MỤC LỤC Lời nói đầu Trang:2 • Đặt vấn đề 3 • Giới hạn đề tài 4 • Mục đích nghiên cứu 4 Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính 5 1.1. Hệ thống đo lường 5 1.2. Các phương pháp đo nhiệt độ 7 1.3. Các phương pháp đo độ ẩm 11 1.4. Đo tần số 13 Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển cùng các linh kiện thực hiện đo lường 16 2.1. Đo nhiệt độ 16 2.2. Đo độ ẩm 20 2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ, độ ẩm 25 2.4. Giải thuật chương trình 27 Chương 3: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 30 3.1. Vấn đề điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 30 3.2. Vi điều khiển, IC và các thiết bị chấp hành điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 31 3.3. Xây dựng card điều khiển nhiệt độ độ ẩm 31 3.3.1. Nhiệm vụ thiết kế 31 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý 31 3.3.3. Giải thuật chương trình 32 Chương 4: Xây dựng Card truyền thông 33 4.1. Nhiệm vụ thiết kế 33 4.2. Các linh kiện chủ yếu trong Card 34 4.3. Sơ đồ nguyên lý 34 4.4. Giao thức truyền thông 34 Hình ảnh các modul xây dựng cho mô hình nhà kính 36 Kết luận 37 Tài liệu tham khảo 38 LỜI NÓI ĐẦU Trang: 1 Ngày nay, việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong quá trình sản suất đang là vấn đề được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước. Trong trường đại học cao đẳng nghiên cứu khoa học cũng được sinh viên rất quan tâm, cụ thể đã có nhiều đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn cao, áp dụng cho sản suất với chất lượng mong muốn. Qua thời gian học tập tiếp thu những kiến thức của các thầy cô giáo chúng em đã quyết định nghiên cứu sâu hơn đề tài: “Xây dựng giám sát và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho mô hình nông nghiệp công nghệ cao”. Với sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương. Đề tài gồm các phần sau: Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính. Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển cùng các linh kiện thực hiện đo lường. Chương 3: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm. Chương 4: Xây dựng Card truyền thông. Trong quá trình tìm hiểu chúng em đã cố gắng tìm hiểu nghiên cứu các vấn đề thuộc phạm vi đề tài nhưng do thời gian ngắn, trình độ hiểu biết có hạn nên trong đề tài không tránh khỏi những sai sót. Mong thầy cô và các bạn góp ý và giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn. Cung cấp đầy đủ các file dữ liệu trừ mạch phần cứng Nhóm nghiên cứu khoa học ĐẶT VẤN ĐỀ Trang: 2 Hiện nay với thực trạng chung của nghành kinh tế là đẩy nhanh sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng những sản phẩm khoa học vào trong các nghành khác đặc biệt là trong nghành công nghiệp và nông nghiệp. Vấn đề nông nghiệp công nghệ cao càng ngày càng được quan tâm nhiều hơn, và thực tế ở các nước phát triền thì đây là những mô hình chủ yếu, một số nước có nền nông nghiệp công nghệ cao phát triển như Anh, Mỹ, Trung quốc, Nhật bản,… Việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao đem lại nhiều hiệu quả cho nền kinh tế: Tăng hiệu quả sản suất, giảm nhiều chi phí đầu tư, tăng năng suất cây trồng, có thể tạo sản phẩm nông nghiệp theo yêu cầu thị trường mà không quan tâm đến mùa vụ,… Ngoài ra việc phát triển nghành nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao cũng là sân cho sự sáng