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(fā)展，助推農(nóng)業(yè)也進入了智能化新時代[1]。育種問題是農(nóng)作物種植的最基本問題，想要提高發(fā)芽率，首先要控制育種的環(huán)境條件。為創(chuàng)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(jié)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(huán)境對種子發(fā)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(huán)境溫度適合才能對種子的發(fā)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(diào)控對育種箱內(nèi)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(jù)種子特征決定育種箱內(nèi)濕度范圍。若育種箱內(nèi)濕度過大，容易在種子周圍構(gòu)成水膜，阻止氧氣的進入，導致種子發(fā)霉腐爛；若育種箱內(nèi)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(fā)[5]。

1.1.2 溫度

氣溫對種子萌發(fā)也有一定的影響，因此需要溫度傳感器采集并監(jiān)控育種箱內(nèi)的溫度。育種箱內(nèi)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(fā)，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(fā)芽[6]。

1.1.3 氧氣

氧氣可以促進種子的生化代謝和物質(zhì)的轉(zhuǎn)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(fā)，而胚根生長對氧的需求大于萌發(fā)。若培養(yǎng)箱中有大量的水分和較少的氧氣，則可使種子萌發(fā)；相反，水分少，氧氣多的話，種子很可能會產(chǎn)生根系，從而造成幼苗的不均衡[7]。

1.2 控制參數(shù)確定

種子的發(fā)芽受到很多因素的影響，影響種子發(fā)芽的最主要因素為溫度和相對濕度。因此，育種箱的系統(tǒng)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(fā)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(fā)芽天數(shù)基本為4~10天。因此，育種箱的溫度控制在10 ℃~30 ℃可調(diào)。比如十字科的白菜、蘿卜、油菜等，它們的最佳萌發(fā)溫度在15 ℃~30 ℃之間；葫蘆科南瓜、冬瓜、黃瓜等的萌發(fā)溫度應在25 ℃~30 ℃或20 ℃~30 ℃的恒溫下進行，發(fā)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(fā)，發(fā)芽期5~12天；禾科的玉米、高粱、水稻要在25 ℃~30 ℃的環(huán)境下萌發(fā)，發(fā)芽期為4~10天[8]。綜合考慮各類種子萌發(fā)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(fā)期間，必須保持潮濕，育種箱系統(tǒng)需要對種子進行加濕，使育種箱內(nèi)處于高濕狀態(tài)。

3）CO2濃度：種子在發(fā)芽時，需要氧氣進行呼吸作用，本研究采取監(jiān)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(tǒng)總體框圖，如圖1所示。以STC89C52RC單片機作為主控板，經(jīng)溫濕度、CO2傳感器采集育種箱環(huán)境參數(shù)，采集到的數(shù)據(jù)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(huán)境信息，若超出最佳環(huán)境范圍，則觸發(fā)中斷，單片機發(fā)出指令控制繼電器，從而間接操作加熱片、風扇、加濕器執(zhí)行單元工作，待育種環(huán)境恢復至最佳環(huán)境時，執(zhí)行單元停止工作。通過這樣一個循環(huán)系統(tǒng)，控制育種箱內(nèi)溫濕度和CO2濃度保持在參數(shù)范圍內(nèi)，從而保證了種子的發(fā)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(tǒng)還增加了外部按鍵模塊，用于調(diào)整不同種子最佳育種環(huán)境參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路

本系統(tǒng)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(zhí)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(nèi)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(shù)據(jù)。為提高穩(wěn)定性，保證數(shù)據(jù)傳輸不受外界信號干擾，在DATA數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)傳輸引腳SDA分別連接至單片機P2.0和P2.1，經(jīng)這兩個引腳采用同步通信方式將采集到的數(shù)據(jù)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(jù) 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(tài)，實現(xiàn)對LCD1602的控制。P0口連接至LCD1602的8位數(shù)據(jù)口，用于傳輸并顯示采集到的環(huán)境參數(shù)。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(diào)整液晶顯示器對比度，避免出現(xiàn)“鬼影”[9]。

2.3 執(zhí)行元器件電路

執(zhí)行元器件模塊電路如圖4所示，用于調(diào)節(jié)育種箱環(huán)境參數(shù)，保證其處于最佳育種環(huán)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(huán)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(fā)射極到集電極導通，流經(jīng)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(fā)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(zhí)行單元停止工作。為便于觀察實驗現(xiàn)象，增加了4個LED燈與線圈并聯(lián)，當電流流經(jīng)線圈，對應LED燈則亮。由于正向PN結(jié)工作電流過大，增加了限流電阻R4、R6、R8、R10。當執(zhí)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(nèi)氣體濃度、濕度自動調(diào)節(jié)原理同溫度調(diào)節(jié)。

圖4 執(zhí)行元器件模塊原理圖

3 系統(tǒng)主程序設計

智能育種箱系統(tǒng)流程圖如圖5所示。先將系統(tǒng)各模塊初始化；隨之DHT11、SGP30傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗證方案的可行性，本文以豇豆種子為例，經(jīng)查閱文獻得知豇豆種子發(fā)芽最適溫度為28 ℃，最適濕度為80% RH，自然發(fā)芽率為70%[10]。在模擬育種箱內(nèi)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(nèi)的溫度為25 ℃，濕度為71% RH，CO2濃度為777 ppm。經(jīng)4天后發(fā)現(xiàn)，共有17顆種子發(fā)芽，發(fā)芽率達85%。發(fā)芽前后育種箱實物圖，如圖6所示。實驗證明，該育種箱系統(tǒng)有利于提升種子發(fā)芽率。

圖6 發(fā)芽前后育種箱實物圖