Đồ án tốt nghiệp ngành Điện tử: Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.22 MB, 78 trang )
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC
..........................................................................................
I
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
......................................................
III
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
.................................................
IV
LỜI CẢM ƠN
..................................................................................
V
MỞ ĐẦU
........................................................................................
VI
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
.................................................................
12
1.6. Các nghiên cứu trong nước
....................................................................
13
1.7. Quy trình công nghệ
................................................................................
14
1.8. Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung
.....................................................
14
1.9. Kết luận chương 1
..................................................................................
14
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG
.....................
16
2.1 Xây dựng sơ đồ khối
................................................................................
16
2.2 Chức năng của từng khối
.........................................................................
17
2.2.1. Khối vi điều khiển PIC 18F4520
......................................................
17
2.2.2. Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.
.................................................
23
2.2.3. Khối hiển thị thời gian thực Ds1307
...............................................
28
2.2.4. Khối hiển thị LCD
.............................................................................
33
2.2.5. Khối nguồn sử dụng LM2576
..........................................................
34
ii
2.2.6. Khối tạo dao động
............................................................................
35
2.3. Giao thức I2C
..........................................................................................
35
2.3.1. Giới thiệu
...........................................................................................
35
2.3.2. Đặc điểm giao tiếp I2C
.....................................................................
36
2.3.3. Chế độ hoạt động (tốc độ truyền)
..................................................
38
2.3.4. Tín hiệu START và STOP.
...............................................................
40
2.4. Lưu đồ thuật toán
....................................................................................
42
2.5. Kết luận chương 2
..................................................................................
43
CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
.................................
44
3.1. Mô hình thực nghiệm
..............................................................................
44
3.1.1. Sơ đồ nguyên lí
..................................................................................
44
3.1.2. Sơ đồ mạch in và mạch thực tế
.......................................................
45
3.2. Đánh giá và kết luận
................................................................................
48
3.2.1. Kết quả đạt được
..............................................................................
48
3.2.2. Kết luận chương 3
...........................................................................
50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
................................................................
51
52
.........................................................................................................
PHỤ LỤC
........................................................................................
53
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh
SSP
Synchronous Serial Port
SPI
Serial Peripheral Interface
I2C
Inter Intergrated Circuit
PSP
Parallel Slave Port
SFG
Special Function Register
GPR
General Purpose Register
MSSP
Master Synchronous Serial Port
RTC
Real Time Clock
SQW/
OUT
LCD
Square Wave/ Output Driver
Liquid Crystal Display
Tiếng Việt
Cổng giao tiếp
đồng bộ
Giao diện ngoại vi
nối tiếp
Chuẩn giao tiếp
nối tiếp
Cổng giao tiếp
song song
Thanh ghi chức
năng đặc biệt của
bộ nhớ dữ liệu
Thanh ghi mục đích
chung
Khối giao diện
đồng bộ nối tiếp
Đồng hồ thời gian
thực
Ngõ ra tạo xung
vuông của Ds1307
Màn hình hiển thị
LCD
v
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
vi
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
vii
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 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.
viii
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
2
từng lĩnh vực, từng quy trình sản xuất, từ đó ứng dụng tối ưu, giúp tăng
năng suất, giảm chi phí.
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
3
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.
Cường độ tưới phun mưa và diện tích làm ướt có thể được điều
chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng của cây trồng. Không tạo nên dòng chảy
trên mặt đất. không phá vỡ cấu tượng đất do hạt mưa nhỏ.
Cường độ tưới phun mưa và diện tích làm ướt có thể được điều
chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng của cây trồng. Cường độ tưới phun mưa
và diện tích làm ướt có thể được điều chỉnh cho phù hợp sự tăng trưởng
của cây trồng.
Do toàn bộ hệ thống đường ống tưới phun mưa đặt ngầm nên tiết
kiệm đất. Thuận tiện việc chăm sóc, canh tác trên đồng ruộng. Mặt khác
cũng dễ dàng tự động hóa từng phần hoặc toàn phần hệ thống tưới phun
mưa. Cũng như việc cơ khí hoá và tự động hóa phần thiết bị điều khiển.
