微型荷花室內(nèi)生長(zhǎng)栽培測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

邵奕維，張 旭，詹開元，梁銘浩，鐘聞?dòng)?/p>

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132101）

野生荷花對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤及其營(yíng)養(yǎng)元素含量要求較高，這些因素直接影響到荷花的成活率及開花率。荷花在我國(guó)南方地區(qū)較為常見，北方地區(qū)在夏季也有荷塘種植荷花。近年來(lái)，反季節(jié)荷花栽培技術(shù)不斷發(fā)展，但仍需在溫室大棚大批量栽培情況下才得以成功，少量微型荷花種植還受各種因素影響，沒有得到有效推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，反季節(jié)微型荷花栽培技術(shù)不斷成熟，設(shè)備成本不斷降低，單個(gè)或少量微型荷花的反季節(jié)栽培已不是奢望［1］。

為實(shí)現(xiàn)微型荷花室內(nèi)栽培，將溫濕度傳感器、土壤綜合傳感器、光照傳感器、植物生長(zhǎng)補(bǔ)光燈、加熱設(shè)備、微型灌溉裝置與單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)一套智能調(diào)控微型荷花生長(zhǎng)環(huán)境的測(cè)控系統(tǒng)，使微型荷花能夠在春季、秋季和冬季在室內(nèi)正常生長(zhǎng)并開花。

1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)微型荷花栽培監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成，檢測(cè)與控制設(shè)備構(gòu)成圖如圖1 所示。

圖1 微型荷花生長(zhǎng)栽培測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

1.1 STC51 單片機(jī)

本系統(tǒng)選用德飛萊的LY-51S 單片機(jī)開發(fā)板。此開發(fā)板不僅能夠與各種接口的傳感器元件連接，功能豐富，而且具有RS485 通訊接口，可以與多個(gè)485 接口的傳感器相連接，采集溫濕度、光照強(qiáng)度等信號(hào)，節(jié)省擴(kuò)展設(shè)備和空間，且很容易添加網(wǎng)絡(luò)功能，適合今后深度開發(fā)。

1.2 PR-3000-TR-485 土壤綜合傳感器

PR-3000-TR-485 土壤綜合傳感器可長(zhǎng)期埋入土壤中，耐長(zhǎng)期電解，耐腐蝕，防水防腐蝕?？刂菩酒捎酶呔?6 位進(jìn)口處理器，采樣精度高，運(yùn)算速度高效。此傳感器可以同時(shí)檢測(cè)土壤溫濕度和氮磷鉀含量，通過(guò)RS485 總線和Modbus 通信協(xié)議傳輸信號(hào)，方便快捷［2］。

1.3 BH1750FVI 光照傳感器

BH1750FVI 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，接線簡(jiǎn)單，易于安裝，可滿足荷花生長(zhǎng)光照的調(diào)控。

1.4 土壤pH 傳感器

采用485 型土壤pH 傳感器，通過(guò)檢測(cè)花盆中的pH值，及時(shí)調(diào)整土壤酸堿度，滿足微型荷花生長(zhǎng)需要。傳感器內(nèi)的輸入電源、感應(yīng)探頭、信號(hào)輸出三部分完全隔離。

1.5 水位傳感器和潛水泵模塊

該模塊采用水位傳感器，當(dāng)栽培皿中的水位低于適合荷花生長(zhǎng)環(huán)境的水位時(shí)，水位傳感器向CPU 發(fā)送補(bǔ)水信號(hào)，CPU 控制繼電器打開潛水泵開始進(jìn)水，到達(dá)合適水位停止進(jìn)水。

1.6 補(bǔ)光燈

該模塊用于調(diào)節(jié)荷花生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度，根據(jù)微型荷花不同生長(zhǎng)時(shí)期光照強(qiáng)度需求進(jìn)行補(bǔ)光，補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)及方式由程序來(lái)控制。該模塊可在線實(shí)時(shí)24 h 連續(xù)采集和記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、光照情況。

1.7 LCD12864 液晶屏

該模塊分辨率高，接口方式靈活，操作簡(jiǎn)便，易于與單片機(jī)開發(fā)板連接，能夠迅速構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，可以完成更多的圖形顯示，可以讓人們直觀了解微型荷花的生長(zhǎng)環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

程序運(yùn)行首先初始化所有參數(shù)，然后循環(huán)掃描溫濕度傳感器、光照傳感器等傳感器信息，并在LCD12864液晶屏上顯示，將實(shí)時(shí)值與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)比較，單片機(jī)CPU 根據(jù)微型荷花不同生長(zhǎng)時(shí)期的各項(xiàng)指標(biāo)要求，利用預(yù)設(shè)公式控制加熱器、補(bǔ)光燈、灌溉設(shè)備進(jìn)行溫濕度光照調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體流程圖如圖2 所示。

圖2 微型荷花栽培測(cè)控系統(tǒng)程序控制流程圖

2.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件的整體功能通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由主程序、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集顯示和控制處理四個(gè)模塊組成，這些模塊除了具備自己特定功能外，相互之間既獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。

2.2 主程序模塊

主程序模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和其他模塊的調(diào)用。

2.3 參數(shù)設(shè)置模塊

微型荷花生長(zhǎng)過(guò)程中需要的溫度、光照、pH 值、氮磷鉀等參數(shù)均由此模塊來(lái)設(shè)置并調(diào)整?？砂凑赵苑N、抽葉、抽鞭、花蕾、開花等不同階段分別設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)匯總在一起，讓人們能夠更直觀地了解微型荷花的生長(zhǎng)情況。

2.4 數(shù)據(jù)采集顯示模塊

所有選擇的傳感器均采用RS485 方式傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)485 端口采集數(shù)據(jù)，按照預(yù)先定義的Modbus 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)剝離，并在顯示屏中顯示出來(lái)。

本部分是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的重要部分，通過(guò)土壤綜合傳感器采集土壤溫度、濕度和氮磷鉀含量值；光照傳感器反映當(dāng)前光照度；水位傳感器返回的測(cè)量值決定是否需要進(jìn)水；根據(jù)pH 值傳感器的測(cè)量值確定是否進(jìn)行土壤酸堿度調(diào)整［3］。

2.5 控制處理模塊

此部分將采集的溫濕度、光照度、氮磷鉀、水位等信息與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，不滿足要求時(shí)，通過(guò)控制加熱帶、補(bǔ)光燈、水泵等設(shè)備進(jìn)行環(huán)境條件調(diào)控，以滿足微型荷花的正常生長(zhǎng)需求。

3 仿真與調(diào)試

在整體設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真與調(diào)試是不可缺少的環(huán)節(jié)，可節(jié)省大量安裝調(diào)試環(huán)節(jié)。Proteus 很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。它具有功能很強(qiáng)的ISIS 智能原理圖系統(tǒng)，操作工具也很豐富，原理圖設(shè)計(jì)完成后，只需要一鍵便可進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，不僅能方便地完成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)源代碼的調(diào)試與仿真，還支持第三方的軟件編譯和調(diào)試。使用Proteusd 軟件對(duì)電路原理圖進(jìn)行仿真，將每一個(gè)部件分別進(jìn)行仿真與測(cè)試，可以看出每個(gè)部件運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)，方便日后連接實(shí)物找出故障點(diǎn)［4］。對(duì)LCD12864 的仿真如圖3 所示。

圖3 微型荷花室內(nèi)栽培測(cè)控系統(tǒng)仿真