基于單片機的智能育種箱設計

李 進 ，徐建領

（南通理工學院，江蘇 南通 226002）

信息化的高速發展，助推農業也進入了智能化新時代[1]。育種問題是農作物種植的最基本問題，想要提高發芽率，首先要控制育種的環境條件。為創造育種條件，我國最常見的方式即大棚培育[2]。而種子前期培育過程不適合大批量培育，為彌補溫室大棚占地面積大、資金投入多、耗費人力資源的缺陷[3]，本文基于單片機，結合溫濕度檢測、CO2檢測等模塊設計了一款智能育種箱，專門針對試驗前期小范圍育種。

1 方案設計

1.1 影響因素確定

在育種的過程中，育種環境對種子發芽至關重要。一是水分，水分是植物生長的基礎，因此水分作為主要因素。二是溫度，周圍的環境溫度適合才能對種子的發芽起到促進作用。三是氧氣，由于種子沒有葉片，所以就不能和CO2在葉綠體中進行光合作用，只能吸收氧氣進行呼吸作用。

1.1.1 水分

水分調控對育種箱內種子的生長有著重要影響[4]。因而育種箱的濕度必定要控制好，依據種子特征決定育種箱內濕度范圍。若育種箱內濕度過大，容易在種子周圍構成水膜，阻止氧氣的進入，導致種子發霉腐爛；若育種箱內濕度過小，種子過分枯燥，這樣就會使種子的水分吸收不暢，使其不能完全活化，從而影響到種子的正常萌發[5]。

1.1.2 溫度

氣溫對種子萌發也有一定的影響，因此需要溫度傳感器采集并監控育種箱內的溫度。育種箱內低溫可使種子的生理反應延遲，使其生長緩慢；高溫會使種子的生理活動受到抑制，從而影響萌發，造成幼苗的畸形；只有保持育種箱的最佳溫度，才能讓種子發芽[6]。

1.1.3 氧氣

氧氣可以促進種子的生化代謝和物質的轉化，為種子提供能量。在吸濕膨脹過程中，種子是先生根后萌發，而胚根生長對氧的需求大于萌發。若培養箱中有大量的水分和較少的氧氣，則可使種子萌發；相反，水分少，氧氣多的話，種子很可能會產生根系，從而造成幼苗的不均衡[7]。

1.2 控制參數確定

種子的發芽受到很多因素的影響，影響種子發芽的最主要因素為溫度和相對濕度。因此，育種箱的系統設計主要為了測量和控制溫濕度。

1）控制溫度范圍：種子萌發的最適宜溫度為10 ℃~30 ℃，大多種子的最佳育種溫度為20 ℃~30 ℃，但也存在18 ℃低溫條件的種子。種子的發芽天數基本為4~10天。因此，育種箱的溫度控制在10 ℃~30 ℃可調。比如十字科的白菜、蘿卜、油菜等，它們的最佳萌發溫度在15 ℃~30 ℃之間；葫蘆科南瓜、冬瓜、黃瓜等的萌發溫度應在25 ℃~30 ℃或20 ℃~30 ℃的恒溫下進行，發芽期4~10天；茄科的辣椒、茄子等，在20 ℃~30 ℃的溫度下，或在30 ℃的恒溫下萌發，發芽期5~12天；禾科的玉米、高粱、水稻要在25 ℃~30 ℃的環境下萌發，發芽期為4~10天[8]。綜合考慮各類種子萌發條件，育種箱溫度測量范圍為0 ℃~40 ℃。

2）濕度控制范圍：70%左右。在萌發期間，必須保持潮濕，育種箱系統需要對種子進行加濕，使育種箱內處于高濕狀態。

3）CO2濃度：種子在發芽時，需要氧氣進行呼吸作用，本研究采取監控CO2濃度，反方向反映出氧氣濃度，CO2濃度控制在800 ppm即可。

1.3 總體方案

智能育種箱系統總體框圖，如圖1所示。以STC89C52RC單片機作為主控板，經溫濕度、CO2傳感器采集育種箱環境參數，采集到的數據可通過LCD1602顯示，便于查看實時溫濕度及CO2濃度。單片機分析并處理采集到的育種箱環境信息，若超出最佳環境范圍，則觸發中斷，單片機發出指令控制繼電器，從而間接操作加熱片、風扇、加濕器執行單元工作，待育種環境恢復至最佳環境時，執行單元停止工作。通過這樣一個循環系統，控制育種箱內溫濕度和CO2濃度保持在參數范圍內，從而保證了種子的發芽率。針對不同的種子，最佳溫濕度、CO2濃度范圍有所差異，本系統還增加了外部按鍵模塊，用于調整不同種子最佳育種環境參數。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件電路