Thiết bị tưới phun mưa được điều khiển toàn bộ hệ thống từ xa theo
chương trình lập sẵn. Nên tiết kiệm sức lao động và nâng cao năng suất
tưới.
Nâng cao năng suất tưới và năng suất các khâu canh tác nông
nghiệp khác. Sử dụng áp lực làm việc loại trung bình và thấp. Đồng thời
lưu lượng tưới phun mưa yêu cầu nhỏ nên tiết kiệm năng lượng và nguồn
nước. Có tác dụng cải tạo vi khí hậu khu tưới. Hạn chế sâu bệnh, cỏ dại
phát triển. Kết hợp được tưới tưới phun mưa với phun thuốc trừ sâu, bón
phân hóa học. Rất phù hợp với các cây trồng mềm yếu (vườn hoa, vườn
ươm, cây đang ra hoa, thụ phấn).
Thiết bị tưới phun sương cho phép người sử dụng có thể pha thêm
một số dung dịch an toàn chống lại sâu bệnh gây hại. Tuy nhiên, nếu phải
thường xuyên tiếp xúc với các chất này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe
4
con người. Vì thế, sản phẩm này giúp đảm bảo sức khỏe của người dùng.
Bên cạnh đó, với mật độ phun đều, lượng nước và chất phòng ngừa sâu
hại không bị tồn đọng quá nhiều gây ngập úng hay dư thừa chất bảo vệ
thực vật.
Nhược điểm:
Các loại béc tưới phun mưa dễ bị tắc nghẽn (khi nước tưới có
nhiều tạp chất), nhất là đối với các vòi phun sương mù (Mist Sdrayer) có
các lỗ tưới phun mưa rất nhỏ.
Yêu cầu trình độ nhất định trong thiết kế xây dựng và quản lý hệ
thống tưới phun mưa.
Vốn đầu tư cho hệ thống tưới phun mưa ban đầu cao hơn so với
các kỹ thuật tưới cổ điển.
Các đường ống tưới phun mưa và thiết bị hay hư hỏng, dễ bị mất
mát, phá hoại do con người và côn trùng tại mặt ruộng (điều này rất dễ
xảy ra ở Việt Nam).
Hình 1. 1. Hệ thống tưới nước phun mưa [2]
5
Tưới phun sương:
Tưới phun sương là một hệ thống tưới nước chịu áp suất của máy
bơm tăng áp. Nguồn nước đưa vào được nén với áp suất cao qua những vòi
được thiết kế đặc biệt sẽ chuyển hóa thành dạng sương siêu mỏng với
kích thước hạt nhỏ, dễ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Tưới phun
sương thường được lắp trong các khu vườn ươm giống, các vườn hoa
trong nhà kính, trồng rau hữu cơ, rau thủy canh, trồng hoa, tưới cảnh
quan…
Ưu điểm:
Có tác dụng ngăn bụi, điều hòa vi khí hậu, giúp không khí mát mẻ
và có thể tận dụng lúc tưới để phun các loại thuốc bổ trợ cho cây trồng.
Kích thước hạt nhỏ, mịn nên sẽ an toàn đối với hoa và cây trồng, không gây
hại cho cây.
Nhắc đến thiết bị tưới phun sương là phải nhắc đến công dụng
đầu tiên của sản phẩm này là chống lãng phí nước. Nếu so với việc tưới
thủ công tốn khá nhiều nước, thì thiết bị này giúp người trồng trọt tiết
kiệm được nguồn tài nguyên quý giá và không thể thiếu đối với sự sống
của cây trồng. Cường độ tưới có thể điều chỉnh cho thích hợp với từng
loại cây trồng, cộng thêm thiết bị có thể tưới trên diện rộng, nên thiết bị
này không chỉ chống lãng phí nước mà còn tiết kiệm thời gian tưới cây.
Lợi thế tiếp theo của thiết bị này là giúp cho người trồng trọt đỡ
vất vả, đỡ tốn công sức tưới hoặc thuê người tưới. Thay vì mất vài giờ
đồng hồ chỉ để tưới cây, trong khi thời gian là tiền bạc, chủ vườn cây có
thể dành thời gian đó để làm việc khác, hoặc ngồi ngắm nhìn khu vườn
đang sai trĩu quả hoặc đang trổ hoa đẹp mắt. Vừa tiết kiệm nước, vừa tiết
kiệm công sức lao động quả là thiết bị đáng phải xem xét để đầu tư.
