陽臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

周趙鳳 邵威 邱祁

摘要 隨著國內(nèi)陽臺(tái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，立體栽培技術(shù)逐漸發(fā)展起來?；赟TM8S208C8T6單片機(jī)的最小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(wěn)定，營養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)；利用SHT20溫濕度傳感器測(cè)量環(huán)境參數(shù)，通過I2C通訊，將數(shù)據(jù)顯示在HMI串口顯示屏上；基于TJA1050芯片的CAN總線聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)了CAN基本電路。該控制器成本低、簡(jiǎn)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(lián)網(wǎng)等功能于一體，為陽臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培提供有益參考。

關(guān)鍵詞 陽臺(tái)農(nóng)業(yè)；立體栽培；單片機(jī)；SHT20；CAN

中圖分類號(hào) S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 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(tái)農(nóng)業(yè)是指主要采用無土栽培的方法，居民利用室內(nèi)、陽臺(tái)、庭院、屋頂?shù)瓤臻g進(jìn)行家庭園藝植物栽培或裝飾的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。日本以及歐美發(fā)達(dá)國家在陽臺(tái)、樓頂進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植已經(jīng)非常成熟，園藝種植已成為成年人最受歡迎的閑暇運(yùn)動(dòng)之一[1-3]。陽臺(tái)種植形式已從傳統(tǒng)單一的土培發(fā)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(tái)農(nóng)業(yè)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(yǎng)液，通過營養(yǎng)液向植物提供水分、養(yǎng)分等生長(zhǎng)因子，同時(shí)需要檢測(cè)及控制生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度[7-8]。為解決立體栽培系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)營養(yǎng)液及檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的問題，國內(nèi)開發(fā)出不少立體栽培控制系統(tǒng)[9-13]。

該研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要用于環(huán)境溫濕度檢測(cè)、營養(yǎng)液循環(huán)、人機(jī)界面及多栽培機(jī)聯(lián)網(wǎng)方面。筆者對(duì)陽臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培機(jī)控制器進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1 總體方案

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用小功率直流水泵，從營養(yǎng)液缸中抽取營養(yǎng)液，營養(yǎng)液經(jīng)過節(jié)流閥（調(diào)節(jié)流量）和輸送管輸送給各個(gè)盆栽?？刂屏鞒虉D如圖1所示。單片機(jī)通過PWM控制水泵輸出一定水壓，壓力傳感器對(duì)壓力實(shí)時(shí)反饋，形成簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，使水泵輸出壓力基本穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)的總體框架如圖2所示。主要分為單片機(jī)最小系統(tǒng)[最小系統(tǒng)包括復(fù)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(yǎng)液的循環(huán)），溫濕度傳感器SHT20（對(duì)周圍環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測(cè)），串口顯示屏（單片機(jī)進(jìn)行溫濕度讀取，并將結(jié)果顯示在其上）；CAN模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的局域聯(lián)網(wǎng)。

1.1 水泵的選擇

根據(jù)需要將營養(yǎng)液輸送到1.7 m左右的垂直高度，選擇規(guī)格為13.8 mm口徑、6 m揚(yáng)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(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，采用永磁磁鐵驅(qū)動(dòng)，損耗小，壽命長(zhǎng)。

1.2 壓力傳感器的選擇

根據(jù)水泵的規(guī)格，估算水泵輸出水壓。因?yàn)橐粋€(gè)大氣壓（101.325 kPa）近似等于10 m水柱，則6 m揚(yáng)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(yīng)時(shí)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(jī)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，F(xiàn)LASH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。