本系統的硬件電路由三部分組成：一是檢測模塊電路，包含DHT11溫濕度檢測模塊電路以及SGP30 CO2檢測模塊電路；二是LCD1602顯示模塊電路；三是執行模塊電路。

2.1 檢測模塊電路

2.1.1 DHT11溫濕度檢測電路

溫濕度模塊電路如圖2所示。DHT11溫濕度傳感器模塊對育種箱內的溫濕度進行檢測，DHT11溫濕度傳感器DATA引腳與單片機P1.7口連接，用于向單片機傳輸溫濕度數據。為提高穩定性，保證數據傳輸不受外界信號干擾，在DATA數據口外接了上拉電阻。

圖2 溫濕度采集原理圖

2.1.2 SGP30氣體檢測電路

SGP30氣體檢測模塊電路如圖3所示，用于檢測育種箱內CO2氣體濃度。SGP30共四個引腳，其中兩個引腳為電源和地，分別接至+5V和GND。同步時鐘信號引腳SCL和數據傳輸引腳SDA分別連接至單片機P2.0和P2.1，經這兩個引腳采用同步通信方式將采集到的數據傳輸至單片機。

圖3 CO2濃度采集模塊原理圖

2.2 LCD1602顯示電路

根據 LCD1602引腳說明，單片機P2.5、P2.6、P2.7引腳分別連接至LCD1602控制引腳RS、RW、E，控制單片機引腳端電平狀態，實現對LCD1602的控制。P0口連接至LCD1602的8位數據口，用于傳輸并顯示采集到的環境參數。另外，偏壓顯示引腳與GND引腳之間增加了電位器，通過改變電壓大小，調整液晶顯示器對比度，避免出現“鬼影”[9]。

2.3 執行元器件電路

執行元器件模塊電路如圖4所示，用于調節育種箱環境參數，保證其處于最佳育種環境。單片機P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口分別接三極管Q1、Q2、Q3、Q4的基極。為保證最佳育種溫度，若單片機檢測到育種箱環境溫度低于設定溫度下限值，則控制P1.2口輸出低電平，使得PNP型三極管Q3發射極到集電極導通，流經電流使得線圈KA3控制繼電器切換，控制加熱片工作升溫；若育種箱溫度高于設定溫度上限值，則P1.3口輸出低電平，使得三極管Q4發射極至集電極導通，線圈KA4控制繼電器切換，控制風扇工作降溫；若育種箱溫度處于設定范圍則P1.2、P1.3口都為高電平，執行單元停止工作。為便于觀察實驗現象，增加了4個LED燈與線圈并聯，當電流流經線圈，對應LED燈則亮。由于正向PN結工作電流過大，增加了限流電阻R4、R6、R8、R10。當執行元器件工作時，電容C5、C6、C7、C8起到濾波和儲能的作用。育種箱內氣體濃度、濕度自動調節原理同溫度調節。

圖4 執行元器件模塊原理圖

3 系統主程序設計

智能育種箱系統流程圖如圖5所示。先將系統各模塊初始化；隨之DHT11、SGP30傳感器采集數據，并將采集到的數據傳輸至單片機分析處理。若溫度過高或CO2濃度過高，則單片機控制風扇工作；若溫度過低，則單片機控制加熱片工作；若濕度過低，則單片機控制加濕器工作。保證種子發芽所需條件——充足的水分、氧氣以及適宜的溫度。

圖5 育種箱系統主程序流程圖

4 系統測試

為了驗證方案的可行性，本文以豇豆種子為例，經查閱文獻得知豇豆種子發芽最適溫度為28 ℃，最適濕度為80% RH，自然發芽率為70%[10]。在模擬育種箱內均勻播種20顆豇豆種子，將溫度下限設定為25 ℃，上限設定為30 ℃；濕度下限設置為75%RH，上限設置為85% RH；CO2濃度上限設置成800 ppm。將育種箱接通移動電源，打開電源開關，通過LCD1602觀察到當前育種箱內的溫度為25 ℃，濕度為71% RH，CO2濃度為777 ppm。經4天后發現，共有17顆種子發芽，發芽率達85%。發芽前后育種箱實物圖，如圖6所示。實驗證明，該育種箱系統有利于提升種子發芽率。

圖6 發芽前后育種箱實物圖