Thiết bị tưới phun sương cho phép người sử dụng có thể pha thêm
một số dung dịch an toàn chống lại sâu bệnh gây hại. Tuy nhiên, nếu phải
6
thường xuyên tiếp xúc với các chất này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe
con người. Vì thế, sản phẩm này giúp đảm bảo sức khỏe của người dùng.
Bên cạnh đó, với mật độ phun đều, lượng nước và chất phòng ngừa sâu
hại không bị tồn đọng quá nhiều gây ngập úng hay dư thừa chất bảo vệ
thực vật.
Với sân vườn nhỏ, khách hàng có thể tự lắp ráp hệ thống tưới phun
sương tự động theo hướng dẫn ghi trên hộp, hoặc theo hướng dẫn của nhà
cung cấp. Đối với diện tích sân vườn lớn hơn, bạn vẫn có thể tự lắp ráp
nhưng tốt nhất là nên có sự hỗ trợ kỹ thuật từ phía người bán, vì họ có
nhiều kinh nghiệm và họ sẽ giúp bạn có được hệ thống tưới hiệu quả
nhất. Tính năng tự động không thể không nhắc đến khi nói về sản phẩm
này. Người sử dụng chỉ cần đứng ở đầu nguồn nước để mở vòi, hoặc lắp
đặt hệ thống tưới tự động hẹn giờ, lúc này thiết bị sẽ tưới theo đúng thời
gian và lượng nước được cài đặt sẵn.
Không gây dòng chảy mặt: Các hạt sương có kích thước nhỏ, di
chuyển với vận tốc bé trong không khí.
Độ ẩm đồng đều.
Nhược điểm:
Hệ thống này nếu muốn tưới tự động thì bạn cần đầu tư chi phí để
mua bộ thiết bị hẹn giờ, cảm biến mưa, các vòi phun và đường ống tốt.
Đặc biệt đối với hệ thống lắp đặt ngầm, bạn càng cần có sản phẩm tốt để
có thể sử dụng lâu dài mà không tốn công thay thế bộ phận, chi tiết hay
phải sửa lại đường ống nếu ống dẫn không tốt. Tuy vốn đầu tư ban đầu
lớn, nhưng điều đó không có nghĩa chi phí trung bình cao vì hệ thống thiết
bị tưới phun sương có thể sử dụng từ 10 đến 20 năm. Nếu bạn lấy vốn ban
đầu chia cho số năm sử dụng, bạn sẽ thấy được thiết bị này vừa tiện lợi,
lại vừa tốn ít chi phí trung bình phải bỏ ra.
7
• Thiết bị sử dụng công nghệ hiện đại đòi hỏi người sử dụng phải
có kiến thức nhất định về sản phẩm, cũng như cách dùng. Với diện tích
đất trồng hay sân vườn lớn, bạn cần có bản thiết kế hoàn chỉnh trước khi
bắt tay vào lắp đặt, chưa kể đến bạn cần có thông tin cách sử dụng sao cho
hiệu quả nhất. Tuy nhiên, bạn cũng không cần quá lo lắng, vì đa phần các
nhà cung cấp thiết bị tưới phun sương uy tín đều có đội ngũ nhân viên kỹ
thuật giàu kinh nghiệm. Họ sẽ giúp đỡ bạn từ khâu thiết kế, lắp đặt, đến
vận hành hệ thống tưới tự động này.
Hình 1. 2. Hệ thống tưới nước phun xương [2]
Tưới nhỏ giọt:
Tưới nhỏ giọt là hệ thống tưới nước đưa nước đến từng gốc cây,
nước sẽ được tưới trực tiếp lên bề mặt của đất chứ không phải phun trên
bề mặt lá. Từ đây hạn chế đến tối đa việc bốc hơi của nước, giúp cây thu
đủ chất dinh dưỡng để phát triển. Nước ra từ các đầu vòi theo dạng từng
giọt, từng giọt một tưới trực tiếp vào gốc cây thích hợp cho việc tưới
không gian lớn cho cây ăn quả, cây lâu năm.
