陽臺農業立體栽培機控制器的設計

周趙鳳 邵威 邱祁

摘要 隨著國內陽臺農業的發展，立體栽培技術逐漸發展起來?；赟TM8S208C8T6單片機的最小系統，設計了一種多功能控制器。借助壓力傳感器反饋水壓，使輸出壓力穩定，營養液自動循環；利用SHT20溫濕度傳感器測量環境參數，通過I2C通訊，將數據顯示在HMI串口顯示屏上；基于TJA1050芯片的CAN總線聯網，設計了CAN基本電路。該控制器成本低、簡單，集水泵控制、溫濕度讀取、A/D采樣、溫濕度顯示和水壓控制、CAN聯網等功能于一體，為陽臺農業立體栽培提供有益參考。

關鍵詞 陽臺農業；立體栽培；單片機；SHT20；CAN

中圖分類號 S220.2 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0189-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.055

Abstract With the development of domestic balcony agriculture， space cultivation technology has gradually developed. A multifunctional controller was design based on the minimum system of STM8S208C8T6 microcontroller. The pressure sensor was used to feedback the water pressure and stabilize the output pressure，and the nutrient solution was automatically circulated. SHT20 temperature and humidity sensor was used to measure environmental parameters， and data were displayed on HMI serial display through I2C communication. Based on the TJA1050 chip， the CAN basic circuit was designed. The controller was lowcost and simple， which combined with water pump control， temperature and humidity reading， A/D sampling， temperature and humidity display and water pressure control， CAN networking and other functions， so as to provide useful references for space cultivation of balcony agriculture.

Key words Balcony agriculture；Space cultivation；Microcontroller；SHT20；CAN

陽臺農業是指主要采用無土栽培的方法，居民利用室內、陽臺、庭院、屋頂等空間進行家庭園藝植物栽培或裝飾的農業生產。日本以及歐美發達國家在陽臺、樓頂進行農業種植已經非常成熟，園藝種植已成為成年人最受歡迎的閑暇運動之一[1-3]。陽臺種植形式已從傳統單一的土培發展到無土栽培、管道栽培、漂浮栽培、氣霧培等多種種植形式，這些形式的多效組合也形成了陽臺農業特有的立體栽培模式[4-6]，而不論是無土栽培還是管道栽培，其核心是將植物根莖固定并使根系接觸營養液，通過營養液向植物提供水分、養分等生長因子，同時需要檢測及控制生長環境的溫濕度[7-8]。為解決立體栽培系統自動補營養液及檢測環境參數的問題，國內開發出不少立體栽培控制系統[9-13]。

該研究所設計系統主要用于環境溫濕度檢測、營養液循環、人機界面及多栽培機聯網方面。筆者對陽臺農業立體栽培機控制器進行了總體方案設計、電路設計和軟件設計。

1 總體方案

該控制系統設計采用小功率直流水泵，從營養液缸中抽取營養液，營養液經過節流閥（調節流量）和輸送管輸送給各個盆栽。控制流程圖如圖1所示。單片機通過PWM控制水泵輸出一定水壓，壓力傳感器對壓力實時反饋，形成簡單的閉環系統，使水泵輸出壓力基本穩定。

設計的總體框架如圖2所示。主要分為單片機最小系統[最小系統包括復位電路、晶振電路（16 MHz）]，電源模塊，給水泵和壓力傳感器（用于營養液的循環），溫濕度傳感器SHT20（對周圍環境溫濕度進行檢測），串口顯示屏（單片機進行溫濕度讀取，并將結果顯示在其上）；CAN模塊實現系統的局域聯網。

1.1 水泵的選擇

根據需要將營養液輸送到1.7 m左右的垂直高度，選擇規格為13.8 mm口徑、6 m揚程的小型無刷直流水泵，如圖3所示。額定電壓24 V，工作電流1.2 A，最大流量700 L/h，功耗28.8 W，噪音低于35 dB。由此可見，該水泵具備體積小、低噪音、高效率、節能環保等優點，采用永磁磁鐵驅動，損耗小，壽命長。

1.2 壓力傳感器的選擇

根據水泵的規格，估算水泵輸出水壓。因為一個大氣壓（101.325 kPa）近似等于10 m水柱，則6 m揚程水泵輸出水壓近似于60 kPa，因此選擇量程0～100 kPa的壓力傳感器。如圖4所示，采用三線制電壓型，傳感器供電電壓5 V，輸出電壓0.5～4.5 V。精度0.25%FS（靈敏度）；響應時間小于1 ms；抗壓力疲勞沖擊1 000萬次；抗過載性X2。

1.3 顯示屏的選擇

選用的單片機自帶UART通訊功能，選擇UART通訊的HMI串口顯示屏TJC4024T032_011R，如圖5所示。3.2寸電阻式觸摸屏，自帶字庫，16位真彩色RGB顯示。工作電壓4.75～7.00 V，FLASH空間4 MB，3 584 Byte的RAM。具有休眠模式，休眠電流20 mA，支持觸摸喚醒功能。