Đồ án Máy tưới nước tự động thích hợp để tưới nước cho cây

I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: 1. Giới thiệu đề tài: Lâu nay bà con nông dân vẫn dùng nhiều phương pháp tưới nước như dùng gàu vẫy tát nước cho cây hoặ tưới cây bằng xăng dầu, motor điện với ống chuyển nước…dần dần cách này không phát huy hiệu quả vì còn mang tính thủ công, tốn nhiều công sức, chi phí cao, chưa đáp ứng nhu cầu của tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn. Phát sinh từ nhu cầu thực tế đó, nhóm chúng em bắt tay vào nghiên cứu đề tài: Máy tưới nước tự động thích hợp để tưới nước cho cây ở vườn nhà hoặc hoa kiểng ở các công viên…với ưu điểm giảm được nhân công, nhanh, không tốn nhiên liệu, rút ngắn thời gian, tiết kiệm cho người tiêu dùng. Đề tài này bao gồm 2 phần cơ bản: Nội dung : Nêu khái quát phần lí thuyết cơ bản liên quan. Thi công: Sơ đồ nguyên lý, quá trình thi công mạch, nguyên lý hoạt động mạch. 2. Hạn chế đề tài : Đề tài này được ứng dụng khá rộng rãi nhưng trong phạm vi cho phép chúng em chỉ có thể thực hiện hệ thống tưới nước tự động ở mức độ đơn giản, phần vì thời gian nghiên cứu không nhiều cũng như kinh phí đầu tư cho đề tài. 3. Phương pháp nghiên cứu: Sự hướng dẫn của giáo viên. Thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài Ứng dụng về các kiến thức vi xử lí và điện tử số đã được học. II. NỘI DUNG: 1 . Lí thuyết cơ bản: 1.1 Vi điều khiển AT89C51 AT89C51 là phiên bản 8051 có ROM trên chip là bộ nhớ Flash. Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ FLASH có thể được xoá trong vài giây. Tất nhiên là để dùng AT89C51 cần phải có thiết bị lập trình PROM hổ trợ bộ nhớ Flash nhưng không cần đến thiết bị xoá ROM vì bộ nhớ Flash được xoá bằng thiết bị lập trình PROM. Để tiện cho việc sử dụng, hiện nay hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT89C51 cò thể lập trình qua cổng COM của máy tính PC và như vậy sẽ không cần đến thiết bị lập trình PROM. a. Một số nét đặc trưng: Tương thích với sản phẩm MCS-51 Bộ nhớ chương trình bên trong: 4KB (ROM) Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 KB (RAM) Port xuất nhập (I/O port) :32 2 bộ định thời 16 bit Ngắt :6 Nguồn cấp :Vcc =5V 3 vị trí khoá bộ nhớ chương trình. Mạch giao tiếp nối tiếp. Hoạt động tĩnh: từ 0 Hz đến 24 MHz Chạy không nguồn thấp và chế độ giảm nguồn. Số chân IC :40 b. Sơ đồ khối của chip AT89C51 c. Sơ đồ chân và chức năng các chân của vi điều khiển AT89C51 chức năng: Vcc:nguồn cấp (chân số 40) GND: Nối đất (chân số 20 ) Port 0: Port 0 (P0.0 – P0.7)  có số chân từ 32- 39 Port 0 là port xuất nhập 8bit 2 chiều. Port 0 được định hình làm bus địa chỉ (byte thấp) và làm bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài. Port 0 nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chương trình. Port 1 : Port 1 (P1.0 – P1.7) có số chân từ 1 – 8. Port 1 là một port xuất nhập 8bit có các điện trở kéo lên bên trong.khi các logic 1 được đặt lên các chân của port 1, các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như là các ngõ vào. Khi thực hiện là các port nhập, các chân của port 1 được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng cho các điện trở kéo lên bên trong. Port 2 : Port 2 (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 -28 Port 2 là port xuất nhập 8bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên trong. Khi các logic 1 được đặt lên các chân của port 2, các chân này được sử dụng như là các ngõ vào. Khi thực hiện chức năng port nhập, các chân port 2 được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong. Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớchương trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16 bit. Port 3 : Port 3 (P3.0 - P3.7) có số chân từ 10 – 17 Port 3 là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên trong. Khi các logic 1 được đặt lên các chân của port 3 các chân này được đưa lê mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như là các ngõ vào. Khi làm chức năng port nhập, các chân port 3 được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong. Port 3 còn được sử dụnglàm các chức năng khác của AT89C51. Chức năng của các chân được mô tả qua bảng sau : Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp P3.2 INTO\ B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 INT1\ B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 1 P3.6 WR\ B6H Điều khiển ghi vào RAM ngoài P3.7 RD\ B7H Điều khiển đọc từ RAM ngoài RST : Thiết lập lại ( chân 9). Mức cao trên chân này trong 2 chu kì máy trong khi bộ dao động đang hoạt động sẽ Reset AT89C51. Mạch Reset tự động khi khởi động máy Ở đây chúng ta thực hiện Reset bằng cách nối chân 9 của 8951 với nguồn 5V. Chân ALE  (Address Latch Enable) /: chân số 3 Là một xung ngõ ra cho phép chốt địa chỉ, cho phép chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài. Chân này cũng được dùng làm ngõ vào xung lập trình () trong thời gian lập trình cho Flash. Khi hoạt động bình thường, xung của ngõ ra ALE luôn luôn có tần số bằng 1/6 tần số của mạchdao động trên chip, có thể được sử dụng cho các mục đích định thời từ bên ngoài và tạo xung Clock. Tuy nhiên cần lưu ý là một xung ALE sẽ bị bỏ qua trong mỗi chu kì truy xuất của bộ nhớ dữ liệu ngoài. Khi cần hoạt động cho phép chốt byte thấp của địa chỉ sẽ được vô hiệu hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) có địa chỉ byte là 8EH. Khi bit này được set, ALE chỉ tích cực trong thời gian thực hiện lệnh MOVX hoặc MOVC. Ngược lại chân này sẽ được đưa lên mức cao. Việc set bit không cho phép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ sẽ không có tác dụng nếu bộ điều khiển đang ở chế độ thực thi chương trình ngoài. Chân (Program Store Enable):cho phép đọc bộ nhớ chương trình, chân số 29 Khi 8951 thực thi mã từ bộ nhớ chương trình ngoài, được hoạt động 2 lần trong mỗi chu kỳ máy ngoại trừ hoạt của được bỏ qua trong mỗi bộ nhớ dữ liệu ngoài. Chân/ Vpp (External Access): truy xuất ngoài , chân số 31 phải đươc nối với GND cho phép xuất mã từ vị trí bộ nhớ chương trình ngoài bắt đầu tại 0000H đến FFFFH. Chú ý:cho dù thế nào, nếu khoá bit 1 được lập trình, sẽ được chốt bên trong lúc Reset. nối Vcc để thực hiện chương trình bên trong. Chân này nhận điện áp cho phép lập trình là 12V (Vpp) trong khi lập trình Flash Chân XTAL 1 (Crysral), hân 