Ưu điểm
8
Đảm bảo cung cấp độ ẩm đồng đều cho đất canh tác, ngoài ra còn
điều hòa được các yếu tố như nhiệt độ, chế độ không khí, nước, thức ăn,
quang hơp của cây…
Tưới nhot giọt giúp tiết kiệm nước một cách tối đa, giảm đến mức
thấp nhất sự hao hụt về nước do thấm ra đất hay bốc hơi.
Tránh hiện tượng xói mòn, rửa trôi đất, tập trung muối về 1 nơi
khiến đất không đồng đều về dinh dưỡng.
Là bước đệm cho cơ giới hóa, tự động hóa trong nông nghiệp,
năng suất lao động tăng lên đáng kể nhưng lại ít tốn nhân công và giảm
thời gian lao động chân tay bởi vì thao tác bón phân hay bơm thuốc bảo vệ
thực vật dễ dàng kết hợp cùng quá trình tưới.
Tưới nhỏ giọt ít phụ thuộc vào cấu trúc địa hình, không phá vỡ kết cấu
của đất, thích hợp với mọi điều kiện địa hình ở nước ta.
Tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành.
Góp phần ngăn chặn cỏ dại, sâu bệnh do chỉ đủ nước cho gốc cây chứ
không phung phí ra các vùng xung quanh.
Và đặc biệt, hệ thống tưới nhỏ giọt luôn duy trì độ ẩm ở mức độ tốt
nhất, phù hợp với từng loại cây trồng, do đó, tăng năng suất cây và giúp cây
đạt chất lượng vượt trội.
Nhược điểm:
Dễ bị tắc ngẽn do rong rêu, bùn, chất cặn trong dinh dưỡng hay
nguồn nước, do đó nguồn dung dịch đi qua ống tưới cần có bộ lọc trước
khi đến cây trồng.
Không thể làm mát cây và tăng khả năng quang hợp của lá nhưng
các hệ thống tưới khác.
Chi phí ban đầu khá cao.
9
Đòi hỏi người đầu tư phải am hiểu về kỹ thuật tưới nhỏ giọt mới
vận hành được.
Nếu quá trình tưới nhỏ giọt bị gián đoạn chất lượng cây trồng sẽ
xuống cấp cực kỳ nhanh so với những cách tưới khác.
Như vậy, sau khi so sánh những ưu – nhược điểm của hệ thống tưới nhỏ
giọt bạn có thể chọn cho mình cách tưới tiêu hợp lý nhất tùy vào loài cây
và khả năng tài chính của bạn.
Có 2 hệ thống tưới nước nhỏ giọt phổ biến:
Tưới nhỏ giọt dọc luống: Được áp dụng đầu tiên trong nông
nghiệp có lẽ là hình thức tưới nhỏ giọt dọc luống. Với khả năng nhân rộng
cao, chủ vườn chỉ cần lắp đặt một đường ống nước và đặt dọc theo các
luống cây. Mỗi gốc cây sẽ lắp thêm một béc để dòng nước chảy nhỏ giọt
ra từ từ.
Tưới nhỏ giọt quanh gốc: Từ phương pháp tưới nhỏ giọt dọc
luống cũ, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cải tạo thành tưới nhỏ giọt
quấn quanh gốc. Phương pháp này phù hợp để sử dụng cho những loại cây
trồng có nhu cầu cao về lượng nước, nhưng việc áp dụng các biện pháp
tưới phun sương lại không phù hợp.
10
Hình 1. 3. Hệ thống tưới nước nhỏ giọt [2]
Tưới cảnh quan, tưới cỏ:
Hệ thống tưới tự động được hiểu đơn giản là có thể hoạt động mà
không cần sự tác động của con người. Mọi hệ thống tưới nhỏ giọt, phun
mưa, tưới cảnh quan, sân vườn đều có thế áp dụng tưới tự động thống
tưới tự động thông qua các thiết bị điện tử như bộ hẹn giờ và các thiết bị
cơ khí khác. . .
Việc áp dụng hệ thống tưới tự động có thể làm tăng chi phí ban đầu
nhưng về lâu dài các năm sau chi phí để chăm sóc cây trồng sẽ giảm thiểu
tối đa do giảm thiểu về nhân công lao động, tiền điện, tiền nước.
