EEPROM 256x8bytes.
+ Bộ nhớ RAM 368x8bytes.
+ Điện áp hoạt động từ 2v đến 5.5v.
+ Dòng tiêu thụ 25mA.
+ Có 3 timer:
•
Timer 0, 2: 8 bit với chức năng định thời và bộ đếm.
•
Timer 1: 16 bit với chức năng định thời và bộ đếm.
+ Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
+ Hỗ trợ một số chuẩn giao tiếp như SPI, I2C, USATR.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 8/37
Hình 2-6: PIC16F877A [2]
Hình 2-7: Sơ đồ chân PIC16F877A
-
Sơ đồ chân PIC16F877A gồm 40 chân trong đó:
Tên chân
số chân
vị trí chân
Tính năng chân
VDD
2
11, 32
Chân nối nguồn.
VSS
2
12, 31
Chân nối đất.
MCLR/Vpp
1
1
OSC1, OSC2
2
13, 14
PORT A
6
2, 3, 4, 5, 6, 7
Chân reset của PIC.
2 chân nối với thạch anh ngoại.
I/O analog.
I/O digital.
chuyển đồi ADC.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 9/37
Ngõ vào so sánh điện áp.
PORT B
8
33, 34, 35, 36,
I/O digital.
37, 38, 39, 40
Hổ trợ nạp chương trình cho PIC.
I/O digital.
PORT C
15, 16, 17, 18,
8
23, 24, 25, 26
Băm xung PWM.
Hổ trợ giao tiếp ISP, I2C, USART.
PORT D
19, 20, 21, 22,
8
27, 28, 29, 30
I/O digital.
I/O digital.
PORT E
3
8, 9, 10
Ngõ vào analog .
Bảng 2-3: Sơ đồ chân PIC16F877A
-
1.1.4 Khối hiển thị
Để hiển thị các ký tự, thông số kỹ thuật trong các hệ thống người ta thường chọn
LCD là thiết bị chính. Vì nó dễ đàng đưa vào các mạch điện với nhiều giao tiếp
khác nhau. Tốn ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ.
-
Ở đề tài này ta chọn LCD 16x2 với độ rộng hiển thị là 16 hàng, 2 cột.
-
Các thông số hoạt động của LCD16x2:
+ Điện áp hoạt động: Từ 2.7v đến 5.5v.
+ Dòng điện hoạt động: Từ 350uA đến 600uA.
+ Nhiệt độ hoạt động: Từ -30oc đến 75oc.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 10/37
Hình 2-8: LCD 16x2 [3]
Hình 2-9: Sơ đồ chân LCD 16x2
Sơ đồ chân LCD 16x2:
Tên chân
vị trí chân
chức năng
VSS
1, 16
Chân nối đất.
VDD
2, 15
Chân cấp nguồn.
VEE
3
Chân điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
Chân chọn thanh ghi.
o
RS
RS =0: D0 đến D7 sẽ nối với
thanh ghi IR của LCD, hoặc nối
4
với bộ đếm địa chỉ của LCD.
o
RS =1: D0 đến D7 sẽ nối với
thanh ghi DR của LCD.
RW
Hệ thống tưới cây tự động
5
Chân chọn chế độ đọc hoặc ghi.
ĐỒ ÁN 2
Trang 11/37
o
RW = 0: Chọn chế độ ghi.
o
RW =1: Chọn chế độ đọc.
Chân cho phép:
o
E
Chế độ ghi LCD cho phép truyền
dữ liệu khi có xung clock cạnh
6
xuống.
o
Chế độ đọc LCD cho phép truyền
dữ liệu khi có xung clock cạnh lên.
8 đường bus dữ liệu trao đổi giữa LCD và
vi điều khiển.
Có 2 chế độ hoạt động của LCD:
Chân tín hiệu D0 đến D7
7 đến 14
o
Chế độ 8 bit sử dụng D0 đến D7.
o
Chế độ 4 bit sử dụng chân D4 đến
D7.
Bảng 2-4: Sơ đồ chân LCD 16x2
-
1.1.5 Khối phát và thu RF
Để truyền thông tin tình trạng máy bơm và các van nước điện từ hoạt động ra
sao về trung tâm điều khiển ta sử dụng module thu phát RF đơn giản với 2 IC
chính để mã hoá là IC PT2262 và giải mã hoá là IC PT2272.
-
Khoảng cách truyền tối đa giữa 2 module PT2262 và PT2272 là 30m khi không
có vật cản.
-
Module PT2262:
+ Dữ liệu và mã hóa truyền trên một khung 12 bit gồm 8 bit đầu là mã hóa (A0
đến A7) và 4 bit dữ liệu . Vì thế bạn có thể truyền song song 4 bit dữ liệu. Để
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 12/37
truyền dữ liệu bạn nên mặc định ban đầu chân dữ liệu kéo lên hoặc kéo
xuống để chống nhiễu.