tạo, ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản suất, đem lại nhiều hiệu quả kinh tế. Việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao là sản phẩm của việc ứng dụng những ngành công nghệ như: Công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, công nghệ quản lý,… vào trong nghành nông nghiệp. Ở nước ta chính phủ cũng đã có những biện pháp đầu tư, khuyến khích nghiên cứu, phát triển, xây dựng những mô hình nông nghiệp công nghệ cao. Tuy nhiên do điều kiện kinh tế, trình độ khoa học kỹ thuật nên tiến trình ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật mới này còn hạn chế, chỉ thực hiện ở một số nơi. Do vậy,chỉ một số nơi có khả năng kinh tế, điều kiện thu hút đầu tư như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Lâm Đồng,… đã triển khai và khá thành công trong nhiều ứng dụng xây dựng mô hình nông nghiệp công nghệ cao. Vì vậy việc xây dựng những ứng dụng công nghệ để phát triển nền nông nghiệp là hết sức bức thiết, và phù hợp với xu thế chung của nền nông nghiệp thế giới. Trang: 3 • Mục đích nghiên cứu Xây dựng mô hình nhà kính hiện đại phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, hình a: Hình a: Mô hình nhà kính Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào việc giám sát và điều khiển các thông số cho phù hợp với yêu cầu của cây trồng, vật nuôi. Phát triền mô hình nhà kính điều khiển tự động. • Giới hạn đề tài. Do thời gian có hạn nên hiện tại nhóm mới thực hiện được đo 2 thông số nhiệt độ và độ ẩm, điều khiển on – off các thiết bị rơle, chưa xây dựng được mô hình hoàn chỉnh của nhà kính. Trang: 4 Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính 1.1. Hệ thống đo lường. a. Giới thiệu. Đo lường là 1 quá trình đánh giá đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo Kết quả đo lường bằng số(A x ) được định nghĩa là tỷ số giữa đại lượng cần đo (X) và đơn vị đo (X 0 ) [1] A x = X/X 0 (1 – 1) Trong đo lường thì kết quả đo lường được đặc trưng bởi các yếu tố sau: - Đại lượng cần đo - Điều kiện đo - Phương pháp đo - Đơn vị đo - Thiết bị đo - Người quan sát thu nhận các kết quả đo - Kết quả đo Để thực hiện 1 phép đo nào đó ta có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau trên cơ sở hệ thống đo lường khác nhau. 1 hệ thống đo lường tổng quát có dạng như hình 1.1[1] Hình 1.1: Hệ thống đo lường tổn quát. Trong đó: Khối chuyển đổi sơ cấp: Thực hiện chức năng biến đổi đại lượng đo thành tín hiệu điện, nó là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo, quyết Trang: 5 định tính chính xác của phép đo. Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau tùy thuộc vào đại lượng cần đo và yêu cầu đầu ra. Khối mạch đo: Thực hiện chức năng thu thập gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp, thực hiện các thao tác tính toán. Tùy thuộc vào yêu cầu tính toán, kiểu đo,yêu cầu đầu ra,… mà mạch đo có câu trúc cũng như khả năng xử lý là khác nhau. Mạch đo thường xử dụng vi điều khiển hoặc vi xử lý để nâng cao khả năng tính toán xử lý số liệu. Khối chỉ thị: Là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thể hiện kết quả của phép đo dưới dạng con số, có kèm đơn vị của đại lượng cần đo. b. Hệ thống đo lường số. Hiện nay khi nói đến đo lường người ta thường nghĩ đến vấn đề điều khiển, và ngược lại muốn điều khiển được phải thực hiện việc đo lường. Hình 1.2: Hệ thống đo lường số. Các