Ưu điểm
So với việc tưới cây thủ công thì hệ thống tưới cảnh quan tự động
giúp tiết kiệm được 60% lượng nước. Chính điều này đã giúp giảm chi phí
tiền nước hàng tháng của mỗi gia đình, mỗi công ty. Đồng thời cũng giúp
11
giảm được sức lực chăm sóc của con người. Không chỉ vậy, đặc điểm của
hệ thống này đó là được lắp đặt cố định nên nó sẽ giúp đảm bảo tuổi thọ
lâu dài cho các thiết bị tưới tiêu.
Bên cạnh đó, hệ thống tưới cảnh quan còn giúp bạn tiết kiệm được
nhiều thời gian chăm sóc cây, từ đó có thêm thời gian để tập trung vào
những việc khác trong cuộc sống. Khu vườn của bạn sẽ trở nên tươi mới,
sống động hơn nếu được lắp đặt hệ thống tưới cảnh quan tự động. Từ đó
công trình sân vườn do bạn tâm huyết chăm sóc sẽ trở nên ấn tượng và thu
hút hơn rất nhiều. Điều này cũng giúp con người thư thái và thoải mái hơn
khi ngắm những loại cây cảnh ưa thích. Vì hệ thống này có bộ cảm biến
và tắt tự động vì vậy nó giảm lượng bụi bẩn, ô nhiễm vào nguồn nước từ
các dòng chảy, giúp bảo vệ môi trường trong lành hơn.
Nhược điểm:
Nhược điểm của hệ thống tưới cảnh quan tự động là chi phí đầu
tư ban đầu khá cao so.
Để vận hành hệ thống hoạt động tốt và hiệu quả thì cần người có
kỹ thuật chuyên môn, am hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống tưới tự
động
12
Hình 1. 4. Hệ thống tưới nước cảnh quan, cây cỏ [2]
1.5. Các nghiên cứu ở nước ngoài
Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới
cây tự động: Đầu những năm 80, Liên Xô (cũ) đã chế tạo ra một loại máy
tự động ứng dụng trong nông nghiệp. Khi làm việc loại máy này có thể
quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió… Nó có
thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ
một loại máy làm mưa nhân tạo khác. Hãng robot Droplet giới thiệu robot
tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đám mây
và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả năng tự động
ngắm hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước
cho cây theo những lịch trình tự tính toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu
vào. Droplet là 1 chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng
dòng nước phun ra từ ống đến thân cây trong bán kính 9,14 mét. Trước khi
robot tự động vận hành, người dùng chỉ cần khai báo tên của các loại cây
có mặt trong vườn thông qua điện thoại, máy tính bảng, được kết nối
không dây với robot. Dựa trên thông tin về tên các loại cây, Droplet sẽ tự
13
tra cứu thông tin trên mạng nhằm xác định lượng nước cũng như tần số
tưới cho phù hợp với từng loại cây. Bên cạnh đó, Droplet cũng tự tra cứu
dữ liệu về tình hình thời tiết của địa điểm làm việc để xác định mưa/nắng
nhằm đưa ra lịch làm việc thích hợp. Bộ điều khiển tưới cây tự động Israel
dễ dàng được lập trình theo yêu cầu tưới của người sử dụng. Chỉ cần vài
thao tác lập trình, cung cấp cho hệ thống một nguồn nước đầu vào và dẫn
các đầu tưới đến các vị trí cần tưới là đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống
tưới tự động theo công nghệ tưới tiên tiến.
1.6. Các nghiên cứu trong nước
Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động
vào trong cuộc sống. Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bán tự động
giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ
công. Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để
mang lại hiệu quả cao nhất có thể. Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ
thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực
hiện. Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục.
Hệ thống tưới phun tự động đa năng một công trình khoa học của 2
giảng viên rường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: Tiến sĩ Lê Văn
Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu. Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa
năng này gồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất
được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên
PLCS7 1200. Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt
độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp
điều khiển PLC. Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để
nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo 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.
14
1.7. Quy trình công nghệ
Cảm biến đo độ ẩm, nhiệt độ truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để tưới
nước một cách tự động (khô thì tưới, thừa nước thì ngừng luôn duy trì độ
ẩm ở mức ổn định để cây phát triển nhanh). Có thể điều khiển tưới thước
bằng tay khi cần thiết.
