馬鈴薯自動(dòng)化催芽監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李 明 ， 王潤(rùn)濤 ， 姜 微

（嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

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(guó)是世界馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家。馬鈴薯的栽培技術(shù)主要利用塊莖進(jìn)行無(wú)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(zhǎng)出幼牙，即可種植。馬鈴薯的種子催芽過(guò)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(huì)使塊莖停止生長(zhǎng)，相對(duì)濕度70%～80%適宜，濕度過(guò)大會(huì)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(wú)法保證種塊出芽率，且催芽過(guò)程中的腐爛問(wèn)題會(huì)造成大面積的種塊污染，產(chǎn)生了很大浪費(fèi)。本研究設(shè)計(jì)密閉式催芽箱體模型，采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)催芽箱體內(nèi)部環(huán)境溫度與濕度的實(shí)時(shí)控制，用戶可依據(jù)馬鈴薯種塊的出牙情況動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)[1-6]。

1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

馬鈴薯種塊自動(dòng)化催芽模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動(dòng)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(guò)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(qiáng)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(pán)組成，種盤(pán)中心貫穿伸縮繩，每個(gè)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(gè)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(dòng)化裝置的每個(gè)執(zhí)行終端均配設(shè)電機(jī)，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)）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

2 控制流程

自動(dòng)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(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)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(hào)傳輸距離20 m以上，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)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(dòng)電源，控制器發(fā)出啟動(dòng)指令，系統(tǒng)運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)料斗震動(dòng)，壓力閥開(kāi)啟，藥箱中的藥液壓入噴淋器；催芽模塊環(huán)形滑軌轉(zhuǎn)動(dòng)，空載育種箱移動(dòng)至噴淋器，伸縮繩釋放空載育種盤(pán)至出料口，育種盤(pán)自轉(zhuǎn)且震動(dòng)，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種箱重量，待當(dāng)前育種盤(pán)載重達(dá)到上限，伸縮繩釋放上一層育種盤(pán)，直至當(dāng)前育種箱所有育種盤(pán)滿載，環(huán)形滑軌轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)催芽箱整體的溫度與濕度信息，超出設(shè)定限制范圍時(shí)，啟動(dòng)加熱器加熱、加濕噴頭加濕、風(fēng)扇降溫排濕。

圖2 催芽模塊控制流程圖

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，分別對(duì)溫度、濕度實(shí)驗(yàn)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(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行分析。催芽箱內(nèi)溫度與室外溫度對(duì)比圖如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)控曲線

從圖中曲線可以看出室外溫度變化時(shí)催芽箱內(nèi)溫度會(huì)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(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)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(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)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(dòng)控制的目的。

催芽箱內(nèi)濕度與室外濕度對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 濕度監(jiān)控曲線

從圖中曲線可以看出室外濕度變化時(shí)催芽箱內(nèi)濕度會(huì)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(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)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(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇，達(dá)到自動(dòng)控濕的目的。

選取50個(gè)馬鈴薯種子，切塊后放入自動(dòng)化催芽裝置，12天后，種塊出牙率97%。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯種塊自動(dòng)化催芽系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)種塊自動(dòng)消毒、自動(dòng)測(cè)重、種盤(pán)自動(dòng)裝載、催芽過(guò)程溫濕度監(jiān)控的功能。系統(tǒng)采用單片機(jī)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(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)化催芽的目的。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控溫控濕，提高馬鈴薯催芽效果，為馬鈴薯自動(dòng)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。