+ Thông số:
•
Tần số: 315MHz.
•
Điện áp hoạt động: 3v đến 12v.
•
Dòng tiêu thụ: 3mA đến 45mA.
•
Trở dao động : 2.7MΩ.
Hình 2-10: Module phát RF PT2262
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 13/37
Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý module phát RF PT2262 [4]
+ Sơ đồ chân IC PT2262:
Hình 2-12: Sơ đồ chân IC PT2262
Tên chân
A1 đến A8
Vị trí chân
Chức năng
1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 bit mã hoá đồng bộ bên phát và bên
7, 8
thu (bỏ trống).
GND
9
Chân nối đất.
D0 đến D3
13, 12, 11, 10
4 bit đầu vào tổ hợp mã dữ liệu.
TE
14
Hệ thống tưới cây tự động
Chân quy định dạng truyền của tín
hiệu đầu ra.
ĐỒ ÁN 2
Trang 14/37
Tạo tần số sóng mang sử dụng 1 điện
OSC1, OSC2
15, 16
DOUT
17
Đầu ra tín hiệu đã được điều chế.
VCC
18
Chân nối với nguồn.
trở 4.7MΩ.
Bảng 2-5: Sơ đồ chân IC PT2262
-
Module PT2272:
+ Là module giải mã của PT2262 nó cũng có 8 địa chỉ giải mã tương ứng và 4
dữ liệu ra dạng song song với 1 chân báo hiệu mã đúng.
+ Cách giải mã: Chân 15 và 16 cần 1 điện trở R bằng 1/10 điện trở mắc ở chân
15 và 16 của IC PT2262 là 470KΩ để tạo dao động. Các chân mã hoá của IC
PT2262 bỏ trống thì các chân mã hoá của IC PT2272 cũng bỏ trống.
+ Thông số:
•
Tần số: 315MHz.
•
áp hoạt động: 5v.
•
Dòng tiêu thụ ở trạng thái nghỉ: 4.5mA.
•
Độ nhạy: -105dB.
Hình 2-13: Module thu RF PT2272
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 15/37
Hình 2-14: Sơ đồ nguyên lý module thu RF PT2272 [5]
+ Sơ đồ chân IC PT2272:
Hình 2-15: Sơ đồ chân IC PT2272
Tên chân
A1 đến A8
Vị trí chân
Chức năng
1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 bit mã hoá đồng bộ bên phát và bên
7, 8
thu (bỏ trống).
GND
9
Chân nối đất.
D0 đến D3
13, 12, 11, 10
DIN
14
Hệ thống tưới cây tự động
4 bit dữ liệu đầu ra thu được và giải
mã từ phần phát.
Chân tín hiệu thu vào từ module
ĐỒ ÁN 2
Trang 16/37
PT2262 để giải mã.
Tạo tần số sóng mang sử dụng 1 điện
OSC1, OSC2
15, 16
VT
17
Chân báo hiệu mã đúng.
VCC
18
Chân nối với nguồn.
trở 470KΩ.
Bảng 2-6: Sơ đồ chân IC PT2272
-
1.1.6 Khối điều khiển động cơ và van nước điện từ
Để khuếch đại điện áp ngõ ra của vi điều khiển để điều khiển động cơ và van
nước điện từ ta sử dụng mạch Relay với linh kiện chính là Opto PC817,
-
transistor C1815 và relay.
Opto PC817:
+ Dùng để cách ly điện áp hoặc công suất như khối có điện áp nhỏ với khối có
điện áp lớn. Hay có thể dùng cho các mạch chống nhiễu.
+ Khi có tín hiệu đi qua 2 đầu của led phát hồng ngoại có trong opto làm cho
led phát hồng ngoại sáng. Khi led hồng ngoại phát sáng kích thông 2 cực của
photo transistor giúp có dòng chạy qua 2 chân ngõ ra.
Hình 2-16: Opto PC817
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 17/37
Hình 2-17: Sơ đồ chân opto PC817 [6]
-
+ Sơ đồ chân:
• Chân 1, 2: Hai chân của diode hồng ngọai.
• Chân 3, 4: Hai chân ra của photo transistor.
Transistor C1815 :
+ Để relay có thể hoạt động ta sử dụng transistor như một công tắt bán dẫn để
điều khiển đóng ngắt.
+ Thông số kỹ thuật :
• Điện áp cực đại : 50v.
• Dòng điện cực đại : 150mA.
• Hệ số khuếch đại điện áp : 25 đến 100.
