馬鈴薯自動化催芽監控系統設計＊

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在溫室中進行催芽，但不可控的環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催芽箱體內部環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形結構，每層環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。催芽模塊呈環形結構，上下分別設置環形滑軌，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形結構中心，2個風扇、加濕器均安裝在環形外殼上方內側，加熱絲呈網狀間隔遍布外殼，自動化裝置的每個執行終端均配設電機，待所有種箱裝入種塊后，催芽環形結構外罩透明密閉箱體（風扇處可以外接通風）。

圖1 系統結構模型圖

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，控制器發出啟動指令，系統運行，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，環形滑軌轉動下一育種箱至出料口，依次循環，直至所有育種箱滿載，溫濕度傳感器實時監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

為驗證系統的穩定性和可行性，分別對溫度、濕度實驗分析。系統每30 s記錄一次數據。設定系統溫度最小值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生一定的變化，但變化區間穩定在12℃～16℃范圍內。當溫度低于設定溫度時，控制系統啟動加熱器，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生一定的變化，但變化區間穩定在70%RH～80%RH范圍內。當濕度低于設定濕度時，控制系統啟動加濕噴頭，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，該系統能夠實現種塊自動消毒、自動測重、種盤自動裝載、催芽過程溫濕度監控的功能。系統采用單片機作核心控制器，溫濕度傳感器采集催芽箱內環境信息，按照控制屏預設控制條件進行調節，控制加熱器、加濕噴頭、風扇等執行終端動作，達到自動化催芽的目的。實驗證明，系統能夠實現自動化控溫控濕，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。