khối trong hệ thống: - Cảm biến: Thực hiện việc đo các đại lượng vật lý(có thể là đại lượng điện hoặc không điện) - KD tín hiệu: bộ khuếch đại tín hiệu, để tăng khả năng nhận biết được tín hiệu. Trang: 6 - ADC: chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số để Vi điều khiển tính toán cà hiển thị - Vi điều khiển: Thực hiện xử lý trung tâm, tính toán ra các kết quả, thực hiện hiển thị, lưu trữ, truyền đi xa,… - Hiển thị: Hiển thị các kết quả đo được. - Điều khiển thiết bị: Sau khi tính toán các thông số Vi điều khiển có thể thực hiện các lệnh để đảm bảo yêu cầu nào đó đã được đề ra. 1.2. Các phương pháp đo nhiệt độ. Nhiệt độ là thông số quan trọng ảnh hưởng nhiều đến đặc tính của vật chất, quá trình kỹ thuật, và đặc biệt trong nông nghiệp nhiệt độ là đại lượng hết sức quan trọng ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của cây trồng vật nuôi, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bảo quản,… Yêu cầu đo nhiệt độ là cần thiết, để có được những biện pháp điều khiển thay đổi hoặc giả là tránh không để sảy ra hậu quả do nhiệt độ gây ra. Nhiệt độ là 1 đại lượng không điện, nên ta phải thực hiện đo gián tiếp. Đo nhiệt độ có thể sử dụng các phương pháp sau: Dùng các dụng cụ hỗ trợ như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode, transistor, IC cản biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh,… Có các phương pháp đo nhiệt độ như: + Đo tiếp xúc: Các chuyển đổi được đặt trực tiếp tại môi trường cần đo, thường dùng cho nơi có nhiệt độ thấp. Gồm các loại cảm biến như: Nhiệt kế nhiệt điện trở, nhiệt kế nhiệt ngẫu, các cảm biến bằng linh kiện bán dẫn như diode, transistor, IC + Đo không tiếp xúc: Các cảm biến, chuyển đổi đặt ngoài môi trường cần đo, thường dùng cho nơi có nhiệt độ cao, có thể dùng các thiết bị đo như sau: Hỏa quang kế, bức xạ, quang phổ,… Một số phương pháp đo nhiệt độ: a. Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở. Trang: 7 Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể được cấu tạo từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn,…quấn trên 1 lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngoài. Yêu cầu của các vật liệu dùng để chế tạo nhiệt điện trở: + Hệ số nhiệt lớn. + Điện trở suất lớn. + Tính ổn định hóa lý cao. + Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao. Mạch đo thường dùng khi sử dụng nhiệt điện trở[2]: hình 1.3: Hình 1.3: Cầu Wheatston Rt: nhiệt điện trở. Rn: điện trở mẫu. R E : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở. E: nguồn 1 chiều. R1, R2: điện trở cầu đo. G: điện kế. Khi cầu cân bằng: dòng qua điện kế G bằng không. V R1 = V R2 , V Rt = V Rn (1 – 2) Gọi dòng qua R1, Rt là I1; dòng qua R2 và Rn là I2 thì: I1R1 = I2R2 I1Rt = I2Rn  R1/Rt = R2/Rn hay Rt = (R1 /R2)*Rn. (1 – 3) Vậy với các giá trị R1, R2, Rn đã xác định ta có thể xác định được Rt. Độ chính xác phụ thuộc độ nhạy của điện kế G, ngoài ra sai số của R1,R2,Rn cũng ảnh hưởng đến sai số của Rt. b. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu. Cấu tạo: Một cặp nhiệt ngẫu được cấu tạo bởi 2 dây A, B và tại điểm tiếp xúc của chúng có nhiệt độ T1,T2 sẽ tạo ra 1 sức điện động E tùy thuộc Trang: 8 vào vật liệu dây A, B và nhiệt độ T1, T2. Nhiệt độ một trong 2 mối nối là cố định và được dùng làm chuẩn(giả sử T1), trong khi nhiệt độ còn lại(T2) của mối nối còn lại là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt Tx. Tc phụ thuộc Tx, và các đại lượng bên ngoài khác và điện trở dây dẫn, thanh A, B. Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu[2] : hình 1.4 Trong hình vẽ: 1: Điểm 2 dây hàn nối nhau. 2: Ống, dùng để bảo vệ khi đo ở nhiệt độ cao. 3: Ống sứ, dùng để cách điện 2 dây. 4: Hộp đầu nối. Hình 1.4: Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu Ưu điểm: Tốc độ phản ứng nhanh. Kích thước bé, độ chính xác cao. Tự tạo ra sức điện động, không cần đưa dòng 1 chiều vào. Nhược điểm: phải biêt rõ nhiệt độ của mối chuẩn (T1) nếu T1 không chính xác thì Tc cũng không chính xác. c. Đo nhiệt độ bằng IC chuyên dụng. Trang: 9 Ngày nay dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã tích hợp những mạch transistor đo nhiệt độ thành những IC đo nhiệt độ hoàn hảo, được ứng dụng nhiều trong thực tế. Ưu điểm: thuận tiện trong sử dụng, độ chính xác cao, giá thành hạ, … Nhược điểm: Khoảng nhiệt độ đo được hạn chế: -50 – 150 o C. Nguyên lý hoạt động: Nhận tín hiệu thay đổi nhiệt độ dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ rồi chuyển thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện,… Một số loại IC đo nhiệt độ: - AD 590: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy 1A/ o K. Độ chính xác +4 o C. Nguồn cấp Vcc = 4 – 30V. Phạm vi đo: -55 – 150 o C - LM135, LM235, LM335: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy 10mV/1 o C. Dòng làm việc 400μA - 500 μA. Sai số 1.5 o C khi nhiệt độ lớn hơn 100 o C. Phạm vi đo: Lm335: -10 – 125 o C Lm235: -40 – 140 o C Lm135: -55 – 200 o C Lm35: -55 – 150 o C Sau khi nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ, thấy được ưu điểm của IC đo nhiệt độ là dễ sử dụng, độ chính xác cao,… Nên nhóm đã quyết định dùng IC để đo nhiệt độ, cụ thể là dùng IC LM335. Trang: 10 [...]... độ, độ ẩm ở các chương 1, 2 chúng ta đã nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và cũng đã xây dựng mạch đo nhiệt đô, độ ẩm, chúng ta đã có thể đưa nhiệt độ, độ ẩm về máy tính (Vi điều khiển trung tâm), mục đích cuối cùng là hiển thị và điều khiển để được nhiệt độ, độ ẩm môi trường mong muốn Các thiết bị chấp hành để có thể thay đổi nhiệt độ trong thực tế(ứng dụng cho nhà kính – trong hoạt động... Trang: 30 3.2 Vi điều khiển, IC và các thiết bị chấp hành điều khiển nhiệt độ, độ ẩm Thực tế các thiết bị chấp hành đều là các thiết bị có công suất vừa, nhưng trong khi xây dựng mô hình nhóm chỉ xây dựng điều khiển cho các thiết bị công suất nhỏ, các thiết bị chấp hành chỉ là các động cơ nhỏ, hoặc các đèn,… Điều khiển chỉ là điều khiển on – off Vi điều khiển thực hiện điều khiển là vi điều khiển 8951,... phụ thuộc vào hàm lượng nước(tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ và khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm Hàm lượng nược lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ Trang: 11 Đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ của độ ẩm như hình 1.5[2]: Hình 1.5 Đặc điểm của ẩm kế điện trở : có thể đo được độ ẩm tương đối từ 5 – 95% trong dải nhiệt độ -100 –... đo độ ẩm( đo tần số) (hình 2.14) Hình 2.14: giải thuật đo độ ẩm Vi điều khiển tiến hành đo tần số, giá trị đo được được lưu vào bộ nhớ Khi có yêu cầu gủi tin từ máy tính vi điều khiển sẽ gửi bản tin về máy tính(theo khung truyền) Trang: 29 Chương 3: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 