馬鈴薯自動化催芽監(jiān)控系統(tǒng)設計＊

李 明 ， 王潤濤 ， 姜 微

（嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

馬鈴薯位居世界糧食作物產量第四名，排在玉米、水稻和小麥之后。中國是世界馬鈴薯種植面積最大的國家。馬鈴薯的栽培技術主要利用塊莖進行無性繁殖，將健康的馬鈴薯切成3 cm×3 cm大小的莖塊，放置于陰涼處進行催芽，10天左右長出幼牙，即可種植。馬鈴薯的種子催芽過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℃，高溫會使塊莖停止生長，相對濕度70%～80%適宜，濕度過大會導致塊莖腐爛。農民一般選擇合適季節(jié)在溫室中進行催芽，但不可控的環(huán)境因素仍然無法保證種塊出芽率，且催芽過程中的腐爛問題會造成大面積的種塊污染，產生了很大浪費。本研究設計密閉式催芽箱體模型，采用自動化技術實現(xiàn)催芽箱體內部環(huán)境溫度與濕度的實時控制，用戶可依據馬鈴薯種塊的出牙情況動態(tài)調整參數[1-6]。

1 結構模型設計

馬鈴薯種塊自動化催芽模型結構如圖1所示。自動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)形結構，每層環(huán)形內壁設置高壓噴水孔，通過軟管鏈接藥箱，藥箱口裝設壓力閥能夠控制噴淋藥液流量強度，種塊經由噴淋器消毒進入催芽箱體，完成脫毒處理。催芽模塊呈環(huán)形結構，上下分別設置環(huán)形滑軌，種箱安裝于中間位置，種箱由種盤組成，種盤中心貫穿伸縮繩，每個種箱底部設有壓力傳感器，溫濕度傳感器位置于環(huán)形結構中心，2個風扇、加濕器均安裝在環(huán)形外殼上方內側，加熱絲呈網狀間隔遍布外殼，自動化裝置的每個執(zhí)行終端均配設電機，待所有種箱裝入種塊后，催芽環(huán)形結構外罩透明密閉箱體（風扇處可以外接通風）。

圖1 系統(tǒng)結構模型圖

2 控制流程

自動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，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和外設。選擇AM2321濕敏電容數字溫度傳感器，該傳感器體積小、低功耗、信號傳輸距離20 m以上，響應速度快，抗干擾能力強。

系統(tǒng)開始運行前由人工預先在控制屏上設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，啟動電源，控制器發(fā)出啟動指令，系統(tǒng)運行，電機驅動料斗震動，壓力閥開啟，藥箱中的藥液壓入噴淋器；催芽模塊環(huán)形滑軌轉動，空載育種箱移動至噴淋器，伸縮繩釋放空載育種盤至出料口，育種盤自轉且震動，壓力傳感器實時監(jiān)測種箱重量，待當前育種盤載重達到上限，伸縮繩釋放上一層育種盤，直至當前育種箱所有育種盤滿載，環(huán)形滑軌轉動下一育種箱至出料口，依次循環(huán)，直至所有育種箱滿載，溫濕度傳感器實時監(jiān)測催芽箱整體的溫度與濕度信息，超出設定限制范圍時，啟動加熱器加熱、加濕噴頭加濕、風扇降溫排濕。

圖2 催芽模塊控制流程圖

3 試驗分析

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，分別對溫度、濕度實驗分析。系統(tǒng)每30 s記錄一次數據。設定系統(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個溫度點進行分析。催芽箱內溫度與室外溫度對比圖如圖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催芽箱內溫度會隨之發(fā)生一定的變化，但變化區(qū)間穩(wěn)定在12℃～16℃范圍內。當溫度低于設定溫度時，控制系統(tǒng)啟動加熱器，并在溫度處于設定溫度范圍內后，關閉加熱器，當溫度高于設定溫度時，控制系統(tǒng)啟動風扇散熱，并在溫度處于預設溫度范圍內后，停止風扇，使得密閉箱內溫度穩(wěn)定在設定范圍內，達到溫度自動控制的目的。

催芽箱內濕度與室外濕度對比圖如圖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催芽箱內濕度會隨之發(fā)生一定的變化，但變化區(qū)間穩(wěn)定在70%RH～80%RH范圍內。當濕度低于設定濕度時，控制系統(tǒng)啟動加濕噴頭，并在濕度處于設定濕度范圍內后，關閉噴頭，當濕度高于設定數值時，控制系統(tǒng)啟動風扇，達到自動控濕的目的。

選取50個馬鈴薯種子，切塊后放入自動化催芽裝置，12天后，種塊出牙率97%。

4 結論

筆者設計了一種馬鈴薯種塊自動化催芽系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)種塊自動消毒、自動測重、種盤自動裝載、催芽過程溫濕度監(jiān)控的功能。系統(tǒng)采用單片機作核心控制器，溫濕度傳感器采集催芽箱內環(huán)境信息，按照控制屏預設控制條件進行調節(jié)，控制加熱器、加濕噴頭、風扇等執(zhí)行終端動作，達到自動化催芽的目的。實驗證明，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動化控溫控濕，提高馬鈴薯催芽效果，為馬鈴薯自動化生產提供了技術支持。