談馬鈴薯自動化催芽監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：設(shè)計了一款馬鈴薯自動化催芽監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制屏、備料模塊和催芽模塊組成，采用基于單片機的多電機控制，驅(qū)動機械終端的協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)馬鈴薯種塊催芽環(huán)境的實時檢測與溫濕度控制，經(jīng)多次實驗驗證，系統(tǒng)能夠?qū)⒋哐肯鋬?nèi)環(huán)境溫濕度穩(wěn)定控制在設(shè)定范圍內(nèi)，為馬鈴薯自動化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；催芽；自動化

馬鈴薯位居世界糧食作物產(chǎn)量第四名，排在玉米、水稻和小麥之后。中國是世界馬鈴薯種植面積最大的國家。馬鈴薯的栽培技術(shù)主要利用塊莖進(jìn)行無性繁殖，將健康的馬鈴薯切成3 cm×3 cm大小的莖塊，放置于陰涼處進(jìn)行催芽，10天左右長出幼牙，即可種植。馬鈴薯的種子催芽過程需要具備一定的環(huán)境的溫度和濕度，塊莖生芽的適宜溫度為12℃～16℃，高溫會使塊莖停止生長，相對濕度70％～80%適宜，濕度過大會導(dǎo)致塊莖腐爛。農(nóng)民一般選擇合適季節(jié)在溫室中進(jìn)行催芽，但不可控的環(huán)境因素仍然無法保證種塊出芽率，且催芽過程中的腐爛問題會造成大面積的種塊污染，產(chǎn)生了很大浪費。本研究設(shè)計密閉式催芽箱體模型，采用自動化技術(shù)實現(xiàn)催芽箱體內(nèi)部環(huán)境溫度與濕度的實時控制，用戶可依據(jù)馬鈴薯種塊的出牙情況動態(tài)調(diào)整參數(shù)[1-6]。

1結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

馬鈴薯種塊自動化催芽模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動化催芽模型由控制屏、備料模塊和催芽模塊3部分組成。備料模塊中種塊放入料斗，下面的噴淋器為多層環(huán)形結(jié)構(gòu)，每層環(huán)形內(nèi)壁設(shè)置高壓噴水孔，通過軟管鏈接藥箱，藥箱口裝設(shè)壓力閥能夠控制噴淋藥液流量強度，種塊經(jīng)由噴淋器消毒進(jìn)入催芽箱體，完成脫毒處理。催芽模塊呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，上下分別設(shè)置環(huán)形滑軌，種箱安裝于中間位置，種箱由種盤組成，種盤中心貫穿伸縮繩，每個種箱底部設(shè)有壓力傳感器，溫濕度傳感器位置于環(huán)形結(jié)構(gòu)中心，2個風(fēng)扇、加濕器均安裝在環(huán)形外殼上方內(nèi)側(cè)，加熱絲呈網(wǎng)狀間隔遍布外殼，自動化裝置的每個執(zhí)行終端均配設(shè)電機，待所有種箱裝入種塊后，催芽環(huán)形結(jié)構(gòu)外罩透明密閉箱體（風(fēng)扇處可以外接通風(fēng)）。

2控制流程

自動化催芽模塊控制流程如圖2所示。系統(tǒng)采用STM32F103x4為核心控制器，該芯片低功耗，內(nèi)置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和外設(shè)。選擇AM2321濕敏電容數(shù)字溫度傳感器，該傳感器體積小、低功耗、信號傳輸距離20 m以上，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強。系統(tǒng)開始運行前由人工預(yù)先在控制屏上設(shè)置噴淋水壓與催芽溫度、濕度范圍，并將馬鈴薯種塊放入料斗，啟動電源，控制器發(fā)出啟動指令，系統(tǒng)運行，電機驅(qū)動料斗震動，壓力閥開啟，藥箱中的藥液壓入噴淋器；催芽模塊環(huán)形滑軌轉(zhuǎn)動，空載育種箱移動至噴淋器，伸縮繩釋放空載育種盤至出料口，育種盤自轉(zhuǎn)且震動，壓力傳感器實時監(jiān)測種箱重量，待當(dāng)前育種盤載重達(dá)到上限，伸縮繩釋放上一層育種盤，直至當(dāng)前育種箱所有育種盤滿載，環(huán)形滑軌轉(zhuǎn)動下一育種箱至出料口，依次循環(huán)，直至所有育種箱滿載，溫濕度傳感器實時監(jiān)測催芽箱整體的溫度與濕度信息，超出設(shè)定限制范圍時，啟動加熱器加熱、加濕噴頭加濕、風(fēng)扇降溫排濕。

3試驗分析

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，分別對溫度、濕度實驗分析。系統(tǒng)每30 s記錄一次數(shù)據(jù)。設(shè)定系統(tǒng)溫度最小值12℃，溫度最大值16℃，濕度最小值70%RH，濕度最大值80%RH。選取1天從凌晨到子夜20個溫度點進(jìn)行分析。催芽箱內(nèi)溫度與室外溫度對比圖如圖3所示。從圖中曲線可以看出室外溫度變化時催芽箱內(nèi)溫度會隨之發(fā)生一定的變化，但變化區(qū)間穩(wěn)定在12℃～16℃范圍內(nèi)。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)啟動加熱器，并在溫度處于設(shè)定溫度范圍內(nèi)后，關(guān)閉加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)啟動風(fēng)扇散熱，并在溫度處于預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)后，停止風(fēng)扇，使得密閉箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，達(dá)到溫度自動控制的目的。催芽箱內(nèi)濕度與室外濕度對比圖如圖4所示。從圖中曲線可以看出室外濕度變化時催芽箱內(nèi)濕度會隨之發(fā)生一定的變化，但變化區(qū)間穩(wěn)定在70%RH～80%RH范圍內(nèi)。當(dāng)濕度低于設(shè)定濕度時，控制系統(tǒng)啟動加濕噴頭，并在濕度處于設(shè)定濕度范圍內(nèi)后，關(guān)閉噴頭，當(dāng)濕度高于設(shè)定數(shù)值時，控制系統(tǒng)啟動風(fēng)扇，達(dá)到自動控濕的目的。選取50個馬鈴薯種子，切塊后放入自動化催芽裝置，12天后，種塊出牙率97%。

4結(jié)論

筆者設(shè)計了一種馬鈴薯種塊自動化催芽系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)種塊自動消毒、自動測重、種盤自動裝載、催芽過程溫濕度監(jiān)控的功能。系統(tǒng)采用單片機作核心控制器，溫濕度傳感器采集催芽箱內(nèi)環(huán)境信息，按照控制屏預(yù)設(shè)控制條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制加熱器、加濕噴頭、風(fēng)扇等執(zhí)行終端動作，達(dá)到自動化催芽的目的。實驗證明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控溫控濕，提高馬鈴薯催芽效果，為馬鈴薯自動化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王潤濤，李明，龔振平.基于雙目視覺的球形果實單體采摘終端裝置研究[J].食品與機械，2018，34(7)：93-97+100.

[2]李明，王潤濤，趙忠媛.馬鈴薯自動選種催芽系統(tǒng)的研究[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，41(4)：489-494.

[3]吳付祥.基于STM32的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2020(8)：111-113+118.

[4]倪瑞，張萬達(dá).基于AT89S51單片機的溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2019，34(5)：53-55.

[5]葉子馨，任廣鵬，李東青，等.基于單片機的教室溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2019，27(16)：74.

[6]吳鵬.基于單片機的溫室大棚自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].辦公自動化，2021，26(6)：62-64.

作者：李明 王潤濤 姜微 單位：嶺南師范學(xué)院