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采用超声波雾化的新型植物气雾栽培装置
摘 要：针对传统的无土栽培存在营养液浪费与人力浪费的问题,新型气雾栽培装置使用超声波来雾化培养液,配合温湿度调节控制植物生长,创新性地解决了上述问题.该装置由气雾栽培装置、温湿度调节系统两部分构成,其中气雾栽培装置由栽培箱、雾化装置、加热通风装置构成,温湿度调节系统由K60单片机、DH Tll数字温湿度传感器、LCD屏幕人机交互界面等构成,可以人为设定环境阈值.
关键词：气雾栽培装置：超声波雾化：闭环自动控制：植物
中图分类号：TP273；S31 文献标志码：A D O I：10.3969/j issn.1674- 914 6.2018.08.032
我国的无土栽培技术有着悠久历史.气雾栽培是一种新型的培养方法,它也是一种无土栽培技术,使用雾化装置将营养液雾化成小液滴,并直接喷洒植物根系,为植物生长提供水分和养分.作物悬挂在封闭的栽培装置（沟槽、箱子或床）中,并且根系暴露在培养装置内部.营养液被雾化装置雾化,然后被喷洒到根表面以降低栽培植物的硝酸盐含量,可以使作物产量增长一倍.这是一种农业高科技,不使用土壤或基质培育植物.人工作物根系环境代替了土壤环境,可以有效解决传统土壤栽培中无法解决的水气问题和养分供应矛盾问题,使作物的根系在最适宜的环境条件下发育,从而发挥作物的生长潜力,大大增加作物产量.
对比土壤栽培,由于无土栽培避免了繁琐的根土操作,因而被广泛地应用于无公害蔬菜、观赏植物的生产.无土栽培可分为“无基质栽培技术”和“基质栽培技术”两种培养方式,各有不足之处.基质栽培技术中存在营养液科学滴灌的问题、如何通过水培改善水中溶解氧以防止烂根的问题等.目前,可依据植物的不同生长特性来调节温湿度的装置还很少,而且功能并不完善,大部分雾培装置只是依据人为经验对温湿度进行调节,人力耗费较大,且易出现较大的调节误差.因而该项目依据气雾栽培技术制作了一种超声波雾化培养装置,配合温湿度人为调控与自动调控,为植物生长提供适宜环境,而且便于植物根系观察.
1 气雾栽培装置的结构设计
1.1 气雾栽培装置的设计流程
以气雾培养部分作为整个装置的主体,各个部件的组合形式是设计的首要问题.在设计初期,拟采取压力式雾化的方案,但此方案存在两点不足：一是需要根据固植杯的不同大小,改变雾化喷头的数量及排布方式,浪费较多的人力：二是压力式雾化的雾滴颗粒大,在空气中存在时间短,不容易被植物所吸收,且雾滴冲击动量大,容易对根系造成一定损伤.而超声波雾化方式雾滴颗粒小,雾化方式平和,不存在洗根现象,因此最终采用超声波气雾栽培的设计方案.该气雾栽培装置主要由栽培箱、雾化装置、加热通风装置构成.
1.2栽培箱的设计
为构建植物根系的生长环境,观察其生长状况,每行植物之间需要相对较大的距离,而且植物的根应在同一个平面上.栽培箱顶部长为450 mm．宽为334 mm,底部长为360 mm,宽为270 mm,高为280 mm,为倒等腰梯柱形,由聚丙烯(PolyPropylene,PP)材质加工而成.箱体顶盖覆有定植板,厚度为5mm．定植孔的孔距则为栽培的株行距,按照75 mm x68 mm间距开孔,并用海绵或喷胶棉堵塞即可,以减少透光与液雾外渗.图1为气雾栽培装置的整体实物结构图.
培养箱底部存放培养液,根据超声波雾化器的数量、出雾量、最佳工作模式下营养液的使用时长,确定营养液的液位.
1.3加热通风装置的设计
植物根系周围环境的温度影响着根系细胞生长分裂的速率,进而影响根系的生长发育和对微量元素与水分的吸收.一般而言,适宜生长的温度为15～20℃.夏天时对植物根系进行降温处理,冬天时对植物根系进行升温处理,有利于植物根系的生长,具有良好的控温效果.常用的加热方式有热水加热、热风加热、电加热和燃气辐射加热.由于热风加热经济效益好且更为环保,可与通风降温装置结合设计,因此采用热风采暖方式,设计一个栽培箱加热通风装置.
装置壳体内部装有风扇：出风口装有电热装置,电热装置由铝制加热片构成,装在风扇后方：进风口处设有圆形挡风板,可调节风量大小.植物根系温度过高时,启用电风扇,引入外部冷空气：植物根系温度过低时,启用电风扇和加热装置,进行热风采暖.同时,当栽培箱内的出雾量较少时,可启用风扇将栽培箱底部的雾气吹至根系附近.
