0、 引言
黑龙江垦区大面积播种寒地水稻,影响水稻产量的首要因素在于秧苗素质,而秧苗素质与浸种、催芽密切相关。近几年来,适宜垦区农场的大模智能温控水稻集中浸种催芽设备得到应用和推广。该设备可以提供优质芽种,保证种子出苗,杜绝二、三类苗,能够培育壮苗,有效利用当地积温,保证农时,省时、省工、省力,为水稻增产创造先决条件,符合水稻标准化生产的要求。
为此,以单片机 C8051F023 和无线模块NRF24L01 为核心,设计一套水稻集中浸种控制系统。
该系统能够实现水箱、种箱的温度、水位自动检测与控制; 上下水循环泵、加热器的启停; 各种检测数据的上位机自动传输; 利用专用 PC 软件对数据进行计算、分析、管理和打印,形成各种报表、数据。由此为提高种子发芽能力、培育壮苗,为寒地水稻实现高质高产奠定了基础。
1、 控制系统硬件设计
1. 1 硬件电路结构框图
系统的结构框图如图 1 所示。水稻浸种催芽箱控制系统采用 C8051F 系列单片机 C8051F023 为控制芯片,由它对控制系统的各个功能部分进行管理以及进行各种参数、状态的检测。在种箱内适当地分布8个温度传感器 PT100,由其对种子内的温度进行检测,八路模拟转换开关 CD4501 对 8 路传感器进行选择。
水位传感器采用“探针式”,用来检测“高水位”“低水位”“空水位”。利用 3×4 矩阵式键盘完成系统时间、检测限值、数据存储、电机启动和数据收发等功能的设置。
液晶显示器选用 C 系列中文液晶显示模块 OC-MJ2X8C,显示种箱内种子的温度、种箱水位状态和系统时间等信息。若温度、水位信息超过限值,声光报警电路给予提示,防止种子发霉和种箱内水位过高、过低; 电机驱动电路由继电器组构成,完成入水、出水循环泵的启停,以及加热、加湿和通风等装置的执行。
系统扩展数据存储器 AT24C512,定时存储水稻浸种种箱工况信息。日历时钟芯片选用 PCF8563,系统待机显示当前时间包括年、月、日、时、分、秒和星期。
1. 2 温度传感器电路
种子催芽时内部进行极其复杂的物质和能量转化,是一系列生理生化过程,是在一系列酶的催化下完成的,而酶促反应与温度密切相关,温度是影响种子催芽的一个重要的外界因素。因此,实时的监测种箱内温度信号对种子的催芽起到至关重要的作用。
水稻浸种种箱内由 PT100 铂热电阻传感器用来检测水稻种子的温度。铂热电阻有很多优点,其精度高、稳定性好、性能可靠,铂在氧化性气氛中甚至在高温下的物理、化学性能非常稳定。因此,铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用,也常被用在工业测量中。铂热电阻的工作原理是基于电阻的热效应进行温度测量的,即利用了电阻阻值随温度的变化而变化的特性。
因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。当测温范围不大、元件长度和截面积随温度改变引起的阻值变化可以忽略时,热电阻元件的阻值随温度变化可以认为是线性的,可以用下式来表示,即Rt= Rt01 + α t - t[ (0)](1)式中 t0—参考温度(℃) ;Rt0—参考温度下铂热电阻的阻值(Ω) ;α —热电阻的电阻温度系数(1 /℃ ) ,表示单位温度引起的电阻相对变化。
对于 PT100 铂热电阻,在 t = 0℃时,Rt= 100Ω ; 当t = t1时,Rt= Rtl。则有Rtl= 100(1 + αt1) (2)通过测量出温度下 PT100 的阻值,就可以通过上式的公式变形计算出此时测量端的温度,即
考虑水稻浸种催芽种箱的环境特点,PT100 铂热电阻应做防水、防潮、防氧化和抗腐蚀的处理,系统设置 8 路温度传感器,将 PT100 探头插入箱内上、下、左、右、中各个部位的种子里,以监控各个部位种子的温度,引出线的长度按其放置种箱中的位置不同而变化。
1. 3 水位传感器电路
