水稻种子发芽器控制系统设计.docx

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水稻种子发芽器控制系统设计

摘要

在农业机械化逐渐普及的现代社会，翻耕机、插秧机、收割机等现代化设备的应用都很普遍。

但是在机械化育秧播种的第一步，如何提高种子的发芽率以及缩短发芽的时间却成为了困扰农户的一大难题；尤其是对于珍贵的种子或是对于弱种子，提高发芽率就尤为重要。

如果是干旱地区，由于土壤不够湿润而种子长久不能发芽，即使是南方，逢上阴雨持续的天气，发芽霉变也会使种子损失很大。

纵观市场上的一些发芽技术，在浸泡、发芽过程中需要多次转移，极易折断胚芽，不仅生产工序复杂、成本高，而且因关键技术不成熟而影响发芽率，甚至中途停止发芽。

为了提高种子发芽率和种子发芽时间，提高催芽露白的一致性，就使得种子发芽器在如今的农业机械化领域扮演着极为重要的角色。

本论文的目的在于提供种子发芽器的基于单片机的控制系统的设计，根据种子发芽的过程和条件，来控制发芽器箱体内的温度、湿度的变化以及通风状况，既能保证种子发芽率，又能达到使种子快速整齐发芽的目的。

关键词：

种子发芽器；温度；湿度；单片机

Abstract

Withthemechanizationofagricultureisbecomingmoreandmorepopularinthemodernsociety,tillagemachine,transplanter,suchastheapplicationoftheharvesterinmodernequipmentareverycommon.Butthefirststepinmechanizationofplantingseedlings，howtoimprovethegerminationrateandshortenthegerminationtimehasbecomeamajorproblemfortroubledfarmers,especiallyforthepreciousseedorweakseed,whatisparticularlyimportantistheimprovementofthegerminationrate.Inaridareas,duetothesoilmoistenoughseedalongtimewillnotgerminate,eveniftheSouthcontinuedtoweathersomerainmustfall,germinationmildewcanalsocauseabiglossofseed.

Throughoutthegerminationtechnologyonthemarket,theneedtotransfermanytimesintheprocessofsoaking,germination,whichiseasilybrokengerm,notonlytheproductionprocessiscomplex,highcost,butalsobecauseoftheimmaturityofkeytechnologiesaffectingthegerminationrate,orevenstopthegermination.

Inordertoimprovetheseedgerminationrateandgerminationtimeandincreasetheconsistencyofgermination,germinatorplaysaveryimportantroleintoday'sagriculturalmechanization.ThepurposeofthispaperistoprovidethedesignofMicrocontroller-basedcontrolsystemofgerminator,accordingtothegerminationprocessandconditionstocontrolthetemperatureofgerminationcontrolcabinets,tochangesinhumidityandventilation,bothtoensurethattheseedgerminationrate,isabletomakeseedquicklyneatgermination.

Keywords:

Seedgerminator;Temperature;Humidity；Singlechipmicrocomputer

1前言

1.1课题背景

水稻是世界上的重要粮食作物，全世界有半数以上的人口以水稻为主食。

世界的水稻种植区域主要集中在亚洲，约占世界水稻种植面积的90%，水稻也是我国最主要的粮食作物之一，目前我国水稻总产量居世界各国之冠[1]。

2000年水稻种植面积近2996.2万hm2，占世界水稻种植面积的20.4%，产量占世界总产量33.5%，位居世界第一。

水稻是我国粮食种植面积最大，单产最高，总产最多的作物之一，在我国粮食生产中有着举足轻重的地位[2]。

稻米是我国人民的主要粮食，全国2/3的人口以稻米为主粮。

稻米也是我国的主要商品粮之一，据统计，在全国商品粮中，稻米约占一半。

稻米营养价值较高，与其他谷物相比较，稻米含粗纤维最少，容易消化，各种营养成分的可消化率和吸收率较高，最适合人体需要[3]。

稻谷加工后的副产品米糠，含有14%左右的蛋白质、15%左右的脂肪、2%左右的磷化物以及相当数量的维生素，是家畜、家禽的精饲料，与城乡人民的肉、蛋、奶的供应密切相关。

因此，发展水稻生产，增加稻谷产量，对改善人民生活，促进国民经济发展，加速四个现代化建设，都有十分重要的意义[4]。

种子从休眠状态转为萌芽状态，如果没有足够的水分、适当的温湿度和充足的空气，要萌动是不可能的，而吸足水分是种子萌动的第一步[5]。

种子在干燥时，含水量低，细胞原生质呈凝胶状态，代谢活动非常微弱。

只有吸收水分，使种皮膨胀软化，氧气溶于水中，随水分吸收渗入到种子细胞内，才能增强胚和胚乳的呼吸作用。

原生质也随水分的增加由凝胶变为溶液，自由水增多，代谢加强，在一系列酶的作用下，使胚乳中贮藏的复杂的不溶性物质变为简单的可溶性物质，供幼小器官生长。

有了水分也便于有机物质迅速运送到生长的胚芽、胚根中去，加速种子发芽过程，此过程即为水稻种子催芽的准备阶段，是搞好催芽工作的重要环节。

稻种催芽就是控制一定的温度、水分和空气，利用人为措施，创造良好的发芽条件促使种子在适宜的条件下提早发芽的一种措施[6]。

不管是早稻还是晚稻，通过催芽可以避开田间发芽时的不良气候影响，缩短出苗时间，增强抗逆能力，从而达到防止烂种、烂芽，提高秧苗整齐度和成秧率，节省种子的目的[7]。

同时，由于催芽播种后起出苗快，有利于控制秧田杂草，所以水稻种子一般均要催芽播种[8]。

一般要求催芽的水稻种子发芽率达到95%以上，芽谷的根芽要整齐一致、幼芽粗壮，根芽比例适当（芽相当于半粒谷长，根相当于一粒谷长），颜色鲜白。

水稻种子催芽是一个很复杂的过程，它受很多因素的影响，其中最主要的因素是催芽过程中温度和湿度的控制，如果在水稻催芽过程中没有控制好稻种的温湿度将会出现稻种的烧种、烂种，使种子催芽成活率低，甚至全部废弃，农民会遭受巨大的经济损失，因此水稻催芽过程是水稻生产过程中的一个很重要的环节。

所以我们提出的创造良好的适合水稻催芽的环境，是符合当今农业生产的需要，能为农民增收创收做出贡献。

1.2水稻催芽的国内外情况

国外对水稻催芽的研究开始于人们对水稻种子的研究。

1986年Gummerson提出一个影响催芽的主要因素是温度，温度既能通过影响种子催芽的速度进而影响种子催芽能力，日夜不停的温度变化和季节不同的变化影响着种子催芽。

Bewley和Black1994年提出种子催芽是一个很复杂的过程，它受很多环境因素的影响，包括温度、水、光和其他的因素，提出光在某些种子催芽过程中也起到一定作用，但是它必须伴随着温度和湿度的共同作用；另外CO2在催芽过程中也扮演一个很重要的角色。

我国目前水稻种子催芽研究主要是针对水稻催芽过程中对于温度和湿度的控制。

我国目前所应用的水稻催芽的方法很多，主要有蒸汽催芽、催芽机催芽、火炕催芽、电热毯催芽、大堆催芽、简易塑料棚催芽等等。

用这些传统的方法催芽，因对环境条件难以控制，使种子发芽缓慢，出芽参差不齐，成苗率低、烧种、烂种等问题，常出现的现象和原因有:

1．高温“烧芽”

稻种破胸后呼吸作用增强，释放大量热量，此时如不注意及时翻堆散热或者通风散热，谷堆温度超过40℃的时间过长，种子内酶的活性遭到破坏，失去催化能力而造成“烧芽”。

受害轻的芽尖黄褐枯萎，或出现畸形芽，发现早及时松动谷芽散温，还可以挽救，但种子生活力已减弱；严重的则造成芽枯死，不能做种。

2．谷种发粘

是由于催芽时水分多（伤水），温度不够，催芽时间拉得过长，种子内可溶性有机物质外渗引起的。

3．酒精中毒

是由于种子温度过高，透气不好，种子被迫进行无氧呼吸，形成的酒精中毒。

4．根过长，带黄色是水分不够，温度较高所造成。

采用这些传统的水稻催芽方法，即使每次都能很好的控制水稻种子催芽过程中的温湿度，可是每次催芽种子的数量还是受到限制，而近几年来，北方大部分地区水稻规模化生产，使个体水稻种植面积加大，需要水稻秧苗的数量增多，所以传统的水稻催芽方法已远远不能满足现代大规模水稻种植生产的需要，本课题所研究的水稻催芽方法是和温室控制系统相结合的一种新方法，它将使水稻催芽的全部过程发生在温室里，既能提高水稻种子催芽的产量，又能提高催芽的质量。

下面部分将主要介绍目前国内外温室控制系统的研究情况。

1.3课题研究的主要内容

在对国内水稻催芽现实情况和温室控制系统分析的基础上，针对目前我国农村的需求情况，设计这套基于单片机的水稻种子发芽器控制系统。

研究内容主要包括：

1．分析发芽器内主要环境因子和环境因子控制方式，设计出发芽器的总体结构，根据此水稻种子发芽器的特殊情况，选择并改进发芽器的主要执行机构，提出对此发芽器内主要环境因子控制的总体设计方案；

2．系统的硬件设计为本论文的核心部分，以单片机为控制中心构造硬件系统，包括单片机的选型和各种传感器的选择、存储器的扩展、键盘及显示接口扩展、控制执行装置的扩展、电源电路及输出接口扩展；

3．系统软件的实现主要包括各个功能块的具体实现，并给出软件流程图；

4．对水稻催芽温室控制系统功能测试，并且对测试结果进行调试分析和总结。

1.4课题的目的和意义

寒地水稻产量基础在于秧苗素质，而秧苗素质与浸种、催芽密切相关。

本论文中设计一种适宜水稻大规模生产的温室催芽控制系统，即基于单片机的水稻种子发芽器控制系统，是基于目前我国温室生产的特点，对于单个温室控制系统，设置了独立的控制和显示等功能。

基于单片机水稻种子发芽器控制系统控制水稻催芽，不但能完成对温室生产过程中的参数的测量，而且能实现温室内调节温度、调节湿度等的控制，既能满足个体农民生产的需要，又便于企业规模生产的需要。

课题的研究目的是在提高系统的智能化和降低成本的基础上，设计实现一种智能控制系统，该水稻种子发芽器控制系统有如下几个特点：

1．控制系统可靠性高，促使种子发芽率高

2．缩短了催芽时间，且种子催芽质量高

3．操作简单、便于管理、节省劳动力、降低成本

2水稻种子发芽器介绍

温室是一个半独立于自然环境的人工设施，一方面其通过相关设施，避免了外界不利天气和气候对农作物生长的影响。

另一方面，外界的天气和气候条件又极大的影响着温室内部环境的控制。

外界的大环境和温室内部的小环境、自然环境和人工环境相互作用。

而水稻种子发芽器本身就是一个特殊的温室，影响水稻催芽的主要环境因子是温度和湿度；温室结构和温室加热系统也是影响水稻催芽的一个主要的因素，它直接影响水稻种子发芽器的温湿度环境参数[1]。

2.1发芽器整体结构

图1水稻种子发芽器箱体结构示意图

图1为水稻种子发芽器箱体的结构示意图，箱体控制器通过RS232来跟电脑进行数据传输，把种子发芽整个过程的温湿度数据传给电脑来进行数据统计比较分析，以得到种子催芽效果最好时的环境参数。