+ C1815 hoạt động phụ thuộc vào sự phân cực trên chân B của transistor :
• Khi chân B được kích ở mức cao thì xuất hiện dòng CE chạy từ C xuống
E làm cho kín mạch.
• Khi chân B được kích ở mức thấp thì không xuất hiện dòng CE làm cho
hở mạch.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 18/37
Hình 2-18: Transistor C1815 [7]
Hình 2-19: Sơ đồ chân transistor C1815
-
+ Sơ đồ chân :
• Chân 1: Chân B của transistor.
• Chân 2: Chân E của transistor.
• Chân 3: Chân C của transistor.
Relay :
+ Relay là một linh kiện giúp đóng mở với công suất lớn. Với cấu tạo là 1 cuộn
hút điện từ và 2 cặp tiếp điểm thường đóng và thường hở.
+ Thông số kỹ thuật :
• Điện áp điều khiển : 5v.
• Chịu tải ngõ ra : Dòng 7A và áp lên đến 250v xoay chiều.
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 19/37
Hình 2-20: Relay 5v [6]
Hình 2-21: Sơ đồ chân relay 5v
+ Sơ đồ chân :
• Chân 4, 5 : 2 chân của nam châm điện từ.
• Chân 1, 2 : Cặp tiếp điểm thường đóng.
• Chân 1, 3 : Cặp tiếp điểm thường mở.
1.7 Sơ đồ nguyên lý
1.1.7 Sơ đồ nguyên lý bên phát
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 20/37
Hình 2-22: Mạch nguyên lý bên phát
1.1.8 Sơ đồ nguyên lý bên thu
Hình 2-23: Mạch Nguyên lý bên thu
1.8 Thiết kế mạch in
1.1.9 Mạch in bên phát
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 21/37
Hình 2-24: Sơ đồ mạch in bên phát
1.1.10 Mạch in bên thu
Hình 2-25: Sơ đồ mạch in bên thu
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 22/37
1.9 Thi công phần cứng
1.1.11 Mạch bên phát
Hình 2-26: Mạch bên phát sao khi hoàn thành
1.1.12 Mạch bên thu
Hình 2-27: mạch bên thu sao khi hoàn thành
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 23/37
CHƯƠNG 3.
-
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
1.10 Hoạt động của hệ thống
Mạch bên phát:
+ Khi cấp nguồn 12v cho mạch bên phát thì IC LM7805 hạ áp và ổn áp 5v cấp
nguồn cho vi điều khiển, cảm biến độ ẩm đất, LCD, module phát RF và hệ
thống Relay hoạt động. Vi điều khiển cho phép nhập khoảng giá trị đặt tưới
từ 2 nút nhấn kết nối với chân B3 và B4 của vi điều khiển ( Nút nhấn nối với
chân B3 để đếm lên và nút nhấn nối với chân B4 để đếm xuống). 2 cảm biến
độ ẩm đất đo độ ẩm ở khu vực đất cần tưới được nối với 2 chân A0 và A1
của vi điều khiển( cảm biến 1 nối với A0, cảm biến 2 nối với A1). Khoảng
giá trị đặt tưới sẽ được hiển thị trên dòng thứ nhất và giá trị của 2 cảm biến
độ ẩm đất hiển thị trên dòng thứ 2 của LCD. Giá trị độ đẩm đất được so sánh
với giá trị đặt tưới để điều khiển động cơ và 2 van nước điện từ theo bảng 1-
-
1. Và RF sẽ truyền thông tin tình trạng tưới qua mạch thu RF.
Mạch bên thu:
+ Khi cấp nguồn cho mạch bên thu IC LM7805 hạ áp và ổn áp 5v cấp nguồn
cho vi điều khiển, module thu RF, và LCD hoạt động. Khi RF nhận được tín
hiệu bên phát và hiển thị ra LCD theo bảng sau:
Mạch bên phát
Động cơ bơm
Tắt
Hoạt động
Hoạt động
Hoạt động
Mạch bên thu
Van tại vị trí cảm Van tại vị trí cảm
biến 1
Đóng van
Mở van
Đóng van
Mở van
biến 2
Đóng van
Đóng van
Mở van
Mở van
LCD hiển thị
“HT TUOI TAT”
“HT TUOI TAT CA”
“TAT KHOA 1”
“TAT KHOA 2”
Bảng 3-7: Tình trạng máy bơm bên thu nhận được
1.11
Lưu đồ giải thuật
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 24/37
Hình 3-28: Lưu đồ nút nhấn đếm lên
Hệ thống tưới cây tự động
ĐỒ ÁN 2
Trang 25/37
Hình 3-29: Lưu đồ nút nhấn đếm xuống
Hình 3-30: Lưu đồ chế độ tắt
Hệ thống tưới cây tự động