18) Ngõ vào mạch khuếch đại đảo của mạch dao động và ngõ vào mạch tạo xung Clock bên trong chip Chân XTAL 2(chân 19) Ngõ ra mạch khuếch đại đảo của mạch dao động. Để tạo dao động cho vi điều khiển AT89C51 hoạt động, chúng em chọn mạch dao động như hình vẽ sau với các giá trị của linh kiện: C1= C2=3pF Thạch anh dao động có tần số 12MHz Cách mắc của mạch dao động 1.2 Cảm biến nhiệt LM 35 LM35 là họ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Họ cảm biến này không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn nó đã được cân chỉnh, coù theå hoaït ñoäng ñeán 1500C töông öùng vôùi nhieät ñoä 00 K , LM35 cho ra ñieän aùp 0V . Cöù taêng 100 C ,ñieän aùp ra taêng 10mV. Nhö vaäy vôùi 00 C thì ñieän aùp laø 2.73V. Ý nghĩa các chân (TO92): Chân 1:V+ Chân 2:Vout Chân 3:GND Một số tính chất cơ bản của LM35: LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1oC. Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25oC nó có sai số không quá 1%. Với tầm đo từ 0oC – 128oC, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào. Thông số kỹ thuật: Tiêu tán công suất thấp. Dòng làm việc từ 400mA – 5mA. Dòng ngược 15mA. Dòng thuận 10mA. Độ chính xác: khi làm việc ở nhiệt độ 25oC với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94V – 3,04V. Đặc tính điện: Theo thông số của nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như sau: Vout = 0,01´ToK = 2,73 + 0,01ToC. Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0oC – 100oC ta có sự biến thiên điện áp ngõ ra là: Ở 0oC thì điện áp ngõ ra Vout = 2,73 (V). Ở 5oC thì điện áp ngõ ra Vout = 2,78 (V). …………………………………… Ở 100oC thì điện áp ngõ ra Vout = 3,73 (V). Tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 0oC - 100oC là 1V. 1. 3 Bộ chuyển đổi ADC 0804 ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC0800, chip này có nguồn nuôi +5V và độ phân giải 8bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn . Các chân có chức năng như sau: CS (chip select) – chọn chip Đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng đẻ kích hoạt ADC0804. RD (Read) – đọc Đây là tín hiệu vào, tích cực mức thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong. RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chuyển đổi tới đầu ra của ADC0804. Khi CS =0 nếu có 1 xung cao xuống thấp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu D0 –D7. Chân RD còn được xem là cho phép đầu ra. WR (Write) – Ghi Là chân tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC0804 bắt đầu chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu tiến hành chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8bit. Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR ở mức thấp. CLK IN và CLK R CLK IN là chân vào nối tới đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài sử dụng để tạo thời gian. Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R được nối với 1 tụ điện và 1 điện trở như hình vẽ: Ngắt INTR Ngắt ( kết thúc chuyển đổi), đây là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân này ở mức cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp khi đó đặt CS = 0 và gửi 1 xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra. Vin(+) và Vin(-) Là 2 đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin(+) – Vin(-). Vin(-) nối mass, Vin(+) dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số. Vcc Nguồn +5V, dùng làm điện áp tham chiếu khi đầu vàoVref/2 (chân 9) hở. Vref/2 Chân 9 là điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu D0 – D7 Là các chân ra dữ liệu (D7 là bit cao nhất MSB, D0 là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm 3 trạng thái và dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS =0 và RD mức thấp. Chân đất tương tự và chân đất số A GND, D GND Là những chân đầu vào cấp đất chung cho cả tín hiệu số và tương tự. 1.4 Bộ đệm không đảo 74LS245 Là thiết bị cho phép chuyển giao dữ liệu từ bus A đến bus B hoặc bus B đến bus A phụ thuộc vào mức logic ngõ vào điều khiển trực tiếp (DIR), ngõ vào cho phép () dùng để không cho phép thiết bị hoạt động để cách li các đường bus hiệu quả . Đặc điểm: Có 20 chân 3 trạng thái nõ ra điều khiển trực tiếp đường bus Ngõ vào PNP giảm tải DC trên đường bus Hiện tượng trễ ở bus ngõ vào nhằm cải thiện mép nhiễu Loại truyền thời gian delay port đến port 8ns Loại thời gian cho phép/ không cho phép 17 ns IOL =24 mA IOH = -15 mA 2. Nguyên lý hoạt động : Dùng cảm biến nhiệt độ kết hợp thời gian để điều khiển hệ thống tưới nước .Mạch hoạt động theo nguyên tắc sau: - Buổi sáng : 5g- 6g + t³200C à tự động tưới - Buổi chiều :17g-18g + t³200C à tự động tưới 3. Lưu đồ giải thuật Nhiệt độ:Nhập dữ liệu từ ADC giải mã hiển thị nhiệt độ. Hiển thị: Giải mã và hiển thị đồng hồ Tăng giá trị Led: Tăng giờ, phút, giây Điều khiển :Kiểm tra nhiệt độ và thời gian để điều khiển động cơ BẮT ĐẦU KHỞI TẠO TMOD KHỞI TẠO IE BUỘC NGẮT T0 NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ TĂNG GIÁ TRỊ ĐIỀU KHIỂN 4. Chương trình $MOD51 GIO EQU 30H PHUT EQU 31H GIAY EQU 32H PTRAM_GIAY EQU 33H CS BIT P3.0 READ BIT P3.1 WRITE BIT P3.2 INTR BIT P3.3 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP T0_ISR ORG 0030H MAIN: CLR CS CLR READ MOV IE,#82H MOV GIAY,#00H MOV PHUT,#00H MOV GIO,#00H MOV PTRAM_GIAY,#00H CLR P3.7 MOV R1,#10 MOV TMOD,#01H SETB TF0 SETB TR0 CT_CHINH: ACALL NHIETDO ACALL DISPLAY ACALL CHINH_GIAY ACALL SOSANH ACALL SOSANH1 LJMP CT_CHINH T0_ISR: MOV TH0,#HIGH(-10000) MOV TL0,#LOW(-10000) INC PTRAM_GIAY MOV R0,PTRAM_GIAY CJNE R0,#100,THOAT MOV PTRAM_GIAY,#00H INC GIAY MOV R0,GIAY CJNE R0,#60,THOAT MOV GIAY,#00H INC PHUT MOV R0,PHUT CJNE R0,#60,THOAT MOV PHUT,#00H INC GIO MOV R0,GIO CJNE R0,#24,THOAT MOV GIO,#00H RETI THOAT: RETI NHIETDO: CLR WRITE SETB WRITE JB INTR,$ MOV A,P1 MOV DPTR,#BANGSO MOV B,#10 DIV AB MOV 25H,A MOV 26H,B MOV 27H,25H MOV 28H,26H MOV P0 ,#11111110B MOV A,28H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH MOV P0 ,#11111101B MOV A,27H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET TACHSO: MOV B,#10 DIV AB MOV 40H,A MOV 41H,B RET DISPLAY: ACALL GAN1 ACALL LED1 ACALL LED2 ACALL LED3 ACALL LED4 ACALL LED5 ACALL LED6 RET GAN1: MOV DPTR,#BANGSO MOV A,GIAY ACALL TACHSO MOV 34H,41H MOV 35H,40H MOV A,PHUT ACALL TACHSO MOV 36H,41H MOV 37H,40H MOV A,GIO ACALL TACHSO MOV 