箱体内部有多层筛网，用来做水稻催芽的温床，筛网既要透风，又不能让稻谷漏下来，还不能生锈。

我们就采用不生锈的铁筛网当做水稻种子的温床。

为了使水稻种子催芽过程中能有个良好的温室环境，箱体内壁不能是导热性很好的钢铁材料，要用保温效果很好的材料来当做箱体内壁。

将作物与外界环境隔离，使作物处于一个相对封闭的更适合作物生长的可控环境，保温材料是发芽器温室中最主要的部件之一。

箱体内部安装了温湿度传感器，用来检测种子催芽过程中温湿度数据，检测出来的数据通过控制器采集处理送给电脑保存记录。

箱体外部但跟箱体内部相通的有排风扇和加热器，右边的排风管可以把排风扇出来的空气循环送回给箱体内部，这样做的好处是可以使箱体内部的温度不至于变化很大又可以保证箱体内空气的循环流通，使箱体内部的温湿度均匀平衡。

加热器是用来保证箱体内部环境的温度可以一直稳定保持在适宜温度。

2.2发芽器内部主要环境因素

水稻种子催芽，一方面取决于水稻本身的遗传品质，另一方面也取决于作物生长的环境条件。

对于水稻的遗传品质，可以通过育种技术来获得优良的遗传性状而使水稻具有良好的品质。

而改善水稻的催芽环境也是促进水稻催芽的一个重要方面。

只有在适宜的环境里水稻才能很好的催芽，并获得最佳的品质和产出。

水稻种子在催芽过程中需要大量的水、适宜的温度、空气中一定量的CO2。

此课题所研究的温室的作用就是通过提供适宜的环境条件来控制和促进水稻催芽的速度和比例，获得良好的水稻秧苗。

下面我们就把这些决定种子催芽各种各样的不同的因素作详细的介绍，而作为特殊的水稻种子发芽器来说，水分即温室湿度和温室温度是否合适则是水稻种子是否能够很好催芽的成败因素。

因此，我们将重点介绍水稻种子发芽器环境因子中的温度因子和湿度因子。

1．温度因素

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，包括贮藏物质的降解过程和降解产物合成新的细胞物质的过程，而酶促反应与温度密切相关，因此温度是影响种子催芽的一个重要的外界因素。

一般来讲，一定范围内温度的提高，可以增强酶活性，提高其催化能力；降低温度，酶活性则会减弱，降低其催化能力。

当低于某一温度时，酶活动几乎完全丧失，该温度被称为最低温度。

酶本身又是一种蛋白质，过高温度会破坏酶结构，使其失去催化能力。

所以种子催芽对温度的要求表现出三个基点，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。

不同的植物种子催芽时，所需要的温度条件是不同的，只是植物生长在某一地区（南方或者北方）长期适应的结构，是由这种植物的遗传性决定的。

一般来讲，原产南方的作物催芽所需要的温度较高，而原产北方的作物，催芽所需的温度较低。

种子催芽温度三基点是农业生产上适时播种的重要依据，选择适当的季节播种、适当的温度播种，过早或者过晚都会都种子催芽造成影响，使植株不能正常生长。

水稻种子催芽的最低温度是10℃，最高温度是43℃，最适温度是30℃。

而我们所能做的就是使我们所设计的温室系统能达到水稻催芽所需的最合适的温度范围。

2．湿度因素

干燥的种子含水量很低，一般只有种子总重量的5%～10%，内部细胞质呈凝胶状态，生理代谢活动很微弱，在这样的条件下，很多重要的生命活动都无法进行。

因此，种子催芽，恢复其正常生命活动，就必需吸收足够的水分。

水分在种子催芽过程中所起的作用是多方面的：

①种子浸种后，使坚硬的种皮膨胀柔软，增强对氧气、二氧化碳等物质的透性，既有利于胚进行旺盛的呼吸，也有利于胚根、胚芽突破种皮；②使细胞质从凝胶状态变为溶胶状态，各种酶也由钝化变为活化状态，有利于呼吸、物质转化和运输等活动的加快；③水分参与了复杂贮藏物质的分解，并能促进分解产物运送到正在生长的幼胚中，为幼芽、幼根细胞的分裂和伸长提供了足够的养分和能源。