Cảm biến đo mức nước truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để xác định
xem có cần bơm nước vào bình hay không (cạn thì bơm, đầy thi tự ngắt).
Có thể điều khiển máy bơm bằng tay khi cần thiết.
Cảm biến đo áp nước trên đường ống từ máy bơm lên bể nước truyền dữ
liệu đến bộ điều khiển để xem áp suất nước có quả tải đường ống không.
Khi nước được tưới ở đâu thì sẽ có đèn báo hiệu ở vị trí đó.
1.8. Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung
Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng trong thực tiễn. Tuy nhiên,
do giá thành quá cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các
thiết bị đó. Vì vậy, em đã thực hiện nghiên cứu hệ thống tưới sử dụng cảm
biến độ ẩm của không khí để quyết định thời gian tưới cho cây trồng. Hệ
thống chế tạo đơn giản, chi phí thấp dễ sửa chữa…
1.9. Kết luận chương 1
Qua những thông tin về nền nông nghiệp, công nghiệp của Việt Nam và
của các nước phát triển trên thế giới nên trên. Chúng ta thấy rằng không áp
dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là một thiếu sót
rất lớn đối với một đất nước chủ yếu về nông nghiệp. Tuy nhiên để áp
dụng công nghệ hiện đại như ở Israel hay Nhật Bản vào nền nông nghiệp
nước ta ngay lúc này là điều rất khó khăn vì những hệ thống đó đòi hỏi
phải đầu tư rất cao với những người nông dân ở Việt Nam. Từ thực tế đó
chúng em thấy rằng mình hoàn toàn có thể học hỏi và thiết kế những hệ
thống tự động hóa đơn giản trong nông nghiệp với giá thành rẻ hơn nhưng
vẫn đáp ứng được yêu cầu của một hệ thống thông minh. Qua quá trình
15
khảo sát tại một số khu vườn và thực tế trồng trọt tại gia đình, để tài của
em làm là “Thiết kế hệ thống tưới nước tự động sử dụng vi điều khiển
PIC 18F4520". Đây là một đề tài có tính ứng dụng rất thực tế. Nội dung
thiết kế chi tiết sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.
16
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG
2.1 Xây dựng sơ đồ khối
Theo những gì đã trình bày ở trên và khảo sát thực tế. Em đưa ra sơ đồ
khối của hệ thống như sau
Hình 2. 1. Sơ đồ khối của hệ thống tưới nước tự động
Trong sơ đồ khối trên gồm các khối:
- Khối điều khiển trung tâm PIC18F4520: Điều khiển toàn bộ chức
năng của mạch, nhận dữ liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm. Đưa
hiển thị lên LCD sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật/ tắt máy bơm.
- Khối cảm biến: SHT10 và module thời gian thực Ds1307. Xác định
giá trị nhiệt độ, độ ẩm và thời gian.
- Khối hiển thị LCD: Là LCD 2 dòng 16 kí tự để hiển thị nhiệt độ, độ
ẩm trong môi trường, thời gian.
- Khối nguồn LM2576: Là khối cơ bản nhất, tạo ra điện áp ổn định,
cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ linh kiện trong mạch.
- Khối dao động thạch anh: Cung cấp xung cho vi điều khiển PIC
18F4520 hoạt động.
17
2.2 Chức năng của từng khối
2.2.1. Khối vi điều khiển PIC 18F4520
Hình 2. 2. Sơ đồ chân của PIC 18F4520 [3]
Các chức năng:
- Chân 1>7: Port A (RA) là các port I/O.
- Chân 33>40: Port B (RB) là các port I/O.
- Chân 15>18: và chân 23>26: Port C (RC) là các chân I/O.
- Chân 19>22 và chân 27>30: Port D (RD) là các chân I/O.
- Chân 12 và 31: Nối mass
- Chân 11 và 32: Nối nguồn
2.2.1.1. Một vài thông số về PIC 18F4520
Bộ vi điều khiển ghi tắt là Micro controller là mạch tích hợp trên một
chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống.
Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu
trữ thông tin, xử lí thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu
nào đó.
Trong các thiết bị điện và điện tử các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt
động của TV, máy giặt, điện thoại…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ
