基于单片机的智能育种箱设计

李 进 ，徐建领

（南通理工学院，江苏 南通 226002）

信息化的高速发展，助推农业也进入了智能化新时代[1]。育种问题是农作物种植的最基本问题，想要提高发芽率，首先要控制育种的环境条件。为创造育种条件，我国最常见的方式即大棚培育[2]。而种子前期培育过程不适合大批量培育，为弥补温室大棚占地面积大、资金投入多、耗费人力资源的缺陷[3]，本文基于单片机，结合温湿度检测、CO2检测等模块设计了一款智能育种箱，专门针对试验前期小范围育种。

1 方案设计

1.1 影响因素确定

在育种的过程中，育种环境对种子发芽至关重要。一是水分，水分是植物生长的基础，因此水分作为主要因素。二是温度，周围的环境温度适合才能对种子的发芽起到促进作用。三是氧气，由于种子没有叶片，所以就不能和CO2在叶绿体中进行光合作用，只能吸收氧气进行呼吸作用。

1.1.1 水分

水分调控对育种箱内种子的生长有着重要影响[4]。因而育种箱的湿度必定要控制好，依据种子特征决定育种箱内湿度范围。若育种箱内湿度过大，容易在种子周围构成水膜，阻止氧气的进入，导致种子发霉腐烂；若育种箱内湿度过小，种子过分枯燥，这样就会使种子的水分吸收不畅，使其不能完全活化，从而影响到种子的正常萌发[5]。

1.1.2 温度

气温对种子萌发也有一定的影响，因此需要温度传感器采集并监控育种箱内的温度。育种箱内低温可使种子的生理反应延迟，使其生长缓慢；高温会使种子的生理活动受到抑制，从而影响萌发，造成幼苗的畸形；只有保持育种箱的最佳温度，才能让种子发芽[6]。

1.1.3 氧气

氧气可以促进种子的生化代谢和物质的转化，为种子提供能量。在吸湿膨胀过程中，种子是先生根后萌发，而胚根生长对氧的需求大于萌发。若培养箱中有大量的水分和较少的氧气，则可使种子萌发；相反，水分少，氧气多的话，种子很可能会产生根系，从而造成幼苗的不均衡[7]。

1.2 控制参数确定

种子的发芽受到很多因素的影响，影响种子发芽的最主要因素为温度和相对湿度。因此，育种箱的系统设计主要为了测量和控制温湿度。

1）控制温度范围：种子萌发的最适宜温度为10 ℃~30 ℃，大多种子的最佳育种温度为20 ℃~30 ℃，但也存在18 ℃低温条件的种子。种子的发芽天数基本为4~10天。因此，育种箱的温度控制在10 ℃~30 ℃可调。比如十字科的白菜、萝卜、油菜等，它们的最佳萌发温度在15 ℃~30 ℃之间；葫芦科南瓜、冬瓜、黄瓜等的萌发温度应在25 ℃~30 ℃或20 ℃~30 ℃的恒温下进行，发芽期4~10天；茄科的辣椒、茄子等，在20 ℃~30 ℃的温度下，或在30 ℃的恒温下萌发，发芽期5~12天；禾科的玉米、高粱、水稻要在25 ℃~30 ℃的环境下萌发，发芽期为4~10天[8]。综合考虑各类种子萌发条件，育种箱温度测量范围为0 ℃~40 ℃。

2）湿度控制范围：70%左右。在萌发期间，必须保持潮湿，育种箱系统需要对种子进行加湿，使育种箱内处于高湿状态。

3）CO2浓度：种子在发芽时，需要氧气进行呼吸作用，本研究采取监控CO2浓度，反方向反映出氧气浓度，CO2浓度控制在800 ppm即可。

1.3 总体方案

智能育种箱系统总体框图，如图1所示。以STC89C52RC单片机作为主控板，经温湿度、CO2传感器采集育种箱环境参数，采集到的数据可通过LCD1602显示，便于查看实时温湿度及CO2浓度。单片机分析并处理采集到的育种箱环境信息，若超出最佳环境范围，则触发中断，单片机发出指令控制继电器，从而间接操作加热片、风扇、加湿器执行单元工作，待育种环境恢复至最佳环境时，执行单元停止工作。通过这样一个循环系统，控制育种箱内温湿度和CO2浓度保持在参数范围内，从而保证了种子的发芽率。针对不同的种子，最佳温湿度、CO2浓度范围有所差异，本系统还增加了外部按键模块，用于调整不同种子最佳育种环境参数。