2 温湿度调节系统的设计
2.1 温湿度调节系统的结构及原理
温湿度调节系统以单片机为核心,温湿度传感器将环境状况实时发送给单片机,单片机将采集到的信号与设定值对比,进而控制各执行元件,以控制箱体温湿度,为植物根系生长构建适宜环境.此外,栽培箱的温湿度信息能显示在液晶显示器（LiquidC rysta,lD isplay,LCD）屏幕上,以便人为干预调控.图2为温湿度调节系统的结构示意图.
2.2 温湿度调节系统的硬件设计
温湿度调节系统的硬件电路由5个部分构成：单片机控制模块、超声波雾化器、温湿度传感器、加热通风系统、液晶显示模块.单片机系统选用K60单片机,K60单片机的系统功耗低、性能强.图3为温湿度控制系统的控制原理图,反映了其整体硬件结构.
整机电源部分由一个12 V电压的小功率电源供给,单片机工作在5v电压的环境,需要有降压电路.图4为降压电源的电路原理图.
为实现对雾化过程的精确控制,使用继电器模块对风扇、加热片和雾化头进行开断控制,并使用DH Tll数字温湿度传感器实现环境信息采集与整个闭环控制.图5为温湿度调节系统主要部分的电路原理图.
2.3栽培箱温湿度检测系统的设计
栽培箱在工作时,温湿度传感器将采集到的信号实时传送给单片机,然后与设定值相比较.若温度不在设定范围内,则单片机控制风扇、电热装置、电动机组成的加热通风装置,将温度调节至设定范围内：若相对湿度不在设定的范围内,则通过单片机控制继电器启动电风扇,将湿度调节至设定范围内.
因植物根系生长最适宜温度范围为15～20℃,最适宜相对湿度范围为20%’50%．故选择DH Tll数字温湿度传感器.该传感器的温度检测范围为0～50℃,相对湿度检测范围为20%’90%．检测精度为+5%．符合植物根系生长的最适宜温度范围和最适宜相对湿度范围,并且该传感器具有响应速度快、抗干扰能力强的特点,采用单总线与单片机进行通信,可与逻辑门电路(T ran sistlr- T ran sistlrLogic,TTL)兼容.
3气雾栽培装置的软件设计
主程序调用了以下子程序：一是接受栽培箱的温度信号,与设定值比较,控制继电器动作：二是接受栽培箱的相对湿度信号,与设定值比较,控制继电器动作：三是向LCD传送数据,显示温度的当前值与设定值、相对湿度的当前值与设定值：四是对温湿度传感器传送来的数据进行处理读取.
系统启动后,先将硬件外设初始化,根据设定的适宜植物生长的参数,检测箱体内的温湿度,将温湿度传感器采集到的信号发送给单片机.若温度不在适宜范围内,则单片机通过控制继电器,启用加热片和电风扇：若相对湿度不在适宜范围内,则单片机通过控制继电器,启停风扇和雾化头.图6为气雾栽培装置的软件主程序流程图.
4气雾栽培装置的制作
4.1 气雾栽培装置实验样机的制作
1)栽培箱.选用一体成型的PP材质的白色透明塑料箱(450mm x334mm x280mm),包括4个部分：一是定植板,选用雪弗板(450 mm x334 mm×5mm),按照75 mm x6.8 mm间距开孔,总计20个定植孔：二是风扇,安装使用一个风扇(70 mm×70 mm x25 mm),位于栽培箱右侧上方：三是加热装置,选用表面恒温的铝制加热片(70 mm x30 mm×6mm),上面贴有散热片,由铜丝悬挂于风扇正后方：四是超声波雾化器,根据植物生长状况选择一个或多个,自动喷雾由单片机控制.
2)自动控制装置.一是单片机,选用K60单片机：二是传感器,选用DH Tll数字温湿度传感器：三是固态继电器,选用两个SRD -05VDC-SL-C固态继电器.
4.2 人机交互界面的设计
该装置使用了带五轴按键的30.48 mm (1.2 in)LCD屏幕,其人机交互界面设计见图7.上半部分LCD屏幕显示当前的温度、相对湿度、风扇与加热片的开关状态：下半部分可以通过五轴按键来设置期望达到的温度与相对湿度.
5 结束语
该装置通过精细化控制植物根系生长环境,实现了通过气雾栽培达到培育植物的目的.栽培箱体积较小,栽培过程中可实现温湿度自动调节,可应用于室内植物种植与小型公共场所造景.装置内部实现了营养液回流,能最大程度减少浪费,同时超声波雾化后的液滴体积更小,更有利于植物吸收.箱体采用透明材质,便于观察,可用于植物根系生长特性的研究.
超声波论文范文结:
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