微型荷花室内生长栽培测控系统设计分析

邵奕维，张 旭，詹开元，梁铭浩，钟闻宇

（吉林农业科技学院电气与信息工程学院，吉林吉林 132101）

野生荷花对温度、湿度、光照强度、土壤及其营养元素含量要求较高，这些因素直接影响到荷花的成活率及开花率。荷花在我国南方地区较为常见，北方地区在夏季也有荷塘种植荷花。近年来，反季节荷花栽培技术不断发展，但仍需在温室大棚大批量栽培情况下才得以成功，少量微型荷花种植还受各种因素影响，没有得到有效推广。随着单片机技术及传感器技术的发展，反季节微型荷花栽培技术不断成熟，设备成本不断降低，单个或少量微型荷花的反季节栽培已不是奢望［1］。

为实现微型荷花室内栽培，将温湿度传感器、土壤综合传感器、光照传感器、植物生长补光灯、加热设备、微型灌溉装置与单片机结合，设计一套智能调控微型荷花生长环境的测控系统，使微型荷花能够在春季、秋季和冬季在室内正常生长并开花。

1 硬件设计

根据微型荷花栽培监控系统的构成，检测与控制设备构成图如图1 所示。

图1 微型荷花生长栽培测控系统硬件构成图

1.1 STC51 单片机

本系统选用德飞莱的LY-51S 单片机开发板。此开发板不仅能够与各种接口的传感器元件连接，功能丰富，而且具有RS485 通讯接口，可以与多个485 接口的传感器相连接，采集温湿度、光照强度等信号，节省扩展设备和空间，且很容易添加网络功能，适合今后深度开发。

1.2 PR-3000-TR-485 土壤综合传感器

PR-3000-TR-485 土壤综合传感器可长期埋入土壤中，耐长期电解，耐腐蚀，防水防腐蚀。控制芯片采用高精度16 位进口处理器，采样精度高，运算速度高效。此传感器可以同时检测土壤温湿度和氮磷钾含量，通过RS485 总线和Modbus 通信协议传输信号，方便快捷［2］。

1.3 BH1750FVI 光照传感器

BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，接线简单，易于安装，可满足荷花生长光照的调控。

1.4 土壤pH 传感器

采用485 型土壤pH 传感器，通过检测花盆中的pH值，及时调整土壤酸碱度，满足微型荷花生长需要。传感器内的输入电源、感应探头、信号输出三部分完全隔离。

1.5 水位传感器和潜水泵模块

该模块采用水位传感器，当栽培皿中的水位低于适合荷花生长环境的水位时，水位传感器向CPU 发送补水信号，CPU 控制继电器打开潜水泵开始进水，到达合适水位停止进水。

1.6 补光灯

该模块用于调节荷花生长环境的光照强度，根据微型荷花不同生长时期光照强度需求进行补光，补光时长及方式由程序来控制。该模块可在线实时24 h 连续采集和记录监测点温度、光照情况。

1.7 LCD12864 液晶屏

该模块分辨率高，接口方式灵活，操作简便，易于与单片机开发板连接，能够迅速构成全中文人机交互图形界面，可以完成更多的图形显示，可以让人们直观了解微型荷花的生长环境各项指标。

2 软件程序设计

程序运行首先初始化所有参数，然后循环扫描温湿度传感器、光照传感器等传感器信息，并在LCD12864液晶屏上显示，将实时值与预先设置的参数比较，单片机CPU 根据微型荷花不同生长时期的各项指标要求，利用预设公式控制加热器、补光灯、灌溉设备进行温湿度光照调节。系统总体流程图如图2 所示。

图2 微型荷花栽培测控系统程序控制流程图

2.1 系统软件总体结构

本系统软件的整体功能通过模块化设计理念来实现，主要由主程序、参数设置、数据采集显示和控制处理四个模块组成，这些模块除了具备自己特定功能外，相互之间既独立又相互关联。

2.2 主程序模块

主程序模块主要负责系统初始化和其他模块的调用。

2.3 参数设置模块

微型荷花生长过程中需要的温度、光照、pH 值、氮磷钾等参数均由此模块来设置并调整。可按照栽种、抽叶、抽鞭、花蕾、开花等不同阶段分别设置相关参数，并将数据汇总在一起，让人们能够更直观地了解微型荷花的生长情况。

2.4 数据采集显示模块

所有选择的传感器均采用RS485 方式传输数据，通过单片机485 端口采集数据，按照预先定义的Modbus 通信协议将数据剥离，并在显示屏中显示出来。

本部分是整个测控系统的重要部分，通过土壤综合传感器采集土壤温度、湿度和氮磷钾含量值；光照传感器反映当前光照度；水位传感器返回的测量值决定是否需要进水；根据pH 值传感器的测量值确定是否进行土壤酸碱度调整［3］。

2.5 控制处理模块

此部分将采集的温湿度、光照度、氮磷钾、水位等信息与预设值进行比对，不满足要求时，通过控制加热带、补光灯、水泵等设备进行环境条件调控，以满足微型荷花的正常生长需求。

3 仿真与调试

在整体设计过程中，仿真与调试是不可缺少的环节，可节省大量安装调试环节。Proteus 很好地解决了这个问题。它具有功能很强的ISIS 智能原理图系统，操作工具也很丰富，原理图设计完成后，只需要一键便可进入设计环境，从而实现从概念到产品的完整设计，不仅能方便地完成单片机系统的硬件设计、软件设计、单片机源代码的调试与仿真，还支持第三方的软件编译和调试。使用Proteusd 软件对电路原理图进行仿真，将每一个部件分别进行仿真与测试，可以看出每个部件运行时的工作状态，方便日后连接实物找出故障点［4］。对LCD12864 的仿真如图3 所示。

图3 微型荷花室内栽培测控系统仿真