Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới phun mưa phục vụ sản xuất rau an toàn

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 1 - Mở đầu 1. Đặt vấn đề Lịch sử tiến hoá của loài ng−ời đã phát triển qua nhiều thời kỳ, mà mỗi thời kỳ đ−ợc đánh dấu bởi một ph−ơng thức sản xuất nhất định. Từ xa x−a con ng−ời với những công cụ hết sức thô sơ nh− rìu, búa, lao bằng đá dùng để săn bắn phục vụ ngay cuộc sống hiện tại của một số rất ít ng−ời mà không có dự trữ. Nh−ng khi xã hội phát triển thì nhu cầu sống của con ng−ời ngày càng tăng mà tài nguyên thiên nhiên thì ngày càng cạn kiệt, chính điều đó thúc đẩy con ng−ời ngày càng phải tìm tòi cải tiến công cụ, ph−ơng thức lao động để tạo ra ngày càng nhiều của cải vật chất phục vụ đời sống. Điều đó càng tỏ ra cấp thiết khi loài ng−ời b−ớc sang thế kỷ XXI khi mà tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, môi tr−ờng ngày càng ô nhiễm trầm trọng thế nh−ng nhu cầu sống và h−ởng thụ của con ng−ời ngày càng cao, dân số ngày càng đông. Nguy cơ thiếu l−ơng thực ngày càng tăng khó có thể đảm bảo mọi nhu cầu của con ng−ời. Để giải quyết vấn đề đó thì có một trong số những cách hữu hiệu nhất đó là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất. Các n−ớc trên thế giới đã sớm nhận thấy điều này và đã ứng dụng tự động hoá vào sản xuất từ rất sớm, kết quả là họ sớm có một nền sản suất đại công nghiệp đ−a ra thị tr−ờng hàng loạt sản phẩm số l−ợng lớn, chất l−ợng cao tăng thu nhập cho quốc gia, nh− Nhật, Anh, Pháp, Mỹ, Đức... Chính công nghệ tự động hoá cao ứng dụng vào sản xuất đã đ−a các quốc gia này trở thành các c−ờng quốc giàu mạnh có vị thế cao trên tr−ờng quốc tế. N−ớc ta thuộc nhóm các n−ớc đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại đây nền nông nghiệp của Việt Nam ngày càng phát triển vững mạnh, và đến nay nền kinh tế thế giới đang chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ đặc biệt là công nghệ thông tin, với việt Nam Nông nghiệp vẫn là một ngành có đóng góp đáng kể Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 2 - vào tổng thu nhập quốc dân. Chính vì vậy mà nền nông nghiệp n−ớc ta luôn đ−ợc sự quan tâm của Đảng và của nhà n−ớc, nhờ đó mà ngành nông nghiệp đã có nhiều b−ớc phát triển v−ợt bậc, sản l−ợng thu hoạch đ−ợc từ các loại nông sản qua các mùa vụ ngày càng đ−ợc nâng cao. Tuy nhiên ngày nay nhu cầu về sản phẩm nông nghiệp không chỉ đơn thuần là số l−ợng mà phải đảm bảo cả về số l−ợng và chất l−ợng, nhất là khi môi tr−ờng ô nhiễm trầm trọng, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi làm ô nhiễm vào các loại sản phẩm nông nghiệp, đây là vấn đề bức xúc của toàn thể xã hội. Để giải quyết vấn đề trên con đ−ờng lựa chọn tối −u là ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp trong đó tự động hoá đóng vai trò vô cùng quan trọng về mặt kỹ thuật, phục vụ sản xuất nông nghiệp có chất l−ợng cao và đảm bảo an toàn cho ng−ời sử dụng. Trong bữa ăn của ng−ời Việt Nam từ s−a đến nay thì rau là một trong những món không thể thiếu bởi rau là loại thực phẩm rất cần thiết trong đời sống hàng ngày và không thể thay thế, vì rau có vị trí quan trọng trong đời sống đối với sức khoẻ của con ng−ời. Rau cung cấp cho cơ thể những chất quan trọng nh−: Protein, lipit, vitamin, muối khoáng, axit hữu cơ và chất thơm vv... Nh−ng trong thực tế sản xuất rau hiện tại do lạm dụng mà dùng quá nhiều hoá chất nh− thuốc trừ sâu, phân đạm... Làm cho số l−ợng có thể tăng nh−ng chất l−ợng không đảm bảo gây ra rất nhiều vụ ngộ độc thực phẩm. Tr−ớc yêu cầu cấp bách đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình t−ới phun m−a phục vụ sản xuất rau an toàn". Nhằm tạo ra hệ thống t−ới tiêu phục vụ sản xuất rau an toàn. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu một số phần mềm trên cơ sở lý thuyết rồi từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm dùng chip vi xử lý trên công nghệ PSoC và các phần mềm mô phỏng Visual basic 6.0, LabView, Orcad, Multisim. Qua nhiều lần thí nghiệm và trên cơ sở tính toán lý thuyết chúng tôi khẳng định mô hình chúng tôi xây dựng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 3 - đảm bảo tính thực tế và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày nay. 2. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu mô hình tự động t−ới n−ớc sản xuất rau an toàn trong thực tiễn từ đó thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong n−ớc. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng giao diện và mạch điều khiển dựa trên phần mềm lập trình cho chip vi xử lý trên công nghệ PSoC. - ứng dụng phần mềm PSoC Design 4.2 để xây dựng ch−ơng trình điều khiển hệ thống. 3. Nội dung đề tài - Tổng quan đề tài. - Xây dựng thuật toán điều khiển mô hình. - Chọn thiết bị điều khiển, thiết bị nhập xuất. Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình điều khiển hệ thống t−ới tự động phục vụ sản xuất rau an toàn. 4. Ph-ơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đ−ợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành ph−ơng pháp nghiên cứu sau: * Các kết quả nghiên cứu kế thừa: - Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ tr−ớc về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình. Nh− Assembly, Orcad, Multisim, phần mềm mô phỏng Matlab 7.0. - Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. * Định h−ớng nghiên cứu. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 4 - - Thay đổi ph−ơng pháp lập trình để tìm ra ph−ơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả kinh tế nhất. - Xây dựng ch−ơng trình điều khiển. * Ph−ơng pháp thực nghiệp kiểm chứng: - Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của ch−ơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống. * Thiết bị thí nghiệm: - Máy tính PC. - Bộ nạp chip và chip vi xử lý PSoC. - Bộ mô phỏng, hệ thống cáp, dây nối. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 5 - Ch−ơng 1 Tổng quan 1.1. Tình hình sản xuất rau sạch trong n−ớc và trên thế giới 1.1.1. Khái niệm rau sạch Rau sạch là một khái niệm tổng quát để chỉ những loại cây rau đ−ợc trồng trong môi tr−ờng sạch nh− đất trồng, n−ớc t−ới, không khí … Đảm bảo hàm l−ợng độc tố trong rau khi thu hoạch nhỏ hơn một mức quy định theo tiêu chuẩn. - Đất trồng rau sạch là những loại đất thịt nhẹ, đất pha cát, đất thịt trung bình, đất phù sa ven sông, đất không có cỏ dại, mầm mống sâu bệnh hại, độ pH trung tính, hạn chế tối đa sinh vật và vi sinh vật gây bệnh. - Phải dùng n−ớc sạch t−ới cho rau, tốt nhất dùng n−ớc giếng khoan, không đ−ợc dùng n−ớc thải công nghiệp, n−ớc rửa chuồng trại mà ch−a đ−ợc xử lý. Hàm l−ợng tối đa của một số nguyên tố hoá học ở trong n−ớc đ−ợc trình bày trong bảng sau: Nguyên tố N−ớc dùng cho tất cả các loại đất (mg/lít) Nguyên tố N−ớc dùng cho tất cả các loại đất (mg/lít) Nguyên tố N−ớc dùng cho tất cả các loại đất (mg/lít) Al 5,00 Beryllum 0,01 Mo 0,01 Asen 0,01 Cadimium 0,01 Zn 2,00 B 0,75 Lithium 2,50 Cu 0,20 Cl 0,10 Selenium 0,20 Co 0,05 F 1,00 Mn 0,20 Cl 0,10 Pb 5,00 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 6 - 1.1.2. Tình hình sản xuất rau sạch trong n−ớc N−ớc ta là một n−ớc nông nghiệp lạc hậu xuất phát từ nền văn minh lúa n−ớc, phát triển chậm chạp và tụt hậu so với nền nông nghiệp ở các n−ớc trong khu vực và trên thế giới. Tuy nhiên trong những năm gần đây do có sự quan tâm sâu sắc của Đảng, Nhà n−ớc đã ban hành nhiều chủ tr−ơng chính sách phù hợp đ−a nền nông nghiệp n−ớc nhà ngày càng lớn mạnh chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế Quốc dân và đã đạt đ−ợc những thành tựu b−ớc đầu vô cùng to lớn. Từ chỗ là một n−ớc thiếu đói liên miên, hàng năm phải nhập hàng triệu tấn l−ơng thực cho đến nay Việt Nam đã chở thành một trong những n−ớc xuất khẩu gạo đứng hàng đầu thế giới, hàng năm xuất khẩu hàng triệu tấn l−ơng thực khác nh− rau, quả, các chế phẩm từ chúng sang thị tr−ờng thế giới và đ−ợc các bạn hàng −a chuộng. Có đ−ợc những thành quả ban đầu đó là nhờ chúng ta đã áp dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp, xây dựng các vùng chuyên canh, xen canh phù hợp, kịp thời ngăn chặn dịch bệnh sâu hại, khuyến khích nông dân phát triển nông nghiệp, xây dựng mô hình kinh tế trang trại, nuôi trồng các cây giống con vật nuôi cho năng suất cao có hiệu quả kinh tế lớn, xây dựng những cánh đồng 50 triệu/ha. Trong đề án phát triển rau quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 - 2010 của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã đ−ợc Thủ T−ớng Chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999 đã xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau, hoa quả là: “ Đáp ứng nhu cầu rau có chất l−ợng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong n−ớc nhất là các khu tập trung (Đô thị, khu công nghiệp) và xuất khẩu. Phấn đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu ng−ời 85 kg rau/năm, giá trị kim ngạch xuất khẩu đạt 690 triệu USD”. Trong sự phát triển chung của toàn ngành Nông nghiêp thì ngành sản xuất rau cũng đ−ợc quan tâm và phát triển mạnh. Theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990 và diện tích trồng rau năm 2004 là 650.000 ha trong đó diện tích đ−ợc trồng trên các tỉnh Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 7 - phía Bắc là 300.000 ha chiếm 46% tổng diện tích trồng rau trên cả n−ớc, diện tích trồng rau ở các tỉnh phía Nam là 250.000 ha chiếm 38% tổng diện tích. Sản l−ợng rau trên đất nông nghiệp đ−ợc cung cấp từ hai vùng sản xuất chính: + Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 40 ữ 45% diện tích và đạt 50 ữ 55% tổng sản l−ợng. Rau tại đây đ−ợc phục vụ tiêu dùng của dân c− tập trung trong đô thị và khu công nghiệp với chủng loại rau phong phú và năng suất cao. + Vùng sản xuất rau luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ đông xuân tại các tỉnh phía Bắc và miền Tây nam bộ. Đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu. Tuy nhiên trong thực tại sản xuất rau nói riêng và sản xuất nông nghiệp ở n−ớc ta nói chung: Tuy sản l−ợng l−ợng l−ơng thực xuất khẩu lớn có thể đứng đầu thế giới nh−ng giá thành của chúng ta quá thấp bởi do chất l−ợng và độ an toàn nông sản của ta không đảm bảo. Hiện nay hàm l−ợng độc tố trong rau của n−ớc ta t−ơng đối cao do chúng đ−ợc trồng trong những môi tr−ờng ô nhiễm và việc lạm dụng hoá chất trong phòng trừ sâu bệnh. Theo Viện bảo vệ thực vật thì hiện nay ở Việt Nam đã và đang sử dụng tới 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 30 loại thuốc kích thích sinh tr−ởng. Do chủng loại nhiều và đã đ−ợc các nhà khoa học khuyến cáo nên sử dụng một số loại hoá chất đảm bảo an toàn cho ng−ời tiêu dùng. Tuy nhiên đa số nông dân có thói quen sử dụng và do sợ bị rủi ro trong sản xuất cho nên họ vẫn dùng một số loại hoá chất có độc tố cao thậm chí đã bị cấm sử dụng nh− Monitor, Wofatox, DDT... Do đó hàm l−ợng độc tố trong rau ngày càng tăng, đây là nguyên nhân cơ bản gây ra hàng loạt các vụ ngộ độc thực phẩm gây tử vong và thiệt hại của nhà n−ớc hàng tỷ đồng. - Hàm l−ợng (NO3 -) trong rau quá cao. Theo quỹ l−ơng thực thế giới FAO thì nếu hàm l−ợng (NO3 -) có liều l−ợng 4g/ngày sẽ gây ngộ độc còn 8g/ngày Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 8 - thì có thể gây tử vong. ở n−ớc ta do hàm l−ợng tích luỹ (NO3-) trong rau quá cao là nguyên nhân làm rau không đảm bảo an toàn. Theo tiêu chuẩn Việt Nam thì hàm l−ợng (NO3 -) trong rau nh− sau: Cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, d−a chuột 150mg/kg. - Tồn d− kim loại nặng trong sản phẩm rau. Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một l−ợng N, P, K, và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch n−ớc làm ô nhiễm mạch n−ớc ngầm. Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm l−ợng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở Mai Dịch - Hà Nội trong các m−ơng t−ới cao hơn hẳn so với mức quy định gây ô nhiễm nguồn n−ớc và cây rau sẽ hấp thụ vào trong cơ thể những hoá chất này. - Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng n−ớc t−ới có vi sinh vật gây hại ( Ecoli, Salmonella, Trứng giun.) làm cho các vi sinh vật có hại này theo rau qua đ−ờng tiêu hoá vào cơ thể con ng−ời. Tuy ch−a đ−ợc thống kê, song tác hại của nó là rất lớn. Do rau là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con ng−ời nhất là khi nền kinh tế phát triển, l−ơng thực thực phẩm đã đủ ăn thì con ng−ời h−ớng tới những thực phẩm có chất l−ợng, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm do đó vấn đề cấp thiết đặt ra là bên cạnh tìm cách nâng cao năng suất mở rộng các loại cây l−ơng thực còn phải giảm hàm l−ợng độc tố có trong nông sản đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Vì vậy vấn đề cấp bách đặt ra cho ngành Nông nghiệp là phải áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào trong sản xuất, xây dựng các mô hình sản xuất rau, quả an toàn. Đã có rất nhiều công nghệ mới đ−ợc áp dụng để sản xuất rau sạch, nh−ng trong giới hạn đề tài chúng tôi xin đ−ợc nghiên cứu hệ thống t−ới n−ớc (Cụ thể là thiết kế hệ thống điều khiển tự động hệ thống t−ới phun m−a) phục vụ sản xuất rau an toàn. Bởi đặc điểm của cây rau là yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, độ ẩm th−ờng rất cao khoảng 85 - 90% khối l−ợng thân cây. Nếu thiếu n−ớc cây rau sẽ sinh tr−ởng và phát Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 9 - triển kém, mắc nhiều bệnh tật, vì vậy nếu thiết kế đ−ợc mô hình t−ới tiêu tự động đảm bảo yêu cầu của cây rau sẽ giúp chúng sinh tr−ởng và phát triển mạnh, ngăn ngừa sâu bệnh từ đó sẽ giảm đ−ợc hàm l−ợng độc tố có trong rau. 1.1.3. Tình hình sản xuất rau sạch trên thế giới Trên thế giới do khoa học kỹ thuật phát triển đã đ−ợc áp dụng sâu rộng vào trong cuộc sống cũng nh− sản xuất. Trong đó việc trồng rau đã sớm đ−ợc chú trọng áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất để nâng cao sản l−ợng, chất l−ợng, giảm l−ợng độc tố trong rau đảm bảo tiêu chuẩn rau sạch. Các n−ớc cung cấp nhiều rau sạch trên thế giới phải kể đến nh− Isaren, Hà Lan, Nhật…Mặc dù diện tích nông nghiệp ở các n−ớc này không nhiều nh−ng sản l−ợng cung cấp trên thị tr−ờng t−ơng đối lớn điều đó càng chứng tỏ −u thế của việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất. Muốn nâng cao sản l−ợng, chất l−ợng, đảm bảo rau sạch thì các nhà trồng rau của n−ớc ta cần phải áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất. 1.2. Các ph−ơng pháp t−ới 1.2.1. Ph−ơng pháp t−ới T−ới n−ớc cho cây trồng nói chung và cho cây rau nói riêng là một công việc hết sức khó khăn. Tuỳ thuộc vào từng loại cây và từng vùng khí hậu cũng nh− tuỳ thuộc vào từng thời kỳ sinh tr−ởng mà rau cần độ ẩm khác nhau. Trên thực tế sản xuất rau trong n−ớc cũng nh− trên thế giới mà ta có các ph−ơng pháp t−ới nh− sau: a. Ph−ơng pháp t−ới ngập n−ớc Ph−ơng pháp t−ới ngập n−ớc là ph−ơng pháp mà chúng ta tháo ngập n−ớc vào khu vực cây trồng để phục vụ n−ớc cho cây trồng sinh tr−ởng. Đây thực sự là ph−ơng pháp cổ truyền có từ lâu đời nó chỉ phù hợp đối với khu vực bằng phẳng có độ dốc không lớn và chỉ đ−ợc áp dụng với một số loại cây trồng nh− lúa n−ớc, rau cần hay một số cây khác trong từng thời điểm sinh tr−ởng nh− ngô, khoai lang, cói, đay... Đây cũng là ph−ơng pháp dùng để cải tạo đất nh− Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 10 - thau chua rửa mặn hay dùng để giữ ẩm đất trong quá trình chờ canh tác. Ph−ơng pháp này có những −u điểm sau: - Do chỉ áp dụng ở những vùng bằng phẳng có độ dốc không lớn tính thấm n−ớc của đất yếu và mức t−ới cao vì vậy năng suất t−ới cao một ng−ời có thể t−ới 30 - 40 ha/ngày. - Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thống t−ới tiêu cho những thửa có diện tích lớn. - Lớp n−ớc trên ruộng tạo điều kiện cho bộ rễ của cây lúa phát triển tốt, hấp thụ các loại phân bón đ−ợc thuận lợi, hạn chế đ−ợc nhiều loại cỏ dại và ổn định nhiệt. Tuy nhiên, t−ới ngập có nh−ợc điểm và hạn chế sau: - T−ới ngập không ứng dụng đ−ợc để t−ới cho các loại cây trồng cạn, nhu cầu về n−ớc ít, hoặc ở các đất có độ dốc lớn. - T−ới ngập làm cho độ thoáng khí trong đất kém quá trình phân giải các chất hữu cơ bị hạn chế. Nếu chế độ t−ới không thích hợp, việc tổ chức quản lý t−ới kém sẽ làm ảnh h−ởng sấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí n−ớc, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón. b. Ph−ơng pháp t−ới r∙nh Ph−ơng pháp t−ới rãnh đ−ợc phổ biến nhất để t−ới cho hầu hết các loại cây trồng nh− bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả nh− khoai sắn, củ đậu, cà chua và các loại rau, nh− bắp cải, su hào. Khi t−ới rãnh n−ớc không chảy vào khắp mặt ruộng mà chỉ vào trong rãnh t−ới giữa các hàng cây trồng. Yêu cầu của t−ới rãnh là xác định chính xác các yếu tố kỹ thuật t−ới chủ yếu, nh− l−u l−ợng n−ớc trong rãnh t−ới, chiều dài rãnh t−ới và thời gian t−ới để đảm bảo tiêu chuẩn t−ới định tr−ớc theo yêu cầu sinh tr−ởng của cây trồng, phù hợp với điều kiện đất đai, địa hình và khí hậu. Ưu điểm của t−ới rãnh là xây dựng đồng ruộng dễ dàng thích ứng với từng điều kiện cụ thể về đất đai, khí hậu và cây trồng. Đảm bảo đất đ−ợc tơi xốp, Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 11 - không phá vỡ lớp kết cấu trên mặt ruộng, vẫn giữ đ−ợc thoáng khí làm cho cây trồng phát triển thuận lợi. Đảm bảo đúng l−ợng n−ớc theo nhu cầu của cây trồng. Tiết kiệm n−ớc, ít hao phí do bốc hơi và ngấm xuống sâu. c. Ph−ơng pháp t−ới dải T−ới dải dùng để t−ới cho các loại cây trồng gieo dầy hoặc hàng hẹp nh− đay, vừng, lạc, đỗ, các thức ăn cho chăn nuôi. Cũng dùng để t−ới cho ngô và các v−ờn cây. ở vùng khô hạn, có thể t−ới làm ẩm đất tr−ớc khi gieo. Những yếu tố kỹ thuật t−ới dải là chiều dài và chiều rộng dải, l−u l−ợng riêng của n−ớc chảy ở đầu dải tính bằng lit/s/m, thời gian t−ới và chiều cao giới hạn của bờ dải. Những yếu tố kỹ thuật của t−ới dải cũng phụ thuộc vào những điều kiện nh− t−ới rãnh nh−ng chủ yếu vào độ dốc ngang của mặt ruộng. T−ới dải thích hợp nhất với độ dốc mặt ruộng từ 0,002 - 0,008. Nếu độ dốc lớn hơn 0,02 thì không t−ới dải đ−ợc vì tốc độ chảy trên mặt ruộng lớn, n−ớc không kịp ngấm làm ẩm đất l−ợng n−ớc chảy đi sẽ nhiều, lãng phí n−ớc và gây bào mòn lớp đất trên mặt ruộng. Nh−ợc điểm của ph−ơng t−ới này là làm ẩm đất không đều và tốn n−ớc do ngấm sâu xuống rãnh t−ới. Mặc dù vậy tùy thuộc vào điều kiện địa hình, ph−ơng pháp canh tác và cây trồng ng−ời ta vẫn dùng ph−ơng pháp t−ới này. d. Ph−ơng pháp t−ới phun m−a Ph−ơng pháp t−ới phun m−a là ph−ơng pháp t−ới mới đ−ợc phát triển rộng rãi trong vòng 40 năm nay. Nguyên tắc chính của ph−ơng pháp này là dùng hệ thống máy bơm, ống dẫn n−ớc và vòi phun để tạo thành m−a t−ới n−ớc cho các loại cây trồng. Ưu điểm nổi bật của ph−ơng pháp t−ới phun m−a là có thể t−ới trong những điều kiện sau: - Khi tiêu chuẩn t−ới nhỏ, có thể điều chỉnh trong phạm vi lớn (30- 900m3/ha). Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 12 - - T−ới trên đất xốp nh− đất cát và cát pha, có độ thấm n−ớc lớn. - T−ới trên mọi địa hình phức tạp: Nh− dốc, không bằng phẳng và tiết kiệm n−ớc t−ới (đối với vùng nguồn n−ớc t−ới hạn chế). T−ới phun m−a là nâng cao hệ số sử dụng hữu ích của hệ thống t−ới và sử dụng n−ớc trên đồng ruộng. ở Mỹ hệ số sử dụng hữu ích khi t−ới phun m−a là 0,67 còn ph−ơng pháp t−ới khác là 0,56. Tại Nhật là 0,75 - 0,80 còn các ph−ơng pháp t−ới khác là 0,65 - 0,7. T−ới phun m−a thuận tiện cho việc phòng trừ sâu bệnh và chống cỏ dại. Có thể hòa lẫn các loại thuốc cùng với n−ớc t−ới cho cây trồng. T−ới phun m−a còn làm tăng năng suất các loại sản phẩm các loại cây trồng. ở Italia khi t−ới phun m−a cho nho, ng−ời ta đã nhận thấy chất l−ợng nho tốt hơn, hàm l−ợng đ−ờng trong nho tăng 2%. ở Việt Nam, qua thí nghiệm t−ới phun m−a tại đồi chè 66 - Hợp tác xã Minh Hồng - Nho Quan - Ninh Bình cho thấy năng suất chè tăng đ−ợc 50% so với đối chứng không t−ới( Theo tin từ www.vnn.vn). Tuy nhiên, t−ới phun m−a không thích hợp ở vùng có gió mạnh. Việc phục vụ kỹ thuật và tổ chức phục vụ các hệ thống máy phun m−a phức tạp, cần có đội ngũ công nhân có trình độ kỹ thuật. Các thiết bị phun m−a do công nghiệp chế tạo hiện nay có năng suất ch−a cao, ch−a đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất, ch−a phù hợp với điều kiện sinh lý trong từng giai đoạn phát triển của cây trồng và thích ứng với các loại đất đai địa hình khác nhau. Nhìn chung giá thành t−ới trên một đơn vị sản phẩm còn cao. Tuy có những nh−ợc điểm trên, nh− do những −u điểm của t−ới phun m−a nên ph−ơng pháp t−ới này đang đ−ợc áp dụng rộng rãi ở nhiều n−ớc và phát triển với tốc độ cao. Theo tài liệu của Tritrexốp năm 1970 ở Tiệp Khắc 97% t−ới bằng ph−ơng pháp phun m−a; ở Đức 79%; ở Itsaren 90%; Anh 80%; Hungari 72%... ở Việt Nam hiện nay đang đ−ợc áp dụng rất phổ biến ph−ơng pháp t−ới Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 13 - phun m−a cho các vùng chuyên canh rau ở Hà Nội, Hải Phòng, Đà lạt, các vùng trồng cây công nghiệp nh− cà phê, chè, cao su, ở Tây Nguyên, Lâm Đồng đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng khích lệ. e. T−ới nhỏ giọt T−ới nhỏ giọt là một ph−ơng pháp mới đang đ−ợc ứng dụng nhiều ở Itsaren, Mỹ, úc và một số n−ớc khác có khí hậu khô cằn, nguồn n−ớc ít, dùng để t−ới cho các loại cây ăn quả, rau. Nguyên tắc của t−ới nhỏ giọt là dùng một hệ thống ống dẫn bằng cao su hoặc chất dẻo có đ−ờng kính từ 1,5 - 2cm, để dẫn n−ớc từ đ−ờng ống có áp, do trạm bơm cung cấp chạy dọc theo các hàng cây. ở các gốc cây có lắp các vòi có thể điều chỉnh đ−ợc l−ợng n−ớc chảy ra. N−ớc do cấu tạo của vòi sẽ nhỏ giọt xuống gốc cây làm ẩm đất. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là tiết kiệm đ−ợc nhiều n−ớc t−ới so với t−ới rãnh vì ít tiêu hao l−ợng n−ớc do bốc hơi và thấm xuống sâu. Hiệu suất sử dụng n−ớc t−ới đ−ợc tăng lên và đảm bảo đúng chế độ n−ớc của đất theo nhu cầu của từng cây trồng. Phạm vi t−ới n−ớc trên mặt đất nhỏ nên trên mặt đất phần lớn vẫn giữ đ−ợc khô, các loại cỏ dại không đủ độ ẩm để phát triển và vẫn giữ đ−ợc thoáng khí. f. T−ới ngầm Ph−ơng pháp t−ới này đ−ợc nghiên cứu ứng dụng ở Liên Xô cũ từ năm 1935. Nguyên tắc là dùng hệ thống đ−ờng ống dẫn n−ớc trong đất và n−ớc sẽ thấm làm ẩm đất. -u điểm của ph−ơng pháp này là đảm bảo độ ẩm cần thiết trong suốt thời gian sinh tr−ởng của cây trồng, làm tăng năng suất cây trồng so với các ph−ơng pháp t−ới khác. Lớp đất trên mặt vẫn giữ đ−ợc khô hoặc ẩm ít do đó giữ đ−ợc thoáng làm cho vi sinh vật hoạt động tốt, làm tăng độ phì của đất. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 14 - Cho phép sử dụng phân hóa học hòa lẫn với n−ớc t−ới, trực tiếp bón vào hệ thống rễ cây trồng, làm tăng thêm hiệu quả của phân bón. Hệ thống t−ới không làm trở ngại các khâu sản xuất bằng cơ khí trên đồng ruộng, thuận tiện cho việc tự động hóa việc t−ới n−ớc và tăng năng suất t−ới. Tuy nhiên, việc mở rộng t−ới ngầm trong sản xuất còn hạn chế, ch−a phát triển rộng rãi vì xây dựng hệ thống t−ới phức tạp, giá thành đầu t− trang thiết bị và xây dựng cơ bản cao. 1.2.2. Lựa chọn ph−ơng pháp t−ới Ph−ơng pháp t−ới đ−ợc lựa chọn dựa trên nhiều yếu tố khác nhau (Theo Bùi Hiếu (1985) [5]): a) Điều kiện địa hình: Độ dốc mặt đất ảnh h−ởng lớn đến sự chảy của n−ớc trên mặt đất và có quan hệ chặt chẽ với ph−ơng pháp t−ới và kỹ thuật t−ới. - Với độ dốc m = 0 ữ 1,5% có thể áp dụng tất cả các ph−ơng pháp t−ới. - Với độ dốc m = 1,5% nên sử dụng loại n−ớc t−ới rãnh kèm đ−ờng ống l−u động hoặc t−ới phun m−a. - Với độ dốc m > 4% (Địa hình dốc cao, mặt đất gồ ghề phức tạp) ta nên áp dụng ph−ơng pháp t−ới phun m−a. Bảng 1-1. Quan hệ giữa độ dốc và mức t−ới Độ dốc mặt đất 1/400- 1/500 1/500-1/600 1/600-1/700 Mức t−ới(m3/ha) 100 600 800 Khi độ dốc mặt đất lớn mà t−ới với mức t−ới nhiều sẽ gây ra hiện t−ợng xói mòn và phân bố độ ẩm trên dải đất không đều. b) Điều kiện thổ nh−ỡng: Tính chất vật lý đất có ảnh h−ởng lớn đến việc lựa chọn ph−ơng pháp t−ới. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 15 - * Căn cứ vào loại đất - Loại đất thịt nhẹ (đất cát): Dùng ph−ơng pháp t−ới phun m−a. - Loại đất trung bình : áp dụng cho mọi ph−ơng pháp t−ới. - Loại đất thịt nặng : Dùng ph−ơng pháp t−ới dải. * Căn cứ vào vận tốc thấm n−ớc của đất Vận tốc thấm hay hệ số thấm của đất biểu thị tính thấm n−ớc. Hệ số thấm bao gồm thấm hút và thấm bão hoà. - Với hệ số thấm nhỏ (1.10-4cm/s) sử dụng ph−ơng pháp t−ới rãnh. - Với hệ số thấm trung bình(1.10-4ữ5.10-3cm/s) thì áp dụng đ−ợc với mọi ph−ơng pháp t−ới. - Với hệ số thấm lớn(5.10-3cm/s) áp dụng ph−ơng pháp t−ới phun m−a. * Độ dày tầng đất canh tác - Độ dày bình th−ờng: áp dụng đ−ợc tất cả các ph−ơng pháp t−ới. - Độ dày mỏng: Sử dụng ph−ơng pháp t−ới phun m−a là phù hợp. * Căn cứ vào mức t−ới Mức t−ới là cơ sở xác định các yếu tố của kỹ thuật t−ới. Mức t−ới th−ờng xác định từ chế độ t−ới theo các số liệu thử nghiệm hoặc tính toán lý thuyết. Khi thiết kế tài liệu thực nghiệm có thể tính toán mức t−ới cho cây trồng theo công thức: MTK = 10 .Z.K.GV.(βmax- βmin).η 1 (1-1) Trong đó: MTK .Mức t−ới thiết kế(m 3/ha) Z .Độ sâu lớp đất t−ới.(mm) GV .Dung trọng đất khô (T/m 3) η .Hệ số hiệu ích t−ới phun m−a: η = 0,8-0,95 βmax . Độ ẩm tối đa đồng ruộng. βmin . Độ ẩm giới hạn d−ới cho phép. βmin = 70 ữ 80% βmax Z - Độ sâu của lớp đất canh tác phụ thuộc từng loại cây trồng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 16 - Z = 0,5m với cây rễ mỏng nh− rau, đậu. Z = 0,5 ữ 0,75m với cây có rễ sâu hơn, nh− sắn, đay... Z = 0,75 ữ 1m đối với cây ăn quả và cây công nghiệp. K- Hệ số nhu cầu của cây trồng theo từng thời kỳ sinh tr−ởng. Theo Viện rau và cây l−ơng thực ta có hệ số K cho trong bảng sau: Loại rau Thời kỳ cây giống Thời kỳ sinh tr−ởng Thời kỳ rau thành phẩm Cải bắp 0.4 0,6 0,5 Cà chua 0,3 0,35 0,2 D−a chuột 0,3 0,4 0,45 c) Điều kiện địa chất thuỷ văn Độ sâu và thành phần hoá học của n−ớc ngầm cũng ảnh h−ởng đến lựa chọn ph−ơng pháp t−ới. Nếu n−ớc ngầm ở độ sâu không lớn và có khả năng dâng cao thì nên chọn ph−ơng pháp t−ới phun m−a còn nếu vùng đất trũng ở ven sông lớn có thể tháo n−ớc phù xa vào thì ta nên dùng ph−ơng pháp t−ới rải hoặc t−ới rãnh. d) Cơ cấu cây trồng Tuỳ thuộc vào từng loại giống cây trồng, thời kỳ sinh tr−ởng mà ta có các ph−ơng pháp t−ới khác nhau. Nếu cây có thân lá to bộ rễ chùm ăn nông trên bề mặt đất thì ta nên sử dụng ph−ơng pháp t−ới phun m−a còn nếu lá nhỏ rễ cọc ăn sâu trong lòng đất thì ta nên dùng ph−ơng pháp t−ới dải hoặc t−ới rãnh. e) Điều kiện kinh tế kỹ thuật Vấn đề quan trọng nhất để giúp ta lựa chọn ra ph−ơng pháp t−ới phù hợp và hiệu quả là điều kiện kinh tế kỹ thuật. Xem ph−ơng pháp t−ới truyền thống Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 17 - là gì, có hiệu quả kinh tế không và điều kiện kỹ thuật có cho phép khi chuyển sang ph−ơng pháp t−ới mới không. Căn cứ vào điều kiện phát triển trong t−ơng lai không xa và tính hiệu quả kinh tế của ph−ơng pháp t−ới phun m−a mang lại. Tôi thấy ph−ơng pháp t−ới phun m−a là ph−ơng pháp hiệu quả và sẽ sớm đ−ợc áp dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp n−ớc nhà và hoàn toàn phù hợp khi sử dụng ph−ơng pháp t−ới này trong hệ thống sản xuất rau sạch. 1.3. Vai trò của tự động hoá trong quá trình sản xuất Mặc dù các nguyên lý và máy móc điều khiển tự động xuất hiện tr−ớc máy tính điện tử rất lâu nh−ng sự ra đời của máy tính điện tử nhất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã đ−a tự động hoá công nghiệp đến việc áp dụng tự động hoá trong mọi mặt của xã hội loài ng−ời. Các hệ thống tự động hoá đã đ−ợc chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau. Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ điện, mạch điện tử t−ơng tự, mạch điện tử số. Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lý và mức tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại đ−ợc xây dựng trên nền tảng của công nghệ thông tin ngày nay. Tr−ớc kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ tham số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4 - 20mA để truyền tín hiệu đo về trung tâm xử lý. Hiện nay đầu đo đã tích hợp cả chip vi xử lý, biến đổi ADC, bộ truyền dữ liệu số với phần mềm đo đạc, lọc số, tính toán và truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm. Nh− vậy đầu đo đã đ−ợc số hoá và ngày càng thông minh do các chức năng xử lý từ máy tính trung tâm tr−ớc kia nay đã chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng ch−ơng trình nhúng trong đầu đo. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 18 - T−ơng tự nh− vậy với cơ cấu chấp hành nh− mô-tơ đã đ−ợc chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ servo với các thuật toán điều chỉnh PID tại chỗ và khả năng nối mạng số tới máy tính chủ. 1.4. ứng dụng của tự động hoá trong nông nghiệp Lịch sử hoàn thiện của công cụ và ph−ơng tiện sản xuất trong xã hội văn minh phát triển trên cơ sở cơ giới hoá, điện khí hoá. Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội. Đó là mấu chốt của năng suất, chất l−ợng và giá thành. Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hoá vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ. Cho phép giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất nh− ổn định về giờ giấc, chất l−ợng gia công ... Đáp ứng c−ờng độ cao của sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất. Từ đó sẽ tăng cao khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất, tăng thị phần và khả năng bán hàng cho nhà sản xuất. Trong nông nghiệp việc ứng dụng tự động hoá sẽ giúp cho quá trình sản xuất ít phải phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, nâng cao sản l−ợng, chất l−ợng sản phẩm. Thậm chí nhờ áp dụng khoa học kỹ thuật tiến bộ nh− kỹ thuật đột biến gen đã cho ra những loại rau quả trái mùa so với điều kiện tự nhiên phục vụ nhu cầu của ng−ời sử dụng. 1.5. Mục đích và ý nghĩa việc thiết kế mô hình t−ới phun m−a Trong quá trình sản xuất l−ơng thực nói chung và trong sản xuất rau nói riêng thì t−ới n−ớc cho cây phát triển là một việc làm hết sức cần thiết và nó càng trở nên quan trọng trong việc sản xuất rau sạch. Bởi trong quá trình t−ới ta cần đảm bảo kỹ thuật t−ới để đảm bảo rau nhận đ−ợc một l−ợng n−ớc phù hợp với từng loại cây, từng thời kỳ sinh tr−ởng mà không bị dập nát, chất l−ợng n−ớc đảm bảo độ sạch. T−ới phun m−a là một kỹ thuật t−ới đáp ứng đ−ợc ở mọi điều kiện địa Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 19 - hình, với hạt n−ớc t−ới nhỏ cho nên rất phù hợp trong việc kết hợp giữa t−ới n−ớc với việc phòng trừ sâu bệnh. Đặc biệt đây là một trong những ph−ơng pháp t−ới tiết kiệm n−ớc và đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây. Do vậy tr−ớc nhu cầu sản xuất và yêu cầu cần tiết kiệm tài nguyên và năng l−ợng cho nên chúng tôi tiến hành nghiên cứu, thiết kế điều khiển quá trình t−ới phun m−a phục vụ sản xuất rau sạch. 1.6. Kết luận ch−ơng I Qua ch−ơng I ta đã đ−a ra thực trạng nông nghiệp của n−ớc ta cũng nh− trong khu vực và trên toàn thế giới. Từ đó đ−a ra tính bức thiết phải áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào sản xuất nông nghiệp nói chung và trong sản xuất rau an toàn nói riêng. Lựa chọn ra ph−ơng pháp t−ới hiện đại phù hợp với điều kiện tự nhiên, nhu cầu sản xuất nh−ng vẫn đảm bảo điều kiện kinh tế mang lại lợi nhuận lớn nhất về cho nông dân. Phục vụ l−ợng rau sạch cho thị tr−ờng trong n−ớc cũng nh− trên thế giới. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 20 - Ch−ơng 2 Nghên cứu tính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống t-ới phun m-a trồng rau sạch 2.1. Chế độ t−ới n−ớc cho rau sạch 2.1.1. Đất, n−ớc và cây trồng Trong những điều kiện để cây trồng sinh tr−ởng và phát triển nh− khí hậu, thời tiết, độ ẩm thì đất là một trong những yếu tố quan trọng của cây trồng. Tuỳ thuộc vào từng loại cây với từng thời kỳ sinh tr−ởng mà độ sâu của rễ khác nhau cho nên độ xốp, độ sâu lớp đất canh tác cũng khác nhau. Bên cạnh đó n−ớc cũng là một yếu tố vô cùng quan trọng. Nếu thiếu n−ớc (hạn) hoặc thừa n−ớc (úng) trong một khoảng thời gian ngắn cũng có thể làm cây trồng bị hại có thể giảm năng suất hoặc bị chết hoàn toàn không thể thu hoạch đ−ợc. N−ớc giúp cho quá trình quang hợp của cây tạo thành các chất hữu cơ, vận chuyển các muối hoà tan và cần thiết cho sự điều hoà nhiệt của cây trồng, qua hiện t−ợng bay hơi mặt lá. 2.1.2. Tính toán mức t−ới Nhu cầu t−ới n−ớc của rau sạch đ−ợc xác định bởi giá trị tiêu thụ của cây rau và hiệu quả t−ới n−ớc. Một phần của giá trị tiêu thụ là n−ớc lắng đọng do s−ơng, m−a hoặc phun mù và sau đó bốc hơi mà không thâm nhập vào hệ thống cây trồng. Giá trị tiêu thụ có thể áp dụng cho yêu cầu n−ớc của một cây trồng, một cánh đồng, một trang trại hoặc một số trang trại ở trong vùng. Khi biết đ−ợc giá trị tiêu thụ của cây trồng, có thể tính toán sử dụng n−ớc ở đơn vị lớn. Giá trị tiêu thụ bị ảnh h−ởng bởi điều kiện thời tiết, kỹ thuật t−ới n−ớc, thời gian gieo trồng, thời kỳ phát triển cây rau. Do đó nhu cầu n−ớc t−ới của cây rau sạch đ−ợc xác định bởi công thức sau: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 21 - WR = Kcr. PET (2-1). Trong đó: WR(Water requirement) Nhu cầu n−ớc t−ới cho cây rau. [mm] Kcr Hệ số hoa màu. Theo tác giả Doorenbos vá Kassam, (FAO, 1979) hệ số hoa màu của một số hoa màu có giá trị trong bảng sau: Bảng 2-1: Hệ số nhu cầu n−ớc (Kcr) của các loại cây trồng ở các giai đoạn phát triển khác nhau Các giai đoạn sinh tr−ởng và phát triển Số TT Cây trồng Hình thành Phát triển cây Giữa vụ Cuối vụ Lúc thu hoạch Cả vụ 1 Bắp cải 0,40 -0,50 0,70-0,80 0,95 -1,10 0,90 -1,00 0,80 -0,95 0,70 -0,80 2 Cà chua 0,40 -0,50 0,70-0,80 1,05 -1,20 0,85 -0,95 0,70 -0,75 0,75 -0,9 3 D−a chuột 0,40 -0,50 0,70-0,80 0,95 -1,05 0,85 -0,90 0,65 -0,75 0,75 -0,85 PET( Potential Evapotration Spration) Tốc độ bốc hơi tiềm năng Theo Jensen Haise ở Thái Lan thì PET đ−ợc xác định bởi công thức: PET = 59 )08.0.025.0( +aS TQ [mm] (2-2). Trong đó: Qs: Bức xạ mặt trời tổng cộng trong giờ, ngày tuần hoặc tháng. Ta: Nhiệt độ trung bình trong giờ, ngày ,tuần hoặc tháng. 59: L−ợng nhiệt cần thiết để bốc hơi 1mm n−ớc. Khi đó l−ợng n−ớc cần t−ới là: LNCT = WR. S .10-3 - LNM (2-3). Trong đó: LNCT : L−ợng n−ớc cần t−ới (m3). S : Diện tích khu v−ờn cần t−ới (m2). LNM : L−ợng n−ớc m−a trên diện tích S trong thời gian Ta. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 22 - Từ công thức 2-1, 2-2, 2-3 có: LNCT = WR. S .10-3 - LNM = Kcr. PET. S. 10 -3 - LNM = Kcr. 59 )08.0.025.0( +aS TQ . S. 10-3 - LNM Từ việc tính toán thiết kế động cơ bơm ta chọn bơm có công suất Q do vậy tuỳ thuộc vào nhiệt độ Ta, năng l−ợng bức xạ Qs ta có thời gian cho mỗi lần t−ới là: t = LNCT/Q = LNCT/ Q (h) (2-4). 2.2. Bố trí sơ đồ hệ thống t−ới phun m−a và các thông số kỹ thuật 2.2.1. C−ờng độ phun m−a C−ờng độ phun m−a (δ) là l−ợng m−a rơi xuống một trong đơn vị thời gian (phút) trên một đơn vị diện tích mm2 và đ−ợc xác định theo công thức: δ = t h (mm/ph hay mm/h) (2-5). Trong đó: h- Bề dày lớp n−ớc t−ới phun đ−ợc trong một đơn vị thời gian (phút hay giờ) trên một đơn vị diện tích (mm2); t- Thời gian t−ới(ph, h); Theo sổ tay thuỷ khí của tác giả Hoàng Ngọc Bình, NXB Khoa học kỹ thuật (2000)[45] ta có thể tính toán c−ờng độ phun m−a trung bình của máy hay vòi theo công thức: δtron = F qη1000 ( mm/giờ) (2-6). Trong đó: δtron- C−ờng độ phun trung bình trong diện tích phun hình tròn (mm/giờ). q - L−u l−ợng trung bình của vòi phun hay máy phun m−a(m3/giờ). η - Hệ số phun m−a hữu ích (0,8 - 0.95). F - Diện tích đ−ợc hứng m−a d−ới vòi hay máy phun m−a. F = π. R2 (2-7). R: Bán kính phun(m) . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 23 - Thông qua công thức trên ta có thể đặt đ−ợc cấu hình của hệ thống bơm nh−ng trong thực tế để giám sát và điều khiển hệ thống linh hoạt thì ta phải đo c−ờng độ phun thực tế theo công thức: δtt = t W ω 1000 (mm/ph) (2-8). Trong đó : δtt - C−ờng độ phun thực tế. W- L−ợng n−ớc t−ới phun m−a rơi vào vũ kế (m3). ω - Diện tích miệng trên của vũ kế ( m2). t - Thời gian đo ( phút). Bảng 2-2: C−ờng độ phun m−a cho phép với từng loại đất C−ờng độ m−a trung bình cho phép (mm/ph) Độ dốc mặt ruộng 0 ữ 0,05 0,05 ữ 0,08 0,08 ữ 0,12 > 0,12 Loại đất Có xới Không xới Có xới Không xới Có xới Không xới Có xới Không xới Đất cát 0,85 0,85 0,85 0,63 0,63 0,42 0,42 0,21 Đất cát bị nén chặt 0,75 0,63 0,53 0,42 0,32 0,32 0,32 0,17 Đất cát nhẹ 0,74 0,42 0,53 0,42 0,33 0,25 0,32 0,17 Đất cát nhẹ bị nén 0,53 0,32 0,32 0,21 0,32 0,17 0,21 0,12 Đất thịt trung bình 0,42 0,21 0,33 0,17 0,25 0,13 0,17 0,07 Đất thịt TB bị nén 0,25 0,12 0,21 0,11 0,14 0,06 0,12 0,04 Đất thịt nặng 0,07 0,06 0,06 0,04 0,05 0,03 0,04 0,02 2.2.2. Kích th−ớc hạt m−a Đ−ờng kính hạt m−a ảnh h−ởng rất lớn đến cây trồng và đất canh tác. Các Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 24 - mầm lá non rất nhạy cảm với tác động cơ học của hạt m−a đồng thời ảnh h−ởng đến chất l−ợng t−ới, khả năng hút ẩm của đất và tuỳ theo loại cây trồng và thời kỳ sinh tr−ởng của chúng. Nếu kích th−ớc hạt m−a quá lớn thì sẽ làm cho rách lá dập búp, rụng hoa quả non thậm trí nó sẽ gây xói mòn đất màu d−ới gốc cây, ng−ợc lại nếu kích th−ớc hạt m−a quá nhỏ thì dễ bị gió thổi và khi đó sẽ lãng phí n−ớc khi không t−ới đúng vị trí. Thông th−ờng khi t−ới cho giống rau non có lá mỏng thì đ−ờng kính kích th−ớc hạt m−a là vào khoảng 0,4mm đến 1,6mm. Đ−ờng kính lỗ vòi phun càng nhỏ hay áp lực ở đầu vòi càng lớn thì đ−ờng kính hạt m−a càng nhỏ, tức là đ−ờng kính hạt m−a tỷ lệ thuận với đ−ờng kính lỗ vòi phun và tỷ lệ nghịch với áp lực ở đầu vòi phun. Đ−ờng kính hạt m−a rất khó đo để xác định cỡ to nhỏ của hạt m−a thì theo tác giả Nguyễn Thanh Tùng trong “Thuỷ lực và cung cấp n−ớc trong Nông nghiệp” Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội (1981) đã đ−a ra công thức xác định độ thô của hạt t−ới phun m−a là: K= H d (2-9). Trong đó: d- Đ−ờng kính của lỗ vòi phun(mm). H- áp lực ở miệng vòi phun (mH2O). Theo quy định chung của Quốc tế thì độ thô của hạt m−a K > 0.5 Dùng cho t−ới cỏ và đất cát. K = 0,3 ữ 0,5 Dùng cho t−ới rau màu đã cứng cây và cây ăn quả. K = 0,1 ữ 0,3 Dùng cho t−ới cây còn non yếu hay đất nặng. Theo kinh nghiệm thực tiễn trồng rau nên chọn vòi phun có đ−ờng kính d=1,5 ữ 9 mm với áp lực ở miệng vòi phun khoảng 20 ữ 40 mH2O. 2.2.3. Độ đồng đều khi t−ới Mức độ đồng đều khi t−ới phun là mức độ phân bố đồng đều l−ợng m−a trên diện tích t−ới phun. Theo Nguyễn Thanh Tùng(1981) thì mức độ đồng đều của kỹ thuật phun m−a có thể đánh giá bằng hệ số đồng đều K. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 25 - K= || oo o δδ δ Δ+ (2-10). || oδΔ = n o∑ − || δδ (2-111). Trong đó : oδ - C−ờng độ t−ới phun bình quân trên diện tích t−ới phun. δ - C−ờng độ t−ới phun thực tế của các điểm trên diện tích đó bằng vũ l−ợng kế. n - Số vũ l−ợng kế đã dùng để quan trắc. Độ đều phun m−a chịu ảnh h−ởng của các yếu tố nh−: Kiểu vòi phun, áp lực vòi phun, độ cao và h−ớng đặt vòi phun, điều kiện khí hậu thời tiết đặc biệt là điều kiện gió có ảnh h−ởng lớn đến sự phân bố hạt m−a. Diện tích t−ới th−ờng có dạng hình tròn vì vậy các vòng tròn phun của các vòi phun phải chờm lên nhau để đảm bảo độ đồng đều khi t−ới. Hình 2-1. Bố trí khoảng cách giữa các vòi phun. a:T−ới không chờm, b: T−ới chờm 2.2.4. Năng suất t−ới phun m−a Năng suất t−ới phun đ−ợc đánh giá bằng diện tích do máy phun có thể phụ trách t−ới trong thời gian nhất định. Diện tích đó có thể xác định theo công thức: m tQ . ...4,86 α βω = (ha) (2-12). Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 26 - Trong đó: β - Hệ số sử dụng thời gian tức là tỷ số giữa số giờ làm việc của máy với số giờ trong một ngày đêm. t - Thời gian t−ới đã quy định trong giản đồ t−ới cho từng loại cây trồng. m - Mức t−ới của loại cây trồng đó (m3/ha). α - Hệ số sử dụng. Q - L−u l−ợng của máy bơm (l/s). Có: Q = n. Qo (2-13). n - Số đầu phun cùng làm việc. Qo - L−u l−ợng của vòi phun hoặc cánh phun. Trị số Qo đ−ợc xác định tuỳ theo các loại máy và vòi phun. N Nếu là loại máy phun gần thì: Qo = 60... olb δ (2-14). Trong đó : b - Chiều rộng phun của cánh phun (m). l - Chiều dài của cánh phun. δo- C−ờng N Nếu là loại máy phun xa: Qo = 60 .... 2 noR δπ (2-15). Trong đó : R- Bán kính phun (m). δo- C−ờng độ phun khi vòi quay (mm/ph). n- Số vòng quay trong một phút. 2.2.5. Tầm xa lý thuyết của dòng tia Để lập ph−ơng trình chuyển động tầm xa của dòng t−ới phun rơi tự do ta lấy một chất điểm M là một hạt m−a và xét ph−ơng trình chuyển động của nó. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 27 - Hình 2-2 Sơ đồ của lực tác dụng lên giọt n−ớc và quỹ đạo chuyển động Để loại trừ thành phần quay của dòng tia phun rơi tự do ta xét chuyển động của nó trên mặt phẳng XOY. Khi rời vòi phun, hạt m−a vận động trong không khí và nó chịu lực cản của không khí ( D = Cv * V2 ) trọng lực G và lực cản của gió V tại khu vực t−ới. Giả sử vận tốc gió có giá trị là V và có ph−ơng song song với trục OX tạo với ph−ơng phun tia của n−ớc một góc θ nh− hình vẽ Hình 2-2. Thì khi đó theo định luật II Newton ta có ph−ơng trình chuyển động của chất điểm M trong hệ toạ độ XOY: ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ ±−= −= θρ θρ sin. 2 .... cos. 2 .... 2 22 2 2 22 2 VSCvmg dt ydm VSCv dt xdm (2-16). Trong đó : m - Khối l−ợng giọt m−a. V - Vận tốc rơi của hạt. Y - Tung độ (Giả sử trục OY h−ớng xuống d−ới và gốc toạ độ là điểm hạt m−a bắt đầu rơi. g - Gia tốc rơi tự do. Cv - Hệ số cản của hạt m−a khi chuyển động. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 28 - ρ2 - Tỷ trọng của không khí. S - Diện tích tiết diện hạt m−a. θ - Góc nghiêng của véc tơ vận tốc V đối với trục hoành. Sau khi biến đổi có thể xác định đ−ợc tầm xa lý thuyết của chuyển động dòng tia khi bỏ qua sức cản của không khí: Rm = VO 2.sin2θO/g (2-17). Với sức cản của không khí thì tầm xa thực tế của dòng tia sẽ nhỏ hơn tầm xa lý thuyết một khoảng cách (R tổn thất) và đ−ợc xác định theo công thức: R.tgθO - ttlt O RR tgR − θ.2 = 0 (2-18). Chuẩn số Frud xác định lực quán tính của chuyển động chất lỏng và lực hấp dẫn theo tiết diện thu nén của dòng tia phun là một trong các thông số đóng vai trò quyết định đối với tầm xa lý thuyết t−ơng đối của quỹ đạo tia phun. D0 = DC (1 - 1,6 sin 2 α ) (2-19). Trong đó: D0 - Đ−ờng kính của tiết diện thu nén. DC - Đ−ờng kính vòi phun. α - Góc thu của vòi (α = 15ữ180°) Qua tính toán các thông số trên ta tiến hành thử nghiệm với các thông số để chọn ra một hệ thống có các hệ số t−ới phù hợp và cho hiệu quả kinh tế cao nhất. Theo kết quả thử nghiệm của tác giả Đinh Công Thắng, D−ơng Văn Thiều (1979) trong Sổ tay trồng rau, Nhà xuất bản Nông Nghiệp, Hà Nội khi thiết kế hệ thống t−ới với các thông số: 3. Đ−ờng kính lỗ của vòi phun: d = 4mm. 3. Góc của vòi phun so với ph−ơng quỹ đạo chuyển động của dòng tia phun. θ = 60°; 64°; 68°; 3. Góc lệch tâm ( góc lệch của vòi phun so với ph−ơng thẳng đứng) α = 5° Khi đó ta có các bảng thông số sau: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 29 - Bảng 2 - 3 Kết quả thử nghiệm vòi phun với các thông số kỹ thuật: ( d= 4mm, θ = 60°, α = 5°) Thông số Số TT áp lực ở đầu vòi phun P (Kg/cm2) Bỏn kớnh tia phun R (m) Chiều cao tia phun H (mH20) L−u l−ợng n−ớc qua vòi phun (l/ph) 1 1,1 5,20 2,22 17,2 2 1,4 5,80 2,34 16,5 3 1,8 5,95 2,55 15,95 4 2,2 6,2 2,60 14,37 5 2,4 6,48 2,70 12,41 6 2,6 6,62 2,80 11,27 7 2,8 6,90 2,90 10,1 Bảng 2 - 4 Kết quả thử nghiệm vòi phun với các thông số kỹ thuật: ( d= 4mm, θ = 64°, α = 5°) Thông số Số TT áp lực ở đầu vòi phun P (Kg/cm2) Bán kính tia phun R (m) Chiều cao tia phun H (mH20) L−u l−ợng n−ớc qua vòi phun (l/ph) 1 1,1 5,40 2,43 17,5 2 1,3 5,47 2,50 16,7 3 1,6 5,91 2,63 15,9 4 1,8 6,12 2,72 15,2 5 2,2 6,43 2,80 14,1 6 2,5 6,72 2,90 12,3 7 2,7 7,00 3,01 11,0 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 30 - Bảng 2 - 5 Kết quả thử nghiệm vòi phun với các thông số kỹ thuật: ( d= 4mm, θ = 68°, α = 5°) Thông số Số TT áp lực ở đầu vòi phun P (Kg/cm2) Bán kính tia phun R (m) Chiều cao tia phun H (mH20) L−u l−ợng n−ớc qua vòi phun (l/ph) 1 1,10 5,10 2,33 17,6 2 1,30 5,35 2,45 16,8 3 1,65 5,65 2,66 16,2 4 2,00 5,90 2,71 15,7 5 2,20 6,26 2,79 14,85 6 2,40 6,50 2,85 13,2 7 2,60 6,80 2,90 12,1 Trên cơ sở kết quả thu đ−ợc trên các bảng 2 - 3, 2 - 4, 2 - 5 ta nhận thấy mặc dù các vòi phun có cùng đ−ờng kính lỗ vòi phun có kết cấu t−ơng tự thì ta thấy với góc của vòi phun so với ph−ơng quỹ đạo chuyển động của dòng tia phun. θ = 64° thì chịu ảnh h−ởng bởi gió là ít nhất và có bán kính phun xa nhất do đó các thông số kỹ thuật tối −u đ−ợc lấy theo tr−ờng hợp này. 2.2.6 Phân loại, lựa chọn vòi phun và đ−ờng ống phục vụ sản xuất rau an toàn a. Vòi phun Vòi phun là một trong số những bộ phận quan trọng trong hệ thống t−ới phun m−a, nó là bộ phận quyết định tạo độ to nhỏ của hạt m−a và độ đồng đều khi t−ới. Trên thực tế có nhiều loại vòi phun: * Theo cấu tạo ta có thể chia vòi phun làm 2 loại 3. Vòi phun ly tâm N−ớc từ máy bơm có áp lực tới lỗ phun, phun ra với một áp suất nhất định đập vào đỉnh chap và đập chở lại, khi đó n−ớc sẽ bị xé ra thành từng giọt m−a Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 31 - phân bố đều trên một diện tích hình tròn. Vòi phun loại này dùng áp lực thấp và tầm phun gần có bán kính phun R ≤ 5m phục vụ tốt cho việc t−ới rau, hoa ở quy mô nhỏ. 3. Vòi phun tia Để dòng tia phun đi xa khỏi vòi phun, th−ờng đ−ợc lắp thiết bị chỉnh dòng. Đối với các máy phun tia có áp lực cao th−ờng lắp 2 vòi : Vòi phun xa và vòi phun gần. (Hình 2-4) N−ớc từ đ−ờng ống vào thân vòi phun 1 qua cơ cấu dẫn h−ớng 10 và qua lỗ vòi 9 để t−ới n−ớc cho cây trồng. Một phần n−ớc qua lỗ vòi 12 phun vào cơ cấu phản xạ của đoàn gánh 2, làm quay đòn gánh 2 quanh chốt giữa 7. Nhờ lò xo 6, đòn gánh 2 quay ng−ợc chở lại đập vào gờ tựa 8 làm quay thân vòi. Sau đó dòng tia từ vòi ra lại làm quay đòn gánh 2 và quá trình trên lặp lại. Nh− vậy trong khi t−ới vòi sẽ tự động quay tròn xung quanh trụ của nó và t−ới thành vòng tròn có bán kính bằng độ phun xa của vòi. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 32 - * Theo áp lực đầu vòi phun ta có thể chia vòi phun làm 3 loại: - Loại vòi phun áp lực thấp, bán kính tầm phun nhỏ: Tiêu hao năng l−ợng t−ơng đối ít, hạt m−a nhỏ, độ đồng đều t−ới t−ơng đối cao phù hợp t−ới diện tích nhỏ, v−ờn rau, cây non, v−ờn cây trong nhà kính. - Loại vòi phun áp lực trung bình, bán kính tầm phun trung bình: Độ đồng đều t−ới t−ơng đối cao, hạt m−a và c−ờng độ phun trung bình. Thích hợp ở v−ờn cây ăn quả, diện tích lớn và các loại đất. - Loại vòi phun áp lực cao, bán kính tầm phun lớn: Tiêu hao năng l−ợng lớn, khống chế diện tích t−ới lớn, hiệu suất t−ới cao, hạt m−a to. Thích hợp t−ới cây trồng diện tích lớn, đồng cỏ. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 33 - áp lực đầu vòi (m) cột n−ớc Bán kính tầm phun (m) L−u l−ợng phun (lít/giờ) 1. áp lực đầu vòi thấp, bán kính tầm phun nhỏ 10 ữ 20 5 ữ 14 300 ữ 2.500 2. áp lực đầu vòi trung bình, bán kính tầm phun trung bình 20 ữ 50 14 ữ 40 800 ữ 40.000 3. áp lực đầu vòi cao, bán kính tầm phun lớn 50 ữ 80 > 40 > 40.000 Theo hình thức kết cấu ta có thể chia vòi phun làm các loại: *Vòi phun kiểu xé n−ớc: Tạo thành làn n−ớc mỏng phun ra xung quanh d−ới dạng hình tròn hoặc hình quạt và trong quá trình phun các bộ phận đều cố định nên còn gọi là vòi phun cố định. Loại vòi phun này có kết cấu đơn giản, chắc chắn,áp lực làm việc thấp, bán kính phun bé, c−ờng độ phun cao phù hợp t−ới ở công viên, thảm cỏ, cây xanh, v−ờn −ơm, nhà kính. Theo kết cấu phân thành 3 loại: * Vòi phun kiểu tia đổi h−ớng: Các bộ phận bao gồm đầu phun, chóp xé n−ớc và giá đỡ. Khi vận hành dòng n−ớc từ đầu vòi phun ra đập vào chóp xé n−ớc tạo thành làn n−ớc mỏng toả ra xung quanh gặp sức cản không khí hình thành các hạt m−a nhỏ rơi xuống đất. * Vòi phun kiểu khe hở: ở đầu vòi tạo ra một khe hở để dòng n−ớc phun ra từ đó phân tán đồng đều, thành hạt m−a nhỏ. Khe hở đặt nghiêng so với mặt phẳng một góc 30˚ để phun đ−ợc xa. * Vòi phun kiểu ly tâm: Các bộ phận cấu thành gồm: Thân vòi và đầu vòi dạng buồng xoáy. Do kết cấu của vòi phun nên dòng n−ớc phun ra mang tốc độ ly tâm, gặp sức cản không khí bị phân thành hạt m−a rơi xuống đất. - Vòi phun kiểu dòng tia: Các bộ phận gồm đầu vòi, thân vòi, cơ cấu xé n−ớc, cơ cấu quay. Do kết cấu của vòi phun nên tạo thành dòng xoáy trong làn Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 34 - n−ớc phun ra từ vòi phun khi nó gặp bộ phận xé n−ớc. Có thể điều chỉnh tốc độ nhanh, chậm của cơ cấu quay. Theo cơ cấu quay có thể phân thành 3 loại: - Vòi phun kiểu va đập: Vòi phun quay đ−ợc nhờ dòng n−ớc tác động vào tấm lệch dòng và tấm h−ớng dòng lắp trên cần lắp có gắn lò xo gây ra va đập vào vòi phun. Loại vòi này kết cấu đơn giản, đ−ợc ứng dụng ở nhiều n−ớc nh−ng có nh−ợc điểm là khi lắp không cân tốc độ quay sẽ không đều và ảnh h−ởng của gió sẽ làm bộ phận quay không đều. - Vòi phun kiểu bánh răng: Vòi phun quay đ−ợc nhờ dòng n−ớc phun ra từ đầu vòi va đập vào bánh công tác kéo cơ cấu quay. Do tốc độ của bánh công tác quá nhanh (1000 vòng/phút) trong khi tốc độ quay của vòi chậm (3 ữ 5 vòng/phút) vì vậy ta cần phải có bộ phận điều tốc. - Vòi phun kiểu phản lực: Vòi phun quay đ−ợc nhờ tác động của mô men quay do phản lực của dòng n−ớc khi thoát ra khỏi miệng vòi. b. Đ−ờng ống Đ−ờng ống là bộ phận quan trọng trong hệ thống t−ới phun m−a và nó phải đảm bảo các yêu cầu sau: ẽ Có thể chịu đ−ợc áp lực làm việc thiết kế: Khả năng chịu áp lực của đ−ờng ống phụ thuộc vào chất l−ợng vật liệu, quy cách ống và cách lắp ghép do đó khi đ−a ra đ−ợc áp lực thiết kế thì ta phải chọn các tính chất của đ−ờng ống sao cho phù hợp. ẽ Có khả năng tải đ−ợc l−u l−ợng thiết kế. ẽ Có khả năng chống ăn mòn va đập để kéo dài tuổi thọ của công trình. ẽ Thuận tiện trong vận chuyển và lắp đặt. ẽ Quy cách kích th−ớc ống đ−ợc tiêu chuẩn hoá. ẽ Giá thành hạ. * Các loại đ−ờng ống: Tuỳ thuộc vào mục đích t−ới của hệ thống mà ta có các hệ thống đ−ờng ống khác nhau. Trên thực tế gồm có các loại đ−ờng ống lắp đặt cho hệ thống: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 35 - Dựa vào tổn thất năng l−ợng hw trong ống ta có các loại đ−ờng ống ⊕ Đ−ờng ống ngắn : Là đ−ờng ống có chiều dài không đáng kể, tổn thất cục bộ là chủ yếu (hwc > 0,1hw). Ví dụ ống hút bơm ly tâm, đ−ờng ống dẫn nhiên liệu, dầu bôi trơn trên các động cơ… ⊕ Đ−ờng ống đơn giản: Là loại đ−ờng ống có chiều lớn, tổn thất năng l−ợng dọc đ−ờng là chủ yếu (hwc< 0,1hw). Ví dụ đ−ờng ống trong hệ thống cấp thoát n−ớc, dẫn nhiên liệu tới các nơi phân bố. Dựa vào điều kiện thuỷ lực và cấu trúc đ−ờng ống ta có các loại đ−ờng ống: ⊕ Đ−ờng ống đơn giản: Là đ−ờng ống có đ−ờng kính d hoặc l−u l−ợng Q không đổi dọc theo chiều dài đ−ờng ống (Hình 2-5 a) ⊕ Đ−ờng ống phức tạp : Là đ−ờng ống có d và Q thay đổi tức hệ thống đ−ờng ống bao gồm nhiều đoạn đ−ờng ống đơn giản ghép lại, đ−ờng ống có thể phân nhánh song song hoặc ốnh có mạch vòng kín (Hình 2-5 b) Do trong hệ thống t−ới rau bao gồm một đường ống chính và các phân nhánh có dạng nh− (Hình 2-5 c) khi đó để tính toán thuỷ lực đ−ờng ống ta cần xác định các thông số qua yêu cầu của hệ thống: - Bán kính đ−ờng ống di. - Chiều dài từng phân đoạn ống li. - Hệ số tổn thất cục bộ trên đ−ờng ống ξ. - Hệ số ma sát λ. - Vận tốc dòng chảy cho phép v. o Nếu chảy tầng λ = Re 64 o Nếu chảy rối λ = C g8 Trong đó:Re: hệ số Reynolds. g: Gia tốc trọng tr−ờng. C: Hệ số phụ thuộc vào hệ số nhám n và bán kính thuỷ lực R. - Khi đó l−u l−ợng tại các đầu vòi Qi đ−ợc xác định theo công thức: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 36 - Qi = v. 2 13.1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ di L−u l−ợng tại đầu ống chính là: Q = ∑ ==nnii Qi1 (2-20). - Trị số cột áp cần thiết ở đầu hệ thống đ−ờng ống đ−ợc xác định theo công thức: H = nn . Q gdd l ii i 42 . 8 ∏⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +∑ λξ (2-21). nn: Số nhánh. Hình 2-6:Hệ thống bơm đẩy 2.2.7. Các thông số cơ bản lựa chọn máy bơm Ta xét một tr−ờng hợp cụ thể làm việc trong một hệ thống đ−ờng ống trên hình 2-6. Trong đó: Zh- Chiều cao hút. Zd- Chiều cao đẩy. ΔZ- Chênh lệch độ cao giữa miệng vào và miệng ra của bơm. Z - Cao trình của bơm. P1- áp suất trên mặt thoáng bể hút. P2- áp suất tại miệng vào của bơm. P3- áp suất tại miệng ra của bơm Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 37 - P4- áp suất trên mặt thoáng bể chứa. C- Chân không kế lắp ra ở miệng vào của bơm. A- áp kế lắp ở miệng ra của bơm. K1- Khoá trên ống hút. K2- Khoá trên ống đẩy. L- Dụng cụ đo l−u l−ợng. γ- Trọng l−ợng riêng của chất lỏng (N/m3),(KG/m3) a. L−u l−ợng L−u l−ợng của bơm là l−ợng chất lỏng do bơm truyền đi trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là Q, đơn vị đo (m3/h), (m3/s), (l/s). b. Cột áp Cột áp của bơm là năng l−ợng đơn vị mà bơm truyền đ−ợc cho chất lỏng, ký hiệu H, đơn vị đo (mH20). H = E3 - E2 = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ+++ Zh g vPZZn g vP 2 22 2 33 22 γγ (2-22) H = γ 23 PP − + Z g vv Δ+− 2 23 22 (2-23) c. Công suất và hiệu suất - Công suất thuỷ lực Ntl (công suất hữu ích) của bơm là công suất dùng để truyền trọng l−ợng của l−u l−ợng Q với cột áp H: Ntl = 1000 .. HQγ (kW) (2-24) Trong đó:γ - Trọng l−ợng riêng của chất lỏng (N/m3) Q - L−u l−ợng của bơm (m3/s) H - Cột áp toàn phần của bơm (mH20) Công suất đòi hỏi trên trục của bơm cần phảI lớn hơn công suất thuỷ lực Ntl vì bơm phải tiêu hao một phần năng l−ợng để bù vào các tổn thất thuỷ lực, tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm… N = η γ η 1000 .. HQNtl = (kW) (2-25) η < 1 : Hiệu suất toàn phần của bơm (%). Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 38 - 2.3. Thiết kế hệ thống t−ới phun m−a Trình tự thiết kế hệ thống t−ới phun m−a bao gồm các b−ớc sau: 1. Điều tra khảo sát tài liệu Điều tra khảo sát thu thập các tài liệu cơ bản nh−: Địa hình, địa chất thuỷ văn, khí t−ợng, trên cơ sở điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phân tích tính cấp thiết đầu t− hệ thống phun m−a. Quy hoạch bố trí hệ thống gồm bể chứa, kênh dẫn. Từ đó tính toán vật liệu, thiết bị, kinh phí và hiệu quả đầu t− hệ thống t−ới phun m−a. 2. Chọn vòi phun và sơ đồ bố trí vòi phun. - Chọn vòi phun: Căn cứ các thông số mà nhà sản xuất yêu cầu nh− loại đất, điều kiện khí hậu từ đó có các chỉ số nh− áp suất, bán kính phun, l−u l−ợng vòi từ đó ta chọn loại vòi phun phù hợp với bài toán. - Sơ đồ bố trí vòi phun: Bao gồm xác định h−ớng bố trí các ống nhánh, sơ đồ bố trí tổ hợp vòi, khoảng cách giữa các vòi dọc theo ống nhánh và khoảng cách giữa các nhánh. + Ph−ơng h−ớng bố trí ống nhánh: Ta phải căn cứ vào h−ớng gieo trồng, h−ớng dốc mặt đất và h−ớng gió. + Sơ đồ bố trí tổ hợp vòi: Bao gồm các sơ đồ có dạng nh− sau: (a) Tổ hợp vòi hình vuông (b) Tổ hợp vòi hình tam giác đều. (c) Tổ hợp vòi hình chữ nhật (d) Tổ hợp vòi hình tam giác cân. Hình 2-7: Sơ đồ bố trí tổ hợp vòi phun m−a. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 39 - - Xác định khoảng cách tổ hợp vòi: Khoảng cách vòi có quan hệ trực tiếp với bán kính phun. Việc xác định khoảng cách tổ hợp có nhiều cách trong đó có ph−ơng pháp tổ hợp hình học là ph−ơng pháp đ−ợc −a dùng. Theo ph−ơng pháp này thì toàn bộ diện tích đ−ợc t−ới phủ kín, không bỏ sót. Trên cơ sở các hình thức t−ới của vòi (chữ nhật hoặc tam giác), sử dụng ph−ơng pháp đồ giải, lấy bán kính thiết kế( bán kính phun hiệu quả ) theo công thức (2-25) làm căn cứ đồ giải. RTK = K.R (2-26) Trong đó: RTK . Bán kính phun thiết kế. K . Hệ số ổn định. K = 0,7 - 0,9. R . Bán kính phun (m) có thể tra trong bảng thông số kỹ thuật của sản phẩm vòi phun. 3. Bố trí sơ đồ hệ thống t−ới phun m−a * Chọn loại sơ đồ: Sơ đồ hệ thống t−ới phun kiểu đ−ờng ống th−ờng áp dụng theo hai cách: Hệ thống cố định và hệ thống bán di động tuỳ thuộc yêu cầu mà ta lựa chọn cách bố trí sao cho phù hợp. 4. Tính toán chế độ t−ới phun m−a ế Xác định mức t−ới thiết kế: MTK = 10 .H. GV.(βmax- βmin).η 1 (2-27) Trong đó: MTK .Mức t−ới thiết kế (m 3/ha). H .Độ sâu lớp đất t−ới (mm). GV .Dung trọng đất khô (T/m 3). η . Hệ số hiệu ích t−ới phun m−a: η = 0,8-0,95. βmax . Độ ẩm tối đa đồng ruộng. βmin . Độ ẩm giới hạn d−ới cho phép. βmin = 70 ữ 80% βmax ế Chu kỳ t−ới thiết kế:( khoảng cách thời gian giữa hai lần t−ới). TTK- Chu kỳ t−ới (ngày) Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 40 - E - C−ờng độ hao n−ớc bình quân của cây trồng, th−ờng lấy thời kỳ sinh tr−ởng của cây trồng có trị số cao nhất. ế Thời gian t−ới mỗi lần t = η..1000 .. q Mba TK (2-28) Trong đó: a. Khoảng cách giữa các vòi phun. b. Khoảng cách giữa các đ−ờng ống nhánh. MTK. Mức t−ới thiết kế. η . Hệ số hiệu ích t−ới phun m−a: η = 0,8-0,95. q. L−u l−ợng vòi.( m3/s). q = μ.ω gh2 (2-29) μ . Hệ số l−u l−ợng. ω . Tiết diện thông n−ớc đầu vòi( m2) đối với vòi hình tròn. ω=π.d2/4 (2-30) d . Đ−ờng kính trong đầu vòi (m). h . Cột n−ớc đầu vòi (m). g . Gia tốc trọng tr−ờng m/s2. 5. Xác định chế độ hoạt động của hệ thống t−ới phun - Số vòi phun hoạt động đồng thời np nP = TKTn N . (2-31) N: Tổng số vòi phun. n : Số vị trí di chuyển trong mỗi ngày của vòi 6. Tính toán l−u l−ợng của ống chính, ống nhánh t−ới phun m−a. a. Tính toán l−u l−ợng đầu vào ống nhánh Qn = nV.q (2-32) Qn - L−u l−ợng đầu vào ống nhánh (l/giờ) q - L−u l−ợng bình quân của các vòi phun m−a trên ống nhánh nV- Số l−ợng vòi trên một ống nhánh. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 41 - b. Tính toán l−u l−ợng đầu vào ống chính QC = 2.N.Qn (2-33) Qn - L−u l−ợng đầu vào ống nhánh (l/giờ) N - Số l−ợng hàng ống nhánh (chiếc) Số 2 chỉ một ống nhánh đ−ợc bắt vào hai bên của ống chính đối diện nhau 7. Tính toán thuỷ lực: * Tính toán thuỷ lực ống nhánh t−ới phun m−a: Tính toán thuỷ lực đ−ờng ống là công việc xác định tổn thất cột n−ớc và đ−ờng kính ống nhánh. ễ Xác định tổn thất đ−ờng dài của ống nhánh: hf = b m d LQf .. (2-34) hf : Tổn thất đ−ờng dài ống nhánh (m). Q : L−u l−ợng đầu ống nhánh (m3/giờ). L : Chiều dài ống nhánh (m). d : Đ−ờng kính trong của ống nhánh (mm). f : Hệ số ma sát đ−ờng dài. m, b : Phân biệt chỉ số l−u l−ợng và chỉ số đ−ờng kính, f, m, b tra bảng. Vật liệu ống ống bê tông và bê tông cốt thép: f m B n = 0,013 1,312 x 10 6 2 5,33 n = 0,014 1,516 x 10 6 2 5,33 n = 0,015 1,749 x 10 6 2 5,33 ống thép cũ, ống gang cũ 6,25 x 10 6 1,9 5,10 ống xi măng sợi thuỷ tinh 1,455 x 10 6 1,85 4,89 ống chất dẻo 0,948 x 10 6 1,77 4,77 ống nhôm, ống nhôm hợp kim 0,861 x 10 6 1,74 4,74 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 42 - ễ Xác định tổn thất cục bộ của ống nhánh ễ Tổng tổn thất cột n−ớc của ống nhánh UHn = K. hf’ (2-35) UHn : Tổng tổn thất cột n−ớc của ống nhánh(m); K : Hệ số điều chỉnh tổn thất cục bộ của ống nhánh. K = 1,15 ữ 1,20 h’ : Tổn thất đ−ờng dài của ống nhánh có nhiều lỗ thoát n−ớc ra (m). ễ Đ−ờng kính ống nhánh * Tính toán ống chính t−ới phun m−a ễ Xác định tổng cột n−ớc thiết kế H = Zd - ZS + Hd + HV + Σhf + Σhj (2-36) Trong đó:H. Tổng cột n−ớc thiết kế của hệ thống t−ới phun m−a( cột n−ớc bơm) (m). Zd. Cao trình mặt đất tại vòi phun điển hình (m). Zv. Cao trình mặt n−ớc của nguồn n−ớc mà máy bơm hút.(m) Hd. Chiều cao ống đứng lắp vòi tại vị trí vòi phun điển hình. HV. Cột n−ớc thiết kế đầu vòi phun (m). Σhf. Tổng tổn thất cột n−ớc đ−ờng dài tính từ van đáy ống hút đến vị trí vòi phun điển hình (m). Σhf. Tổng tổn thất cột n−ớc cục bộ tính từ van đáy ống hút đến vị trí vòi phun điển hình(m). Từ các thông số l−u l−ợng Q, tổng cột n−ớc H mà ta co thể tính công suất của máy bơm. 8. Kiểm tra n−ớc va trong đ−ờng ống t−ới phun m−a Hiện t−ợng n−ớc va trong đ−ờng ống do vận tốc trong đ−ờng ống thay đổi đột ngột gây ra áp lực tăng giảm đột ngột trong đ−ờng ống. Nguyên nhân phát sinh n−ớc va trong đ−ờng ống gồm: - Khởi động máy bơm, l−u l−ợng, vận tốc dòng chảy thay đổi, dẫn đến áp lực trong ống thay đổi. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 43 - - Đóng máy bơm, điện ngắt đột ngột, sinh dòng chảy quán tính trong ống, gây ra áp lực âm dẫn đến n−ớc va rất nguy hiểm. - Thay đổi số vòi phun đột ngột cũng gây ra n−ớc va trong đ−ờng ống. - Đóng mở đột ngột các van. 9. Thiết kế trạm bơm và các công trình phụ trợ trong hệ thống t−ới phun m−a 10. Lập bảng thống kê vật liệu, thiết bị, phụ kiện và lập dự toán kinh phí 11. Phân tích hiệu quả kinh tế hệ thống t−ới phun m−a 2.4. Kết quả thực nghiệm A). Nh− vậy thông qua các thông số và các b−ớc tiến hành khảo sát nh− trên ta có thể tính toán thiết kế hệ thống t−ới phun m−a cho một khu v−ờn thí nghiệm trồng rau bắp cải sạch nh− sau: a. Các thông số thu thập qua khảo sát thực tế - Diện tích khu v−ờn: S = 400 m2. - Khu v−ờn thí nghiệm tại khu vực nhiệt đới ẩm ( V−ờn thí nghiệm Khoa Nông học - Tr−ờng Đại học Nông Nghiệp I Hà Nội). - Loại đất trong v−ờn: Đất cát nhẹ. - Loại đ−ờng ống: ống nhựa PVC với đ−ờng ống chính có đ−ờng kính 48mm và đ−ờng ống nhánh là 34mm. b). Các thông số tính toán thiết kế Căn cứ vào các thông số và yêu cầu đ−a ra ta tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống gồm các bộ phận sau. ắ Chọn vòi phun là phun hình tròn mang nhãn hiệu 501-U 1/2” F M do hãng Naan - Israrel cung cấp với các thông số sau: * L−u l−ợng vòi phun Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 44 - Hình 2-8: Sơ đồ bố trí vòi phun Q = 0,10 - 0,29 m3/h. * Đ−ờng kính vòi phun lớn nhất: D = 16m. ắ Sơ đồ bố trí vòi phun: Căn cứ vào h−ớng gieo trồng và h−ớng độ dốc của đất tôi tiến hành bố trí theo dạng tổ hợp vòi hình vuông. Đ−ờng kính phun tối đa của vòi phun là D = 16m và diện tích khu v−ờn là S = 400 m2 cho nên tôi tiến hành bố trí thành hai đ−ờng ống nhánh chạy song song dọc theo chiều dài khu v−ờn với khoảng cách giữa hai đ−ờng này là 10m, khoảng cách giữa hai vòi là 10m. Do đó trên diện tích 400m2 ta chỉ cần lắp n = 4 vòi phun có l−u l−ợng đã chọn có dạng nh− hình vẽ sau: Khi đó bán kính phun thiết kế RTK là: RTK = K . R Trong đó: K là hệ số (0,7 ữ 0,9) R bán kính phun (8m) Khi đó RTK = 0,8 .8 = 6,4m. ắ Xác định mức t−ới thiết kế MTK = 10 .H. GV.(βmax- βmin).η 1 Trong đó: MTK .Mức t−ới thiết kế(m 3/ha) Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 45 - H .Độ sâu lớp đất t−ới.(mm) chọn H = 500mm GV .Dung trọng đất khô (T/m 3) lấy GV = 4 (T/m 3) η . Hệ số hiệu ích t−ới phun m−a: η = 0,8-0,95 Lấy η = 0,8. βmax . Độ ẩm tối đa đồng ruộng. Lấy βmax = 80% βmin . Độ ẩm giới hạn d−ới cho phép. βmin = 70 ữ 80% βmax = 60% MTK = 10.500.2.(0,8 - 0,6) 8.0 1 = 2500 (m3/ha). Vậy với diện tích khu v−ờn ta có l−ợng n−ớc t−ới cần là = 1000m3 n−ớc. ắ Thới gian t−ới mỗi lần t = η..1000 .. q Mba TK Trong đó: a . Khoảng cách giữa các vòi phun. a = 10m b . Khoảng cách giữa các đ−ờng ống nhánh b = 10m MTK. Mức t−ới thiết kế. MTK = 2500 (m 3/ha) η . Hệ số hiệu ích t−ới phun m−a: η = 0,8 q . L−u l−ợng vòi.( m3/s). q = 0,1 (m3/h) t = 8,01,0.1000 2500.10.10 = 3125(s) = 0,86 (h). ắ L−u l−ợng đầu vào ống nhánh Qn = nV.q Qn - L−u l−ợng đầu vào ống nhánh (l/giờ) q - L−u l−ợng bình quân của các vòi phun m−a trên ống nhánh q = 0,1(m3/h) nV- Số l−ợng vòi trên một ống nhánh. nV = 2 Qn = 2. 0,1 = 0,2 (m 3/h). ắ Tính toán l−u l−ợng đầu vào ống chính QC = 2.N.Qn Qn - L−u l−ợng đầu vào ống nhánh (m 3/h). N - Số l−ợng hàng ống nhánh. N = 2 QC = 2.2.0,2 = 0,8 (m 3/h). Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 46 - Do diện tích t−ới nhỏ, chiều dài các đ−ờng ống ngắn cho nên tổn thất dọc đ−ờng ống là không đáng kể vì vậy ta có thể bỏ qua tổn thất dọc đ−ờng ống. ắ Xác định tổng cột n−ớc thiết kế H = Zd - ZS + Hd + HV + Σhf + Σhj Trong đó: H. Tổng cột n−ớc thiết kế của hệ thống t−ới phun m−a( cột n−ớc) (m). Zd. Cao trình mặt đất tại vòi phun điển hình (m). Zd = 50 (m) Zv. Cao trình mặt n−ớc mà máy bơm hút.(m) ZV = 46 (m). Hd. Chiều cao ống đứng lắp vòi tại vị trí vòi phun điển hình. Hd = 1(m) HV. Cột n−ớc thiết kế đầu vòi phun (m). HV = 0,5 (m). Σhf. Tổng tổn thất cột n−ớc đ−ờng dài tính từ van đáy ống hút đến vị trí vòi phun điển hình (m). Σhf. Tổng tổn thất cột n−ớc cục bộ tính từ van đáy ống hút đến vị trí vòi phun điển hình.(m). H = 50 - 46 + 1 + 0,5 + 0 + 0 = 5,5 (m) ắ Công suất và hiệu suất * Công suất thuỷ lực Ntl (công suất hữu ích) của bơm là công suất dùng để truyền trọng l−ợng của l−u l−ợng Q với cột áp H: Ntl = 1000 .. HQγ (kW). Trong đó: γ - Trọng l−ợng riêng của chất lỏng (N/m3) tính với n−ớc γ = 1000 (N/m3) Q - L−u l−ợng của bơm (m3/s) có Q = 0,8 (m3/h) = 0,22 .10-3 (m3/s). H - Cột áp toàn phần của bơm (mH20). Ntl = 75.10-3(Kw) = 75 (W). ắ Công suất đòi hỏi trên trục của bơm cần phải lớn hơn công suất thuỷ lực Ntl vì bơm phải tiêu hao một phần năng l−ợng để bù vào các tổn thất thuỷ lực, tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm… Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 47 - N = η γ η 1000 .. HQNtl = (kW). η < 1 :Hiệu suất toàn phần của bơm ta chọn η = 0,8 N = 94(W) chọn N = 100 (W). B.) Nh−ng trong thực tế ng−ời ta th−ờng áp dụng ph−ơng pháp tính toán sau Từ điều kiện bài toán ban đầu và dựa vào khả năng bốc thoát hơi n−ớc tiềm năng PET mà ta có nhu cầu n−ớc t−ới phụ thuộc vào từng loại cây và tuỳ thuộc vào từng thời kỳ sinh tr−ởng của cây. WR = Kcr. PET = Kcr. 59 )08,0025,0( +TaQs Qs. Bức xạ tổng cộng trong ngày hoặc tuần. Ta. Nhiệt độ trung bình ngày hoặc tuần. 59. L−ợng nhiệt cần thiết để bốc hơi 1mm n−ớc. Kcr. Hệ số hoa màu ta có thể tra bảng. Mặt khác cũng ph−ơng pháp này thì theo quyển Tin học trong nông nghiệp. PGS.TS Nguyễn Hải Thanh chủ biên, NXB khoa học kỹ thuật, 2005 thì hiệu quả của từng ph−ơng pháp t−ới sẽ đ−a ra l−ợng n−ớc t−ới phù hợp. STT Ph−ơng pháp t−ới Diện tích t−ới (m2) L−ợng n−ớc t−ới 1 T−ới rãnh 10.000 Kct.PET.10/0,65 2 T−ới phun m−a 10.000 Kct.PET.10/0,85 Vậy theo điều kiện bài toán ta có Diện tích cần t−ới: S = 400m2. Rau bắp cải ví dụ đang ở thời kỳ thu hoạch ta có Kcr = 0,8. Đo nhiệt độ trung bình trong ngày hôm tr−ớc là Ta = 28 °C. Đo năng l−ợng bức xạ mặt trời trong ngày hôm qua là: Qs = 1000 (calo/cm2/ngày). ắ Do vậy l−ợng n−ớc cần t−ới là Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 48 - LNT = 0,8. 59 )08,0025,0( +TaQs = = 0,8. 0,85.10000 10.400 59 )08,028.025,0(1000 + = 4,9 (m3). Căn cứ vào l−ợng n−ớc m−a thu đ−ợc trong ngày hôm tr−ớc: LNM ta sẽ có l−ợng n−ớc cần t−ới cho ngày hôm sau là: LNCT = LNT - LNM. Trong bài toán ta ví dụ trong ngày không m−a cho nên: LNCT = LNT - 0. Từ đó ta chọn máy bơm có l−u l−ợng: Q = 1,8 (l/s) Vậy thời gian cần bơm cho một máy bơm là: t = LNT/Q = 2713(s). ắ Chọn vòi phun là phun hình tròn mang nhãn hiệu 501-U 1/2” F, M do hãng Naan - Israrel cung cấp với các thông số sau: * L−u l−ợng vòi phun Q = 0,10 - 0,29 m3/h. (Chọn Q = 0,2 m3/h) * Đ−ờng kính vòi phun lớn nhất: D = 16m. ắ Sơ đồ bố trí vòi phun: Căn cứ vào h−ớng gieo trồng và h−ớng độ dốc của đất tôi tiến hành bố trí theo dạng tổ hợp vòi hình vuông. Do đ−ờng kính phun tối đa của vòi phun là D = 16m và diện tích khu v−ờn là S = 400 m2 cho nên tôi tiến hành bố trí thành hai đ−ờng ống nhánh chạy song song dọc theo chiều dài khu v−ờn với khoảng cách giữa hai đ−ờng này là 10m, khoảng cách giữa hai vòi là 10m. Do đó trên diện tích 400m2 ta chỉ cần lắp n = 4 vòi phun có l−u l−ợng dã chọn có dạng nh− hình vẽ sau: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 49 - Khi đó bán kính phun thiết kế RTK là RTK = K . R Trong đó: K là hệ số (0,7 ữ 0,9) R bán kính phun (8m) Khi đó RTK = 0,8 .8 = 6,4m. Vì vậy tổng l−u l−ợng tại đầu đ−ờng ống chính là: Q = 4.0,2 = 0,8 (m3/h) (Bỏ qua tổn thất dọc đ−ờng ống). Mặt khác l−u l−ợng ở đ−ờng ống có diện tích tiết diện là ω thì sẽ có vận tốc dịch chuyển dòng chất lỏng là: Q = v. ω Œ v = Q / ω. Mặt khác theo ph−ơng trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý t−ởng chảy ổn định đ−ợc xác định theo công thức: Z + γ P + g v .2 2 = const. Trong đó : Z. Vị năng của một đơn vị trọng l−ợng chất lỏng so với mặt chuẩn. P. áp suất tại mặt khảo sát. v. Vận tốc dòng chất lỏng. g. Gia tốc trọng tr−ờng tại vị trí khảo sát. Vậy ta áp dụng công thức trên tại cùng một vị trí nh−ng với áp suất thay đổi ta có: Z1 + γ 1P + g v .2 1 2 = Z2 + γ 2P + g v .2 2 2 UP = )11(. .2 21 2 2 2 ωω γ −Q g Vậy khi thay đổi diện tích tiết diện ống ( Điều chỉnh van) thì áp suất dòng n−ớc thay đổi. 2.5. Thiết kế giao diện 2.5.1. Phần mềm thiết kế giao diện a. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Với các bài toán đặt ra phải lựa chọn một hệ quản trị cơ sở dữ liệu để có Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 50 - thể quản lý các dữ liệu thu thập từ các lần t−ới tr−ớc phục vụ cho các lần t−ới kế tiếp sau. Về lý thuyết ta có thể chọn nhiều ngôn ngữ nh−: Microsoft Foxpro, Microsoft Access… Nh−ng trên thực tế thì ngôn ngữ Microsoft Access có nhiều −u điểm hơn trong quản trị CSDL. Vì vậy trong đề tài này tôi chọn Microsoft Access làm ngôn ngữ quản trị CSDL. - Microsoft Access là hệ quản trị CSDL trên môi tr−ờng Window là một thành phần trong bộ Microsoft office. Ở hệ quản trị CSDL này có sẵn các công cụ hữu hiệu và tiện lợi đáp ứng đ−ợc đầy đủ yêu cầu cho một bài toán quản lý. - Microsoft Access có thể sử dụng đ−ợc tất cả các ph−ơng tiện của cơ chế trao đổi dữ liệu động(DDE), nhúng và liên kết đối t−ợng ( OLE ). - Microsoft Access là hệ quản trị CSDL quan hệ với đầy đủ các chức năng định nghĩa dữ liệu, xử lý dữ liệu và kiểm soát dữ liệu. - Microsoft Access cho khả năng kết suất dữ liệu cho phép thiết kế đ−ợc những biểu mẫu và báo cáo phức tạp đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra. Có thể tác động dữ liệu kết hợp các biểu mẫu và báo cáo trong một tài liệu và trình bày kết quả theo dạng thức chuyên nghiệp. b. Phần mềm lập trình giao diện Microsoft Visual Basic là một ngôn ngữ lập trình là dụng cụ lập trình cơ sở dữ liệu Multimedia, thiết kế Web và lập trình Internet. Với Visual Basic ta có thể xây dựng cấc ứng dụng quản lý. Nó có thể kết nối và xử lý dữ liệu từ các hệ quản trị cơ sở dữ liệu nh− Excel, FoxPro, Access, SQL Server… Visual Basic là một công cụ phát triển ứng dụng h−ớng đối t−ợng tức là thông qua việc xây dựng các thuộc tính, các ph−ơng thức để thiết kế các trình ứng dụng chạy trên môi tr−ờng Window. Giao diện lập ra phải đảm bảo: - Giao diện có tính thân thiện, dễ sử dụng đối với ng−ời vận hành. - Có thể theo dõi, giám sát và điều khiển toàn bộ quá trình t−ới phun m−a. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 51 - - Có thể đ−a ra các bản báo cáo của các lần t−ới tr−ớc làm cơ sở vận hành các lần t−ới tiếp theo. Khi khởi động giao diện điều khiển giữa máy tính và phần mạch điều khiển bên ngoài thì trên màn hình có cửa sổ: Hình 2-9. Trên cửa sổ này có giới thiệu qua một số thông tin liên quan đến đề tài và đ−a ra thông báo hệ thống đang bận kết nối với phần cứng bên ngoài . Sau khoảng 5 giây thì ch−ơng trình sẽ tự động chuyển sang cửa sổ: Hình 2-10 và toàn bộ công việc giao diện ng−ời máy làm việc trên cửa sổ này. Khi đó công việc của ng−ời vận hành là điền các thông số đầu vào nh−: Loại đất canh tác, loại cây trồng, thời kỳ sinh tr−ởng, cách bố trí vòi phun, kiểu vòi và loại bơm khi đó máy tính sẽ liên tục cập nhật các thông số từ cảm biến nhiệt, cảm biến năng l−ợng bức xạ ở mục “ tín hiệu đầu vào ” mà đ−a ra các bộ thông số điều khiển ở các mục “ Thông số số đầu ra” và điều khiển trực tiếp tới mạch lực. Theo thông số “ Diện tích lỗ van cần mở” mà ta điều khiển động cơ b−ớc để điều chỉnh van tiết l−u “ Van làm việc” để cung cấp l−u l−ợng n−ớc t−ới sao cho phù hợp. Hình 2-9: Cửa sổ khởi động làm việc của giao diện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 52 - Hình 2-10 Cửa sổ làm việc chính của giao diện. Nếu kết nối với máy tính. Đồng thời máy tính sẽ tự động l−u các bộ tham số với chu kỳ trích mẫu là 10 phút để phục vụ cho các lần t−ới sau. 2.6. Kết luận ch−ơng II Thông qua ch−ơng II ta đã tiến hành lựa chọn ra một ph−ơng pháp t−ới tối −u, có hiệu quả kinh tế lớn nhất mà vẫn đảm bảo các điều kiện kỹ thật mang lại lợi nhuận lớn nhất cho ng−ời nông dân. Từ ph−ơng pháp t−ới ta tiến hành nghiên cứu tính toán các thông số và áp dụng thiết kế cho hệ thống t−ới phun m−a cho một khu v−ờn thí nghiệm có diện tích S = 400m2. Từ đó lập trình tạo ra giao diện điều khiển kết nối giữa máy tính với bộ điều khiển bên ngoài. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 53 - Ch−ơng 3 Nghiên cứu phần cứng và phần mềm của chip vi xử lý trên công nghệ pSOc của hãng cypress 3.1. Lựa chọn thiết bị điều khiển Trong điều kiện khoa học phát triển nh− hiện nay thì để thực hiện một bài toán điều khiển thì ta có rất nhiều giải pháp trên các phần cứng cũng nh− phần mềm thông minh. Nh− điều khiển bằng hệ thống Rơle, chip vi xử lý, PLC… Song tuỳ vào điều kiện, quy mô từng bài toán mà ta lựa chọn ra các giải pháp sao cho hợp lý, đảm bảo hiệu quả kinh tế. Đối với bài toán điều khiển hệ thống t−ới phun m−a thì do điều kiện tự nhiên mà bàn điều khiển có thể phải để ngoài thực địa và cần di chuyển nhiều, mặt khác độ phức tạp khi điều khiển không cao thông số điều khiển vào ra không nhiều cho nên tôi chọn chip vi xử lý trên công nghệ PSoC làm giải pháp điều khiển cho hệ thống t−ới phun m−a. Khác với các công nghệ sản xuất chip thông th−ờng chỉ cho ra các IC riêng lẻ, IC ngoại vi không có bộ xử lý thì công nghệ PSoC của hãng Cypress cho phép tạo nên cả một hệ thống trên một chip bao gồm CPU, ROM, RAM và các ngoại vi thời gian thực ( ADC, DAC, Timer, Counter, các cổng vào ra đa chức năng, các cổng truyền thông…) Ngoài ra, công nghệ này còn có một −u điểm nổi trội hơn so với các công nghệ khác là cho phép ng−ời lập trình thay đổi cấu hình phần cứng trong quá trình hoạt động. Các chip chế tạo theo công nghệ PSoC đ−ợc phát triển trên nền vi xử lý ngày càng hoàn thiện về chức năng, tối −u về kích th−ớc. Các chip này đã dần thay thế vị trí các bộ vi xử lý ứng dụng trong đo l−ờng điều khiển công nghiệp cũng nh− nhiều lĩnh vực khác. Từ những −u điểm v−ợt bậc trên ta tiến hành chọn chip vi xử lý trên công nghệ PSoC làm chip điều khiển hệ thống t−ới Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 54 - phun m−a. 3.2. Tổng quan cấu trúc và tính năng của PSoC PSoC là một từ viết tắt của cụm từ tiếng anh: Programable System on Chip nghĩa là hệ thống khả trình trên một chip. Các chip chế tạo theo công nghệ PSoC là chip điều khiển thông minh có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng. Thành phần của chip PSoC bao gồm các khối ngoại vi số và t−ơng tự có thể cấu hình đ−ợc, một bộ vi xử lý 8 bit, bộ nhớ ch−ơng trình (EEROM) có thể lập trình đ−ợc và có bộ nhớ RAM lớn. Để lập trình hệ thống và cài ch−ơng trình điều khiển vào chip thì ta cần có phần mềm lập trình và một kit phát triển do hãng chế tạo chip cung cấp, Ví dụ nh− các chip PSoC của hãng Cypress thì ng−ời lập trình cần có phần mềm PSoC Designer. Phần mềm thiết kế đ−ợc xây dựng trên cơ sở h−ớng đối t−ợng với cấu trúc module hoá. Mỗi khối chức năng là một module mềm. Việc lập cấu hình cho chip nh− thế nào là tuỳ thuộc vào ng−ời lập trình thông qua một số th− viện chuẩn. Ng−ời lập trình thiết lập cấu hình trên chip chỉ đơn giản bằng cách muốn chip có những chức năng gì thì kéo chức năng đó và thả vào khối tài nguyên số hoặc t−ơng tự, hoặc cả hai. (Bản chất đây là ph−ơng pháp lập trình kéo thả). Việc thiết lập ngắt trên chân nào, loại ngắt gì, các chân vào ra đ−ợc hoạt động nh− thế nào đều tuỳ thuộc vào việc thiết lập của ng−ời lập trình cho PSoC. Chip PSoC có nhiều họ đối với mỗi họ nó cung cấp phần cứng khác nhau, có bao nhiêu chân, chức năng mỗi chân, số l−ợng các khối và tốc độ của chúng. Đối với chip PSoC họ CY8C27xxx cung cấp. 1). Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard. 5 Tốc độ của vi xử lý lên đến 24 MHz. 5 Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích luỹ là 32 bit. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 55 - 5 Hoạt động ở tốc độ cao mà năng l−ợng tiêu hao ít. 5 Dải điện áp hoạt động từ 3,0 đến 5,25V. 5 Điện áp hoạt động có thể giảm xuống 1,0V sử dụng chế độ kích điện áp. 5 Hoạt động trong dải nhiệt độ từ - 40 °C đến 85 °C. 2). Các khối ngoại vi có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp 5 12 khối ngoại vi t−ơng tự có thể đ−ợc thiết lập để đ−ợc thiết lập để đáp ứng yêu cầu bài toán. x Các bộ ADC lên tới 14 bit. x Các bộ DAC lên tới 9 bit. x Các bộ khuyếch đại có thể lập trình đ−ợc hệ số khuyếch đại. x Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình đ−ợc. 5 8 khối ngoại vi số có thể đ−ợc lập để làm các nhiệm vụ: x Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải chết( dead band). x Các module kiểm tra lỗi (CRC modules). x Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiều. x Các bộ truyền thông SPI Master hoặc Slaver có thể cấu hình đ−ợc. x Có thể kết nối với các chân vào ra. 3). Bộ nhớ linh hoạt trên chip 5 Không gian bộ nhớ ch−ơng trình Flash từ 4K đến 16K, phụ thuộc vào từng loại chip với chu kỳ ghi xoá cho bộ Flash là 50.000 lần. 5 Không gian bộ nhớ RAM là 256 byte. 5 Chip có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (ISSP). 5 Bộ nhớ Flash có thể đ−ợc nâng cấp từng phần. 5 Chế độ bảo mật đa năng tin cậy. 5 Có thể tạo đ−ợc không gian bộ Flash trên chip lên tới 2,304 byte. 4). Có thể lập đ−ợc cấu hình cho từng chân của chip 5 Các chân vào ra ba trạng thái sử dụng Trigger Schmitt. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 56 - 5 Đầu ra logic cung cấp dòng 25mA với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong. 5 Thay đổi d−ợc ngắt trên từng chân. 5 Đầu ra t−ơng tự có thể cung cấp dòng tới 40mA. 5 Đ−ờng ra đa chức năng có từ 6 đến 44 tuỳ thuộc vào từng loại chip. 5). Xung nhịp của chip có thể lập trình đ−ợc 5 Bộ tạo dao động 24/48 MHz bên trong( Độ chính xác là 2,5%). 5 Có thể lựa chọn bộ dao động ngoài lên tới 24MHz. 5 Bộ tạo dao động thạch anh 32,768 kHz bên trong. 5 Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho Watchdog và Sleep. 6). Ngoại vi đ−ợc thiết lập sẵn 5 Bộ định thời Watch dog và sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ. 5 Module truyền thông I2C Master và I2C Slave tốc độ lên tới 400kHz. 5 Module phát hiện điện áp thấp đ−ợc cấu hình bởi ng−ời sử dụng. 7). Công cụ phát triển 5 Phần mềm phát triển miễn phí (PSoCCTM Designer). 5 Bộ lập trình và bộ mô phỏng với đầy đủ tính năng. 5 Mô phỏng ở tốc độ cao. 3.3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng chip PSoC A. Cấu trúc vi xử lý 1.Bộ xử lý trung tâm - CPU Trong chip PSoC bộ xử lý trung tâm CPU đ−ợc gọi với tên là M8C. Bộ xử lý này kiểm soát các thanh ghi nội tại, không gian địa chỉ tập lệnh cũng nh− các chế độ địa chỉ. Các họ chíp của PSoC dựa trên bộ vi xử lý mạnh mẽ 8 bit với cấu trúc Harvard (Cấu trúc Harvard là cấu trúc mà bus dữ liệu, bus địa chỉ và tín hiệu điều khiển của bộ nhớ ch−ơng trình và bộ nhớ dữ liệu độc lập Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 57 - với nhau). Nó có 5 thanh ghi điều khiển hoạt động chính của CPU. Những thanh ghi này bị tác động bởi những lệnh khác nhau. Ng−ời sử dụng không thể truy cập trực tiếp vào các thanh ghi này thông qua không gian bộ nhớ các thanh ghi. Các thanh ghi của CPU đ−ợc cho trong bảng sau: Bộ đếm ch−ơng trình là một thanh ghi16 bit (CPU_PC), nó cho phép ng−ời lập trình truy cập trực tiếp vào toàn bộ không gian bộ nhớ ch−ơng trình trên chíp (16 Kbytes đối với thành viên lớn nhất). Đây là một không gian nhớ liên tục và không cần phải tạo thành trang (no paging). - Thanh ghi chứa (Accumulator) là một thanh ghi đa mục đích, nó th−ờng đ−ợc sử dụng để l−u giữ kết quả của bất cứ một lệnh nào sử dụng chế độ địa chỉ nguồn. - Thanh ghi chỉ số đ−ợc dùng để l−u giữ giá trị Offset (độ lệch) trong chế độ địa chỉ chỉ số. Tiêu biểu là nó đ−ợc dùng để địa chỉ một khối dữ liệu bên trong không gian nhớ dữ liệu. - Thanh ghi Con trỏ Stack (Stack Pointer) l−u giữ địa chỉ của đỉnh Stack trong không gian nhớ dữ liệu. Nó bị tác động bởi những lệnh nh− PUSH, POP, LCALL, RETI và RET. Nói chung là tất cả những lệnh có liên quan đến stack của phần mềm. Nó cũng có thể bị ảnh h−ởng bởi lệnh SWAP và lệnh ADD. - Thanh ghi cờ (Flags) có ba bit trạng thái, bit cờ không - Zero Flag bit[1]; bit cờ nhớ - Carry Flag bit[2]; bit Supervisory State[3]. Bit cho phép ngắt toàn cục- Global Interrupt enable bit[0] đ−ợc dùng để cho phép hoặc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 58 - cấm toàn bộ các ngắt. Các cờ trên bị ảnh h−ởng bởi những lệnh toán học, những lệnh logic. 2.Ngắt và bộ điều khiển ngắt Bộ điều khiển ngắt cho phép một đoạn mã của ng−ời lập trình đ−ợc thực hiện mỗi khi có một ngắt sinh ra từ các khối chức năng trong chip PSoC. Mỗi một khối số có một ngắt riêng và mỗi một cột khối t−ơng tự cũng có một ngắt riêng. Mỗi một ngắt cho nguồn cấp, chế độ ngủ, xung nhịp thay đổi, và một ngắt toàn cục cho các chân vào ra đa chức năng. Bảng 4-20: Các thanh ghi của bộ điều khiển ngắt Bộ điều khiển ngắt cùng với những thanh ghi của nó cho phép các ngắt có thể bị vô hiệu hóa đồng thời hoặc độc lập với nhau. Các thanh ghi cung cấp một cách thức để ng−ời sử dụng có thể xóa tất cả những ngắt đang chờ và thông báo ngắt, hoặc có thể xóa một cách độc lập hay riêng biệt thông báo ngắt và ngắt chờ. Một kỹ thuật phần mềm đ−ợc cung cấp để cho phép ng−ời lập trình thiết lập ngắt một cách riêng biệt. Thiết lập một ngắt bằng kỹ thuật này rất mạnh mẽ và hữu ích cho việc phát triển mã nguồn, khi mà nó không có Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 59 - đủ hệ thống phần cứng hoàn chỉnh để sinh ra một ngắt thực. Bảng 4-21 : Bảng vector ngắt của CY8C27xxx 3. Các cổng vào ra đa chức năng Cổng vào ra đa chức năng cung cấp cho CPU một giao diện với bên ngoài. Chúng đòi hỏi một số l−ợng lớn thanh ghi cấu hình để hỗ trợ cho nhiều chế độ hoạt động vào / ra bao gồm cả số và t−ơng tự. Bảng 4-22: Các thanh ghi vào ra đa chức năng. Chú ý: kí tự “x” sau dấu phẩy trong tr−ờng địa chỉ có nghĩa là các cổng vào ra đều có riêng biệt các thanh ghi trên. Mỗi một cổng thì các thanh ghi sẽ có một địa chỉ riêng. Nh−ng để dễ hiểu thì ta chỉ xét chung cho tr−ờng hợp tổng quát. Các cổng vào ra đa chức năng đều có độ rộng là 8 bit/ 1 cổng. Mỗi một cổng vào/ra bao gồm 8 khối GPIO giống hệt nhau. Mỗi một khối GPIO Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 60 - đều đ−ợc kết nối với bit có số thứ tự t−ơng ứng trong địa chỉ và thanh ghi. Bởi vậy, những thanh ghi trong bảng các thanh ghi trên thực sự chỉ dành cho một cổng (bao gồm 8 khối GPIO). Trong đó thì vị trí của bit sẽ chỉ rõ là khối GPIO nào trong 8 khối đ−ợc điều khiển với cổng vào ra. Mỗi một khối GPIO có thể đ−ợc sử dụng cho những kiểu vào ra sau: - Vào ra số (Vào ra số điều khiển bởi phần mềm) - Vào ra toàn cục (Vào ra cho các khối PSoC số) - Vào ra t−ơng tự (Vào ra cho các khối PSoC t−ơng tự) mỗi một chân vào ra đều có vài chế độ hoạt động cũng nh− là khả năng tạo ngắt. Trong khi tất cả các chân đều đ−ợc nối đ−ờng vào ra số thì một vài chân lại không đ−ợc kết nối với chức năng vào ra của khối t−ơng tự hoặc bus toàn cục. * Vào ra số: Một trong những chức năng hoạt động cơ bản của cổng vào ra đa chức năng là cho phép CPU gửi thông tin ra ngoài chip và lấy thông tin từ bên ngoài vào. Điều này đ−ợc thực hiện nhờ thanh ghi dữ liệu cổng (Port Data Register PRTxDR). Việc viết dữ liệu vào thanh ghi PRTxDR sẽ l−u lại trạng thái dữ liệu, mỗi bit cho một chân GPIO. Trong chế độ th−ờng (standard non-bypass) thì mỗi chân GPIO sẽ lặp lại bit dữ liệu đó. Nghĩa là khi ta viết một giá trị vào trong thanh ghi dữ liệu PRTxDR thì ở đầu ra của cổng t−ơng ứng sẽ có giá trị giống nh− trong thanh ghi dữ liệu. Điện áp thực ở chân ra phụ thuộc vào chế độ hoạt động của chân và tải bên ngoài đ−ợc nối vào chân đó. (Xem cấu trúc của 1 chân vào ra để hiểu rõ thêm) CPU có thể đọc