种子催芽的吸水过程分为三个阶段：

开始是种子内的胶体物质所引起的急剧吸水过程，为吸胀吸水的物理过程，与种子代谢作用无关；随后是吸水的停滞期，这时种子内代谢活动增强；当胚根突破种皮，胚体迅速增大时又再次急剧吸水，此时为渗透吸水的生理过程。

不同种子催芽时的吸水量并不一致，一般种子要吸收其本身重量的25%～50%或更多水分，才开始催芽。

不同的种子差别较大，主要是由于种子内贮藏养料的性质不同造成的。

另外，种子催芽所需的吸水量，也与各种植物长期对某种环境的适应性及遗传性有关。

种子也能吸收空气中的水分，如果大气湿度相当高，几乎达到饱和点时，成熟的种子能在植株上或者空气中催芽，这种现象也经常可见。

因此，水稻播种前后，一定要保证水分供应，以促使水稻种子催芽、幼苗出土和出苗整齐。

但是，如果水分过多，会引起氧气缺乏，种子进行无氧呼吸，产生二氧化碳和酒精，毒害种子，并出现烂种、烂根等现象。

可见水分即湿度在水稻催芽过程中起到关键性的作用，所以我们要努力做到使我们所设计的温室系统能达到水稻催芽所需的最合适的湿度范围。

3．氧气因素

干燥的种子转变为旺盛的生长幼苗，要进行旺盛的物质代谢，包括合成原本不存在于干种子中的酶，贮藏在胚乳或子叶中的高分子化合物被分解并运输到胚根、胚芽等过程。

这些过程所需要的能量主要来源是种子的呼吸作用。

因此氧气也是种子催芽所必须的。

如果在催芽过程中得不到充足的氧气，将影响影响种子的正常催芽。

所以我们在种子催芽过程中要经常翻动种子，增加种子的氧气摄入量。

一般种子正常催芽所需要的空气含氧量在10%以上。

不同作物种子催芽时所需氧气量的不同，含脂肪较多的种子比淀粉种子要求更多的氧气。

虽然水稻种子对缺氧有一定的忍耐力，催芽时能在较长时间内进行无氧呼吸，但是水稻种子的正常催芽仍然需要充足的氧气供应。

另外，在缺氧的情况下催芽，水稻种子只长胚芽鞘，而根和真叶的生长很慢，这样不利于秧苗扎根。

原因是，胚芽鞘的生长只有细胞伸长而没有细胞分裂，只要供给充足的水分就可以了；而根的生长既有细胞伸长，又有细胞分裂，而细胞分裂是需要氧气的。

因此，在水稻催芽过程中要保证水稻种子发芽器有适量的氧气。

2.3发芽器内部催芽的三个阶段

1．高温破胸阶段

种胚突破谷壳露出时，称为破胸。

种子吸足水分后，适宜的温度是破胸快而整齐的主要条件。

在38℃的高温上限内（即最高最高温度不得超过38℃），温度越高，种子的生理活动越旺盛，破胸也越迅速而整齐。

反之，则破胸慢，且不整齐，播种后易形成大小苗。

这个阶段一般12～24小时就可破胸。

这个阶段湿度控制在80%就可以了。

2．保湿催芽阶段

种子白芽露出后是最容易烧芽的时候,要立刻降温至28℃以下,只要不超过30℃,就不会烧芽。

破胸出芽后，揭去稻草，温床温度控制在25～28℃，湿度保持在80%左右，维持12个小时左右即可催出标准芽。

3．低温晾芽阶段

由于出芽是在较高的温度下进行的，这一温度一般要高于当时的气温。

这一阶段的温度应控制在18～23℃。

摊晾炼芽使种芽得到锻炼，增强芽谷播种后对外界环境的适应能力、增强种芽的抗性和提高生命力。

一般在芽谷催好后，置室内摊晾,在自然温度下炼苗一天,达到内湿外干就行。

3系统主要硬件方案选择

3.1整体硬件系统结构框图

图2系统结构框图

水稻种子发芽器控制系统总体结构框图如图2所示。

单片机是整个控制系统的核心部分，由它对控制系统的各个功能部分发号施令以及进行状态检测等。