3.1 Vấn đề điều khiển nhiệt độ, độ ẩm Để môi trường luôn được ổn định thì 2 thông số cần được quan tâm đầu tiên là nhiệt độ, . .. đo độ ẩm Độ ẩm là 1 thông số quan trọng tác động trực tiếp tới con người, các quá trình sinh lý hóa, thiết bị máy móc, Độ ẩm cao sẽ ảnh hưởng đến các thiết bị mạch điện tử, các linh kiện,làm giảm cách điện của hệ thống,… Đặc biệt trong hoạt động nông nghiệp thì độ ẩm cũng là thông số quan trọng không kém nhiệt độ đối với ảnh hưởng tới cây trồng vật nuôi, sự phát triển của sâu bệnh,… Độ ẩm và nhiệt độ. .. nước và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T RH% = (Ph/Pbh(T))*100% (1 – 5) Độ ẩm là một đại lượng không điện, nên để đo được độ ẩm ta phải chuyển đồi nó sang đại lượng điện như điện áp, dòng điện hay tần số Sau đây là 1 số phương pháp đo độ ẩm a Đo độ ẩm bằng ẩm kế biến trở Cấu tạo: Ẩm kế kiểu biến trở kim loại gồm 1 đế(vài mm 2) được phủ chất hút ẩm và đặt hai thanh dẫn bằng kim loại không bị ăn mòn và. .. nhiệt độ rộng từ -40 – 100oC - Độ nhạy 10mV/1oC - Quá dải nhiệt : 200oC - Giá thành thấp Hình vẽ mô tả IC Lm335 như hình 2.3a,b a, b, c, out D 11 R 4 1k HI R 3 10k L M 3 3 5 /TO 9 2 0 Mạch đo: hình 2.3c 2.2 Đo độ ẩm 2.2.1 Vi điều khiển AT89S51 Bộ vi điều khiển AT89S51 là bộ vi điều khiển thuộc họ VĐK x51 được sản xuất bởi công ty ATMEL a Đặc điểm chung của bộ vi điều khiển - 4 kb Rom - 128 b Ram -... động sản xuất nông nghiệp) : - Đối với điều khiển nhiệt độ: Ta có thể điều khiển nhiệt độ thông qua các biện pháp: + Thông khí tự nhiên bằng cách đóng mở vách bao xung quanh và mái dùng phương pháp tự động( Dùng các động cơ để quấn các vách hay đóng mở vách) hoặc thủ công + Thông khí nhân tạo bằng cách dùng quạt hút, quạt đẩy,… + Giảm nhiệt bằng cách dùng tầm vật liệu bốc hơi tản nhiệt + Giảm nhiệt bằng... 22 Các sensor độ ẩm ứng dụng nhiều trong tự động hóa như: tự động hóa văn phòng, điều khiển tự động cabin khí, ứng dụng trong nhà, hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, … HS1101 (hình 2.6)là loại cảm biến độ ẩm theo nguyên tắc điện dung, chúng có một số đặc điểm sau: - Độ bền cao, tính ổn định lớn - Đầu ra điện áp hoặc tần số - Thời gian đáp ứng ngắn - Có thể sử dụng trong trường hợp Hình 2.6: IC... dải nhiệt độ -100 – 600oC, thời gian hồi đáp 10s, độ chính xác ±(2 – 5)% b Đo độ ẩm bằng ẩm kế tụ điện Cấu tạo: chế tạo thành 1 tụ điện với lớp điện môi là chất hút ẩm, khi độ ẩm thay đổi thì hằng số điện môi thay đổi làm cho điện dung của tụ thay đổi Ví dụ loại cảm biến độ ẩm dạng tụ điện: IC HS1100, HS1101: Hình 1.6: IC HS1101 Khi đo độ ẩm ta sử dụng ẩm kế tụ điện, mà đầu ra của loại cảm biến này là . Đo nhiệt độ 16 2.2. Đo độ ẩm 20 2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ, độ ẩm 25 2.4. Giải thuật chương trình 27 Chương 3: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 30 3.1. Vấn đề điều khiển nhiệt độ, độ ẩm. và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho mô hình nông nghiệp công nghệ cao . Với sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương. Đề tài gồm các phần sau: Chương 1: Giới thiệu về đo nhiệt độ, độ ẩm. điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 30 3.2. Vi điều khiển, IC và các thiết bị chấp hành điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 31 3.3. Xây dựng card điều khiển nhiệt độ độ ẩm 31 3.3.1. Nhiệm vụ thiết kế 31 3.3.2.