38H,41H MOV 39H,40H RET LED1: MOV P0 ,#11111011B SETB P0.0 MOV A,34H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET LED2: MOV P0 ,#11110111B SETB P0.0 SETB P0.7 MOV A,35H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET LED3: MOV P0 ,#11101111B SETB P0.0 SETB P0.7 MOV A,36H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET LED4: MOV P0 ,#11011111B SETB P0.0 SETB P0.7 MOV A,37H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET LED5: MOV P0 ,#10111111B SETB P0.0 SETB P0.7 MOV A,38H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET LED6: MOV P0 ,#01111111B SETB P0.0 MOV A,39H MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET TAT_LED1: MOV P2,#0C0H MOV P0,#00H ACALL DELAY MOV P0,#0FFH ACALL DELAY MOV P2,#0C0H MOV P0,#00H ACALL DELAY MOV P0,#0FFH RET NN1: DJNZ R1,TAT_LED1 ACALL LED1 ACALL LED2 MOV R1,#10 RET NN2: DJNZ R1,TAT_LED1 ACALL LED3 ACALL LED4 MOV R1,#10 RET NN3: DJNZ R1,TAT_LED1 ACALL LED5 ACALL LED6 MOV R1,#10 RET CHINH_GIAY: JB P3.4,THOAT1 A_GIAY: ACALL DELAY_NUT ADJ_GIAY: MOV R7,#0 ACALL GAN1 ACALL NN1 ACALL LED3 ACALL LED4 ACALL LED5 ACALL LED6 JNB P3.5,A_PHUT JNB P3.4,THOAT1 JB P3.6,ADJ_GIAY ADJ_GIAY1: MOV B,#30 INC R7 MOV A,R7 DIV AB MOV A,B CJNE A,#0,ADJ_GIAY2 INC GIAY MOV A,GIAY CJNE A,#60,ADJ_GIAY2 MOV GIAY,#0 ADJ_GIAY2: ACALL DISPLAY JNB P3.5,ADJ_GIAY1 ACALL ADJ_GIAY RET THOAT1: RET A_PHUT: ACALL DELAY_NUT ADJ_PHUT: MOV R7,#0 ACALL GAN1 ACALL LED1 ACALL LED2 ACALL NN2 ACALL LED5 ACALL LED6 JNB P3.5,A_GIO JNB P3.4,THOAT2 JB P3.6,ADJ_PHUT ADJ_PHUT1: MOV B,#30 INC R7 MOV A,R7 DIV AB MOV A,B CJNE A,#0,ADJ_PHUT2 INC PHUT MOV A,PHUT CJNE A,#60,ADJ_PHUT2 MOV PHUT,#0 ADJ_PHUT2: ACALL DISPLAY JNB P3.6,ADJ_PHUT1 ACALL ADJ_PHUT RET ;-------------------------------------------------- A_GIO: ACALL DELAY_NUT ADJ_GIO: MOV R7,#0 ACALL GAN1 ACALL LED1 ACALL LED2 ACALL LED3 ACALL LED4 ACALL NN3 JNB P3.5,A_GIAY JNB P3.4,THOAT2 JB P3.6,ADJ_GIO ADJ_GIO1: MOV B,#50 INC R7 MOV A,R7 DIV AB MOV A,B CJNE A,#0,ADJ_GIO2 INC GIO MOV A,GIO CJNE A,#24,ADJ_GIO2 MOV GIO,#0 ADJ_GIO2: ACALL DISPLAY JNB P3.6,ADJ_GIO1 ACALL ADJ_GIO RET THOAT2: RET SOSANH: MOV A,GIO CJNE A,#05,THOAT3 MOV A,PHUT CJNE A,#00,THOAT3 MOV A,GIAY CJNE A,#00,THOAT3 MOV A,P1 CJNE A,#20,$+3 JC THOAT3 SETB P3.7 RET SOSANH1: MOV A,GIO CJNE A,#06,THOAT3 MOV A,PHUT CJNE A,#00,THOAT3 MOV A,GIAY CJNE A,#00,THOAT3 CLR P3.7 RET THOAT3: RET DELAY_NUT: MOV R5,#50 AGAIN1: DJNZ R5,$ RET BANGSO: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H RET DELAY: PUSH 00H PUSH 01H MOV R1,#5 LOOP: MOV R0,#250 DJNZ R0,$ DJNZ R1,LOOP POP 01H POP 00H RET END 5. Sơ đồ mạch in 6. Sơ đồ nguyên lý III. KẾT LUẬN Trên đây là ý tưởng thiết kế của chúng em, phần nào là giải pháp thiết thực để giúp bà con nông dân thoát khỏi phương pháp thủ công và góp một phần nhỏ nào trong công cuộc đổi mới trong nông nghiệp. Từ những nền tảng sẵn có chúng ta có thể nghĩ ra những ý tưởng khác nữa, tùy vào mục đích sử dụng mà tìm những thiết bị phù hợp cho ý tưởng của mình. Mong rằng rồi đây sẽ còn có nhiều sản phẩm điện tử mới được ra đời đáp ứng được nhu cầu của con người và tiến dần đến tự động hóa trong tất cả các lĩnh vực.