阳台农业立体栽培机控制器的设计

周赵凤 邵威 邱祁

摘要 随着国内阳台农业的发展，立体栽培技术逐渐发展起来。基于STM8S208C8T6单片机的最小系统，设计了一种多功能控制器。借助压力传感器反馈水压，使输出压力稳定，营养液自动循环；利用SHT20温湿度传感器测量环境参数，通过I2C通讯，将数据显示在HMI串口显示屏上；基于TJA1050芯片的CAN总线联网，设计了CAN基本电路。该控制器成本低、简单，集水泵控制、温湿度读取、A/D采样、温湿度显示和水压控制、CAN联网等功能于一体，为阳台农业立体栽培提供有益参考。

关键词 阳台农业；立体栽培；单片机；SHT20；CAN

中图分类号 S220.2 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）09-0189-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.055

Abstract With the development of domestic balcony agriculture， space cultivation technology has gradually developed. A multifunctional controller was design based on the minimum system of STM8S208C8T6 microcontroller. The pressure sensor was used to feedback the water pressure and stabilize the output pressure，and the nutrient solution was automatically circulated. SHT20 temperature and humidity sensor was used to measure environmental parameters， and data were displayed on HMI serial display through I2C communication. Based on the TJA1050 chip， the CAN basic circuit was designed. The controller was lowcost and simple， which combined with water pump control， temperature and humidity reading， A/D sampling， temperature and humidity display and water pressure control， CAN networking and other functions， so as to provide useful references for space cultivation of balcony agriculture.

Key words Balcony agriculture；Space cultivation；Microcontroller；SHT20；CAN

阳台农业是指主要采用无土栽培的方法，居民利用室内、阳台、庭院、屋顶等空间进行家庭园艺植物栽培或装饰的农业生产。日本以及欧美发达国家在阳台、楼顶进行农业种植已经非常成熟，园艺种植已成为成年人最受欢迎的闲暇运动之一[1-3]。阳台种植形式已从传统单一的土培发展到无土栽培、管道栽培、漂浮栽培、气雾培等多种种植形式，这些形式的多效组合也形成了阳台农业特有的立体栽培模式[4-6]，而不论是无土栽培还是管道栽培，其核心是将植物根茎固定并使根系接触营养液，通过营养液向植物提供水分、养分等生长因子，同时需要检测及控制生长环境的温湿度[7-8]。为解决立体栽培系统自动补营养液及检测环境参数的问题，国内开发出不少立体栽培控制系统[9-13]。

该研究所设计系统主要用于环境温湿度检测、营养液循环、人机界面及多栽培机联网方面。笔者对阳台农业立体栽培机控制器进行了总体方案设计、电路设计和软件设计。

1 总体方案

该控制系统设计采用小功率直流水泵，从营养液缸中抽取营养液，营养液经过节流阀（调节流量）和输送管输送给各个盆栽。控制流程图如图1所示。单片机通过PWM控制水泵输出一定水压，压力传感器对压力实时反馈，形成简单的闭环系统，使水泵输出压力基本稳定。

设计的总体框架如图2所示。主要分为单片机最小系统[最小系统包括复位电路、晶振电路（16 MHz）]，电源模块，给水泵和压力传感器（用于营养液的循环），温湿度传感器SHT20（对周围环境温湿度进行检测），串口显示屏（单片机进行温湿度读取，并将结果显示在其上）；CAN模块实现系统的局域联网。

1.1 水泵的选择

根据需要将营养液输送到1.7 m左右的垂直高度，选择规格为13.8 mm口径、6 m扬程的小型无刷直流水泵，如图3所示。额定电压24 V，工作电流1.2 A，最大流量700 L/h，功耗28.8 W，噪音低于35 dB。由此可见，该水泵具备体积小、低噪音、高效率、節能环保等优点，采用永磁磁铁驱动，损耗小，寿命长。

1.2 压力传感器的选择

根据水泵的规格，估算水泵输出水压。因为一个大气压（101.325 kPa）近似等于10 m水柱，则6 m扬程水泵输出水压近似于60 kPa，因此选择量程0～100 kPa的压力传感器。如图4所示，采用三线制电压型，传感器供电电压5 V，输出电压0.5～4.5 V。精度0.25%FS（灵敏度）；响应时间小于1 ms；抗压力疲劳冲击1 000万次；抗过载性X2。

1.3 显示屏的选择

选用的单片机自带UART通讯功能，选择UART通讯的HMI串口显示屏TJC4024T032_011R，如图5所示。3.2寸电阻式触摸屏，自带字库，16位真彩色RGB显示。工作电压4.75～7.00 V，FLASH空间4 MB，3 584 Byte的RAM。具有休眠模式，休眠电流20 mA，支持触摸唤醒功能。