在水稻的浸种催芽过程中,经常会对种箱进行注水、排水作业,因此要实时地监测种箱水位变化,保证浸种催芽过程中水箱和种箱之间水循环、种箱自身水循环、浸种、破胸和催芽期间对用水量技术要求。根据浸种催芽的工艺要求,在此工艺流程中涉及高水位、低水位和空水位,要求水位传感器能够自动检测各种水位,并由单片机给出各种控制信号,给予相应的提示信息,并完成注水泵、排水泵和循环泵的启停工作。
水位传感器电路如图 3 所示。在种箱的不同高度安装了 4 根金属棒,以感知水位变化情况。根据水与空气的阻值特性(水的阻值大约为 10kΩ 左右,空气的阻值约为无穷大) ,利用三极管的开关特性(即饱和导通、截止断开) ,4 根金属棒中,正 5V 电源引线放在种箱的最底端,另外 3 根放置在种箱内不同高度,分别由单片机 C8051F023 的 P2. 1、P2. 2、P2. 3 引脚检测水位信号。此电路的灵敏度可以达到系统的要求,能够准确地分辨出有水信号和无水信号,不用调试即可很方便地使用。
2、 控制系统软件设计
水稻浸种催芽种箱控制系统的软件设计采用模块化程序设计的思路,包括种子内温度采集子程序、水位检测子程序、日历时钟子程序、键盘和显示子程序、声光报警和无线通信子程序等。
2. 1 温度采集控制子程序
种子催芽对温度的要求表现出 3 个基点,即最低温度、最高温度和最适温度。最低温度和最高温度是指种子能够发芽的最低温度与最高温度,低于最低温度或高于最高温度都将使种子失去发芽能力; 最适温度是指能使种子在最短时间内获得最高发芽率的温度,只有最适温度才是种子催芽的理想温度条件。
温度采集子程序流程图如图 4 所示。软件设计基本思想是取 8 路温度传感器的平均值为种箱内种子的当前温度数据。若某 1 路传感器的数据极高于最高温度或极低于最低温度(软件程序设计时进行设置,) 时,则该传感器的数据不计入(有可能该路传感器损坏) ,应舍弃掉; 接着判定是否高于最高温度和低于最低温度,如果条件成立,则启动冷水循环或热水循环进行冷却或加热。
水稻种子催芽的最低温度 10℃,最高温度是43℃ ,最适温度是 30℃ ; 本研究的目的是使所设计的系统能达到水稻浸种催芽所需的最合适的温度范围。
2. 2 水位检测控制子程序
水位传感器有 3 个输入口,分别为高水位、低水位和空水位输入接口,向单片机传输信号,电路中输入信号为低电平即 0 时表示有水,输入信号为高电平即 1 时表示无水。因为有 3 个输入端口,它形成 9 种不同的组合如表 1 所示。表 1 中“水泵的工作状态”是指“注水泵”或“排水泵”的工作状态。
由表 1 可知,水位传感器的有效状态只有 4 种,其余均为无效状态。表 2 是输入状态与指示灯的对应关系,在这里指示灯的亮灭,在程序中只要控制相应端口的高低电平即可(输出 0 时表示亮,输出 1 时表示灭) 。因此,可以根据表 2 对其进行编程操作。
水位检测控制子程序流程图如图 5 所示。编程思想是: 在循环当中套用判断,顺序是从高水位开始判断,最后判断空水位。若 3 种水位信号均检测不到,所有指示灯都亮,表示种箱内没有水。程序设计的特点是: 无论每一步程序都将返回到起始位置,重新从高水位开始执行,好处是防止程序进入死循环,提高系统控制的可靠性。
水位采集子程序的汇编语言程序代码如下:SWJC01: JB P2. 1,SWJC02; 判断是否是高水位
3、 结语
本设计实现了水稻浸种催芽种箱内温度及水位的检测和控制,从而达到了种箱内温度的恒定范围,保证了种子的出芽率、成苗率,有效避免了种子的高温“烧芽”、烂种等现象。准确的水位检测能够防止水位过高造成水资源的浪费,也可能够确保排水时能够排空种箱内的水,以免造成种箱存水使种箱冻裂。该温度、水位采集系统在水稻芽种生产中具有重要意义。
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