giá trị của một cổng bằng cách đọc giá trị của thanh ghi PRTxDR. Khi CPU đọc giá trị của PRTxDR thì giá trị điện áp hiện thời của chân vào ra sẽ đ−ợc chuyển đổi sang giá trị logic và đ−ợc trả về cho CPU. Hoạt động này sẽ đọc giá trị điện áp của chân vào ra chứ không phải là đọc về giá trị chốt của thanh ghi PRTxDR. * Vào ra toàn cục (Global IO) Các cổng vào ra đa chức năng cũng đ−ợc nối liền với các khối số thông qua các vào ra toàn cục. Tính năng vào ra toàn Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 61 - cục của mỗi cổng đ−ợc mặc định ở trạng thái tắt. Để sử dụng tính năng này thì có 2 thông số cần phải đ−ợc thay đổi. Thứ nhất để cấu hình cho một chân GPIO hoạt động nh− là một đầu vào toàn cục thì bit lựa chọn cổng toàn cục cần phải đ−ợc set để yêu cầu GPIO sử dụng thanh ghi PRTxGS. Thứ hai là chế độ hoạt động của GPIO cần phải đ−ợc đ−a về trạng thái cao trở. Để cấu hình cho một chân GPIO hoạt động nh− là một đầu ra toàn cục thì bit lựa chọn cổng toàn cục cần phải đ−ợc set lần nữa. Nh−ng trong tr−ờng hợp này thì chế độ hoạt động của GPIO là bất kì trừ chế độ cao trở. *Vào ra t−ơng tự: Tín hiệu t−ơng tự có thể đ−ợc truyền dẫn giữa CPU và chân của chíp thông qua chân AOUT của khối. Chân này đ−ợc nối với khối thông qua một điện trở (khoảng 300 ohms). Chân vào ra đa chức năng cần phải đ−a về chế độ cao trở trong tr−ờng hợp này. Các ngắt của khối GPIO. Mỗi một khối GPIO đều có thể đ−ợc cấu hình một cách độc lập cho khả năng ngắt. Các khối GPIO đ−ợc cấu hình cho phép lựa chọn ngắt cho từng chân và cũng có thể lựa chọn kiểu ngắt phù hợp. Nghĩa là các khối có thể sinh ra ngắt khi chân ở mức logic cao, thấp hoặc khi nó thay đổi so với lần đọc tr−ớc. Các khối đều có một đầu ra ngắt riêng (INTO), nó đ−ợc nối với các khối GPIO khác bằng một kiểu nối dây loại OR. Do tất cả các chân đều đ−ợc nối với nhau theo kiểu OR để sử dụng chung một hệ thống ngắt GPIO. Nên nếu một ngắt GPIO đ−ợc chia sẻ cho nhiều chân vào ra thì trình phục vụ ngắt của ng−ời sử dụng cần phải sử dụng vài kỹ thuật đ−ợc thiết kế sẵn để quyết định xem là chân nào đ−ợc chọn là nguồn sinh ngắt. Sử dụng một ngắt GPIO yêu cầu những b−ớc sau: 1. Đặt chế độ ngắt cho khối chân GPIO 2. Mở bit ngắt cho khối chân GPIO. 3. Mở bit mặt nạ ngắt cho ngắt GPIO. 4. Xác nhận bit ngắt toàn cục GIE. Phạm vi khối GPIO, xác nhận đ−ờng ra ngắt phụ thuộc duy nhất vào bit Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 62 - cho phép ngắt và trạng thái của chân quan hệ với sự lựa chọn chế độ ngắt. ở cấp độ chip, do trạng thái tự nhiên của cổng nối dây OR, ngắt GPIO không phải là ngắt nhạy theo s−ờn hay ngắt nhạy theo mức. Chúng có thể đ−ợc lựa chọn là nhạy theo s−ờn nh−ng nhạy theo mức phải đ−ợc tháo bỏ khỏi đ−ờng ra ngắt của cổng nối dây OR. Nếu không có ngắt GPIO nào đang xác nhận, thì một ngắt GPIO sẽ đ−ợc sinh ra bất cứ khi nào bit cho phép ngắt của một chân GPIO đ−ợc set và chân GPIO chuyển sang cao hoặc thấp một cách thích hợp. Một khi điều này xảy ra, đ−ờng ra của ngắt INTO sẽ đ−ợc kéo xuống thấp để xác nhận ngắt GPIO (Giả định rằng các điều kiện sinh ngắt của hệ thống là cho phép, nh− là cho phép ngắt GPIO toàn cục và cho phép ngắt toàn cục). L−u ý rằng cho phép ngắt ở chân có thể xác nhận đầu ra ngắt INTO ngay lập tức, nếu nh− điều kiện chế độ ngắt đã sẵn sàng xuất hiện ở chân. Một khi INTO đ−ợc kéo xuống mức thấp, nó sẽ tiếp tục giữ INTO ở mức thấp cho đến khi một trong các điều kiện sau đây thay đổi: - Bit cho phép ngắt ở chân đ−ợc xóa - Điện áp ở chân chuyển đổi sang trạng thái đối lập . - Trong chế độ thay đổi ngắt, thanh ghi dữ liệu đ−ợc đọc, do đó thiết lập mức độ ngắt nội tại sang trạng thái đối lập. - Chế độ ngắt bị thay đổi do đó trạng thái hiện thời của chân không sinh ra ngắt. Khi một trong các điều kiện trên xảy ra thì đầu ra INTO đ−ợc giải phóng. Tại thời điểm này, các chân khác (hoặc chính chân này) có thể xác nhận đầu ra ngắt của nó, kéo đ−ờng chung xuống thấp để xác nhận một ngắt mới. L−u ý rằng nếu một chân đang xác nhận đ−ờng ra ngắt INTO và khi đó một chân khác lại xác nhận đầu ra ngắt của nó thì khi chân tr−ớc giải phóng đ−ờng ra ngắt của nó mà chân thứ hai đã điều khiển đầu ra ngắt INTO của nó thì sẽ không có sự thay đổi nào đ−ợc phát hiện ra ở đầu ra ngắt INTO. Tức là sẽ không có ngắt mới nào đ−ợc xác nhận trên ngắt GPIO. Chú ý, sử dụng AND/OR trạng thái của chân GPIO và của bit cho phép ngắt toàn cục để nắm bắt đ−ợc toàn bộ các ngắt của cổng nối dây OR trong khối GPIO. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 63 - 4. Hệ thống khối PSoC số Cấu trúc của hệ thống số Hình 3 - 1: Sơ đồ khối mô tả cấu trúc các khối số trong PSoC • Những ngoại vi đ−ợc tạo bởi khối PSoC số x Các bộ định thời 8,16,24,32-bit với các đặc điểm sau: Hình 3 - 2: Sơ đồ nguyên lý của bộ định thời - Độ rộng thanh ghi 8, 16, 24, 32 bit, sử dụng 1,2,3,4 khối PSoC theo thứ tự - Xung nhịp nguồn lên tới 48 MHz. - Tự động nạp lại chu kỳ khi đếm xong. - Khả năng chụp (capture) tới 24 MHz. - Đầu ra đếm kết thúc có thể đ−ợc sử dụng nh− là đầu vào xung nhịp cho các chức năng số và t−ơng tự khác. - Lựa chọn chế độ ngắt khi đếm kết thúc hoặc là khi bộ đếm đạt một giá Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 64 - trị đặt tr−ớc. Các Module bộ định thời là những bộ đếm lùi với chu kỳ có thể lập trình đ−ợc, có khả năng chụp giữ. Xung nhịp và các tín hiệu cho phép có thể đ−ợc lựa chọn từ nguồn ngoài hoặc từ xung nhịp hệ thống. Sau khi đã khởi động, Bộ định thời hoạt động liên tục và tự động tải chu kỳ từ thanh ghi chu kỳ mỗi khi đếm kết thúc. Các sự kiện có thể chụp giữ giá trị đếm hiện thời của Timer bằng cách xác nhận s−ờn xung của tín hiệu chụp giữ ở đầu vào. Trong mỗi chu kỳ, bộ định thời sẽ so sánh giá trị đếm với giá trị so sánh đặt ở trong thanh ghi compare để kiểm tra điều kiện “Less than” hay “Less than or Equal To”. Các ngắt có thể đ−ợc sinh ra dựa trên tín hiệu đếm kết thúc hoặc điều kiện so sánh. x Các bộ đếm 8, 16,24,32 bit với những đặc điểm sau: - Độ rộng thanh ghi đếm 8,16,24,32 bit, t−ơng ứng chiếm 1,2,3,4 khối PSoC. - Xung nhịp có thể lên tới 48 MHz. - Tự động tải lại chu kỳ khi đếm kết thúc. - Độ rộng xung có thể lập trình đ−ợc. - Có đầu vào cho phép/không cho phép hoạt động đếm liên tục. Hình 3 - 3: Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm. x Bộ điều chế độ rộng xung 8,16 bit với những đặc điểm sau: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 65 - - Bộ điều chế độ rộng xung 8 bit hoặc 16 bit sử dụng 1 hoặc 2 khối số. - Nguồn xung nhịp có thể lên tới 48MHz. - Tự động nạp lại giá trị điều chế khi kết thúc một chu kỳ điều chế xung. - Có thể lập trình độ rộng xung. - Mở và khóa ngắt ngay cả khi bộ điều chế đang hoạt động. - Ngắt có thể lựa chọn theo s−ờn d−ơng của đầu ra hoặc theo giá trị đếm cuối. - Đầu vào xung nhịp và đầu vào cho phép có thể đ−ợc lựa chọn từ nhiều nguồn khác nhau. - Đầu ra có thể đ−ợc nối tới một chân vào ra hoặc đ−ợc sử dụng nội bộ bên trong chíp PSoC. x Bộ điều chế độ rộng xung 8,16 bit kết hợp với dải an toàn: Chức năng tạo dải an toàn sẽ phát ra tín hiệu trên cả hai đầu ra chính và đầu ra phụ của khối. Chức năng này sinh ra xung nhịp không gối lên nhau. Hai pha xung nhịp đó không bao giờ cùng ở mức cao trong cùng một thời điểm và khoảng thời gian ở giữa hai pha đó đ−ợc gọi là dải an toàn. Độ rộng của dải an toàn đ−ợc quyết định bởi giá trị đặt tr−ớc của thanh ghi. Nếu nguồn xung nhịp là một PWM, thì nó sẽ tạo ra hai đầu ra PWM với đầu ra đảm bảo không gối lên nhau. Một tín hiệu tích cực trên đầu vào “Kill” sẽ khóa cả hai đầu ra ngay lập tức. x Bộ tạo dãy CRC phục vụ việc kiểm tra lỗi. - Khả năng tạo dãy từ 2 đến 16 bit. - Đầu vào xung nhịp lên tới 48 MHz. - Có thể lập trình đa thức mẫu. - Đầu vào nối tiếp, đầu ra song song. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 66 - Hình 3 - 4: Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo dãy CRC x Bộ truyền thông không đồng bộ UART, TX, RX với những đặc điểm: - Bộ nhận và truyền tín hiệu không đồng bộ. - Định dạng dữ liệu t−ơng thích với định dạng dữ liệu RS-232. - Tỷ số xung đồng bộ lên tới 6 Mbit/s. - Khung dữ liệu bao gồm bit Start, bit chẵn lẻ (lựa chọn) và các bit Stop - Ngắt khi thanh ghi nhận đầy (lựa chọn) hoặc là khi bộ đệm truyền rỗng. - Phát hiện chẵn lẻ, khung quá tải, khung báo lỗi. - Các chức năng phát và thu ở mức cao. Ngoài ra còn một số ngoại vi số khác của PSoC nh−: Bộ truyền thông SPI Master, SPI Slave… 5. Hệ thống khối PSoC t−ơng tự Cấu trúc của hệ thống t−ơng tự. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 67 - Hình 3 -5: Sơ đồ khối của hệ thống t−ơng tự trong PSoC • Những ngoại vi đ−ợc tạo bởi khối PSoC t−ơng tự. x Các bộ khếch đại. a. Bộ khếch đại INSAMP - Instrumentation Amplifier - Độ khuếch đại có thể lập trình từ 2 - 16 hoặc lên tới 93 đối với cấu trúc 3 bộ KĐTT. - Trở kháng vi sai đầu vào cao. - Một đầu ra. - Có thể lựa chọn cấu trúc hai hoặc ba bộ KĐTT. Hình 3 - 6: Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại INSAMP b. Bộ khuếch đại đảo AMPINV - Inverting Amplifier Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 68 - Hình 3 - 7:Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại đảo - Độ khuếch đại có thể lập trình từ với 18 cấp, độ khuếch đại tối đa là -47 - Một đầu ra đơn đ−ợc tham chiếu đối với đất của Analog. c. Bộ khuếch đại không đảo PGA - Programmable Gain Amplifier - Độ khuếch đại có thể lập trình từ với 33 cấp, độ khuếch đại tối đa là 48. - Một đầu ra đơn với điện áp tham chiếu có thể lựa chọn. - Trở kháng đầu vào cao Module PGA là một module KĐTT dựa trên bộ khuếch đại không đảo, độ khuếch đại với độ khuếch đại có thể lập trình đ−ợc. Bộ khuếch đại này có trở kháng đầu vào cao, băng thông rộng và điện áp tham chiếu có thể lựa chọn đ−ợc. Hình 3 - 8: Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại không đảo PGA x Các bộ chuyển đổi t−ơng tự sang số - ADC. a. ADCINC12 - 12 bit Incremental ADC - Độ phân giải 12 bit, bù 2. - Tốc độ lấy mẫu: 7,8 - 480 mẫu/giây. - Dải đầu vào: AGND V ref. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 69 - - Hỗ trợ chế độ bình th−ờng hoặc chế độ khử hài bậc cao. - Xung nhịp bên trong hoặc bên ngoài. Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ADC 12-bit Incremental b. ADCINCVR - 7 to 13 bit Variable Resolution Incremental ADC. - Độ phân giải 7 - 13 bit, bù 2. - Tốc độ lấy mẫu: 4 - 10000 mẫu/giây. - Dải đầu vào: VSS -VDD. - Xung nhịp bên trong hoặc bên ngoài. Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý bộ ADCINCVR c. DELSIG8 - 8 bit Deltal Sigma ADC - Độ phân giải 8 bit, bù 2. - Tốc độ lấy mẫu: 32K mẫu/giây. - Dải đầu vào: đ−ợc định nghĩa bởi các lựa chọn tham chiếu trong hoặc ngoài. - Xung nhịp bên trong hoặc bên ngoài. DELSIG8 là một bộ biến đổi A/D có kiểu tích phân hàng đợi, cần phải có 127 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 70 - chu kỳ tích phân để có đ−ợc một mẫu ở đầu ra. Hình 3-11: Sơ đồ nguyên lý bộ ADC DelSig8 d. DUALADC - Hai bộ ADCINCVR kết hợp với nhau để tạo ra bộ ADC kép. e. TRIADC - Ba bộ ADCINCVR kết hợp với nhau để tạo ra ba bộ ADC. f. SAR6 - 6 bit Successive Apropximation Register. - Độ phân giải 6 bit. - Sử dụng duy nhất một khối PSoC t−ơng tự. - Thời gian chuyển đổi tiêu biểu là 25ms. - Giao diện lập trình ứng dụng API đ−ợc tối −u để đơn giản trong sử dụng. Hình: 3-12 Sơ đồ nguyên lý API Ngoài ra các khối PSoC số còn coa các bộ chuyển đổi DAC, các bộ lọc, các bộ lựa chọn MUX. x Những User Module đ−ợc bổ xung. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Tr−ờng ĐHNN I - Hμ Nội - 71 - a. Module Hiển thị Tinh thể lỏng - LCD. - Sử dụng giao thức theo tiêu chuẩn công nghiệp của HITACHI HD44780. - Chỉ yêu cầu sử dụng 7 chân I/O trên một cổng vào ra. - Các hàm hỗ trợ việc in xâu ký tự trong RAM và ROM. - Các hàm hỗ trợ việc in các số. - Các hàm hỗ trợ việc in các thanh đồ họa theo chiều ngang hoặc chiều dọc Module LCD là một tập th− viện các ch−ơng trình con đ