图1 系统总体框图

2 系统硬件电路

本系统的硬件电路由三部分组成：一是检测模块电路，包含DHT11温湿度检测模块电路以及SGP30 CO2检测模块电路；二是LCD1602显示模块电路；三是执行模块电路。

2.1 检测模块电路

2.1.1 DHT11温湿度检测电路

温湿度模块电路如图2所示。DHT11温湿度传感器模块对育种箱内的温湿度进行检测，DHT11温湿度传感器DATA引脚与单片机P1.7口连接，用于向单片机传输温湿度数据。为提高稳定性，保证数据传输不受外界信号干扰，在DATA数据口外接了上拉电阻。

图2 温湿度采集原理图

2.1.2 SGP30气体检测电路

SGP30气体检测模块电路如图3所示，用于检测育种箱内CO2气体浓度。SGP30共四个引脚，其中两个引脚为电源和地，分别接至+5V和GND。同步时钟信号引脚SCL和数据传输引脚SDA分别连接至单片机P2.0和P2.1，经这两个引脚采用同步通信方式将采集到的数据传输至单片机。

图3 CO2浓度采集模块原理图

2.2 LCD1602显示电路

根据 LCD1602引脚说明，单片机P2.5、P2.6、P2.7引脚分别连接至LCD1602控制引脚RS、RW、E，控制单片机引脚端电平状态，实现对LCD1602的控制。P0口连接至LCD1602的8位数据口，用于传输并显示采集到的环境参数。另外，偏压显示引脚与GND引脚之间增加了电位器，通过改变电压大小，调整液晶显示器对比度，避免出现“鬼影”[9]。

2.3 执行元器件电路

执行元器件模块电路如图4所示，用于调节育种箱环境参数，保证其处于最佳育种环境。单片机P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口分别接三极管Q1、Q2、Q3、Q4的基极。为保证最佳育种温度，若单片机检测到育种箱环境温度低于设定温度下限值，则控制P1.2口输出低电平，使得PNP型三极管Q3发射极到集电极导通，流经电流使得线圈KA3控制继电器切换，控制加热片工作升温；若育种箱温度高于设定温度上限值，则P1.3口输出低电平，使得三极管Q4发射极至集电极导通，线圈KA4控制继电器切换，控制风扇工作降温；若育种箱温度处于设定范围则P1.2、P1.3口都为高电平，执行单元停止工作。为便于观察实验现象，增加了4个LED灯与线圈并联，当电流流经线圈，对应LED灯则亮。由于正向PN结工作电流过大，增加了限流电阻R4、R6、R8、R10。当执行元器件工作时，电容C5、C6、C7、C8起到滤波和储能的作用。育种箱内气体浓度、湿度自动调节原理同温度调节。

图4 执行元器件模块原理图

3 系统主程序设计

智能育种箱系统流程图如图5所示。先将系统各模块初始化；随之DHT11、SGP30传感器采集数据，并将采集到的数据传输至单片机分析处理。若温度过高或CO2浓度过高，则单片机控制风扇工作；若温度过低，则单片机控制加热片工作；若湿度过低，则单片机控制加湿器工作。保证种子发芽所需条件——充足的水分、氧气以及适宜的温度。

图5 育种箱系统主程序流程图

4 系统测试

为了验证方案的可行性，本文以豇豆种子为例，经查阅文献得知豇豆种子发芽最适温度为28 ℃，最适湿度为80% RH，自然发芽率为70%[10]。在模拟育种箱内均匀播种20颗豇豆种子，将温度下限设定为25 ℃，上限设定为30 ℃；湿度下限设置为75%RH，上限设置为85% RH；CO2浓度上限设置成800 ppm。将育种箱接通移动电源，打开电源开关，通过LCD1602观察到当前育种箱内的温度为25 ℃，湿度为71% RH，CO2浓度为777 ppm。经4天后发现，共有17颗种子发芽，发芽率达85%。发芽前后育种箱实物图，如图6所示。实验证明，该育种箱系统有利于提升种子发芽率。

图6 发芽前后育种箱实物图