另外为了节约成本和减少硬件电路的设计，我们利用单片机内部的EEPROM来存储设定的值，并且保存的数据掉电不丢失。

LCD显示器用于把各种检测数据通过液晶显示器显示出来，通过显示器可以很直观的查看种子发芽器工作的过程和状态。

显示电路直接采用了LCD12864带中文字库的液晶，这个液晶直接跟单片机IO口相连，控制简单，能够满足显示的需求。

键盘电路的功能是完成初值的设定以及在发芽器工作过程中的设定，包括设定种子发芽器内水池温度、箱体温湿度的最大值与最小值，以及种子发芽的各个阶段的温湿度值。

温度检测电路用于检测种子发芽器内及加热设备的温度变化，在设计时采用美国DALLAS公司的DS18B20作为温度信号的检测元件，并通过温度的变化来控制发芽器内的通风和加热系统的工作状态。

由于DS18B20输出温度的信号是数字信号而且是线性的，所以在单片机控制系统里使用非常方便，不仅精度高而且编程也很简单。

湿度检测电路部分完成对发芽器内湿度系统的检测，这部分设计时采用了SHT10温湿度传感器芯片，这种芯片检测精度高、反应快，与单片机系统电路连接简单，软件编程容易，通过这部分湿度的检测完成对加湿设备的控制。

排风器通过单片机控制继电器来控制它的通断，用来保持发芽器箱体内部的温湿度的均衡，使箱体上下的温湿度保持一致。

另外，排风器还可以给种子发芽提供充足的氧气，保证种子有效的发芽。

加热器通过单片机控制继电器来控制它的通断，用来给箱体内部提供种子发芽所需的适宜温度，保证箱体内温度的需求。

报警器用来提供发芽器工作异常情况下的报警，来提醒管理人员及时做出相应的处理，以免造成损失。

整个系统工作流程就是单片机系统在完成对种子发芽器内温度与湿度的检测并直接将检测结果显示出来，与此同时将检测结果与存储器内设定的值作对比，如果不在设定范围内时，则蜂鸣器报警并控制加热设备、加湿设备及通风系统来使箱体内的温湿度达到设定范围内。

3.2单片机的选择

单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性，为此称它为单片微型计算机SCMC，简称单片机。

它具有结构简单、可靠性高、体积小、价格低等优点，因而在控制领域得到了广泛利用，也发挥着重要的作用，本课题就是将其和其它外围电路组合形成单片机控制系统应用于温室温湿度的监控系统中。

宏晶科技是新一代增强型8位单片微型计算机标准的制定者和领导厂商,致力于提供满足中国市场需求的高性能单片机技术，在业内处于领先地位，销售网络覆盖全国。

宏晶科技现已成长为全球最大的8051单片机设计公司，现提供专用MCU设计服务。

STC是在深圳的一家8051单片机设计生产公司。

STC系列的单片机现在在中国的51单片机市场上占有较大比例。

深圳宏晶科技有限公司是专业单片机供应商，致力于提供处于业内领先地位的，高性能STC系列MCU和SRAM，其产品已通过国际权威认证机构SGS（瑞士通用公证行）的多项认证。

图3单片机STC89C54RD+

在本课题中，我们所用的STC89C54RD+单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗单片机，指令代码与标准的8051指令集完全兼容，如图3所示。

其中STC89C54RD+单片机内部Flash程序存储器字节为16K字节，SRAM数据存储器字节为1280字节，片内EEPROM有16K字节512个扇区。

考虑到本设计中需要的存储器容量比较大，并且需要的单片机内部的EEPROM也比较大，所以采用STC89C54RD+单片机