一種適用於芽菜生產的智能化培養方法及智能化培養裝置的製作方法

2023-06-14 14:25:26

專利名稱：一種適用於芽菜生產的智能化培養方法及智能化培養裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種芽菜的智能化培養方法及適用於該方法的智能化培養裝置。本發 明的方法及其專用裝置可用於各種芽菜培養箱、種子培養箱、家用豆芽機等裝置中。
背景技術：
隨著人們生活水平的提高，一些綠色健康的食品越來越受到人們的關注，同時人 們對食品的安全性要求也越來越高。豆芽作為一種綠色食品，受到了廣大群眾的歡迎。但 是，近年來在豆芽生產中濫用化肥、激素等違禁化學藥品的現象時有發生，使用這類藥物將 嚴重危害人體健康。由於市場監督機制還不夠完善，豆芽的質量難以保障，導致相當部分消 費者不敢購買、食用市場上銷售的豆芽。因此，生產無公害豆芽、綠色豆芽成為消費者的迫 切要求，菜培養裝置也就應用而生。芽菜培養裝置或家用豆芽機只有幾年的發展歷史。目前市場上的家用豆芽機一 般都採用水泵抽水的淋水方式，如中國專利CN 200969774Y、CN 200994268Y等所述，這種 淋水的發芽方式帶來的主要問題是由於淋水不均勻往往會造成豆芽參差不齊；另外，淋 水這種發芽方式水的消耗大，會產生大量的廢水。為了節約用水，現有技術(家用豆芽機) 一般採用循環利用水的方式，這種方式又會促使細菌大量生長，採用這種方式發芽結束後， 豆芽機內的水具有明顯的異味。為了解決細菌的滋生影響到豆芽的安全性，中國專利CN 201328299Y對這種自動循環淋水豆芽機進行了改進，採用透氣的紫砂陶代替塑料製作豆芽 機，保持循環淋水通氣，可以緩解水的變質問題，但是不能從根本上消除循環水容易變質的 問題。另外，用紫砂陶代替塑料製作豆芽機也帶來成本高，重量增加和陶製品容易被打碎等 問題。早期的家用豆芽機一般都沒有加熱裝置，這種豆芽機在冬天就不能用來培育豆芽 了，為了在冬天也能培育豆芽，需要在豆芽機上增加發熱裝置，目前家用豆芽機的加熱裝置 都是安裝於水箱底部，對水箱中的水進行加熱，如中國專利CN 201015338YXN 200994268Y 等所述，這種直接對水體進行加熱的方式存在以下弊端(1)能耗高，升溫速度慢，在冬天 要將水箱內的水(大約2. 2L的水)加熱到適宜豆芽生長的溫度需要大量的電能，而且升溫 速度慢；(2)豆芽受熱不均勻，被溫水淋到的豆芽溫度適宜，生長較好，沒有被溫水淋到的 豆芽生長較差；(3)溫水容易滋生細菌，由於水體被加熱，其溫度也比較適合細菌的生長， 因此會影響到豆芽的安全性。公告號為CN 201504466U的實用新型公開一種帶霧化器及加熱器的豆芽機，據稱 可以解決自動淋水式豆芽機存在的噴淋不均勻、廢水多的問題，但該專利的說明書對其加 熱和加溼方法、控制電路等均沒有絲毫涉及，導致該專利公開不充分，使本領域的技術人員 無法實施該專利，並達到該專利所述的效果。隨著大眾對於健康的重視，追求健康的生活，消費者對於豆芽的安全性以及品質 的訴求越來越突出。所以，針對以上問題，我們研製出來了一種芽菜的智能化培養方法。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種適用於芽菜培養的智能化培養 方法以及適用於該方法的專用智能化培養裝置，以解決現有家用芽菜培養裝置中存在的噴 淋不均勻、廢水多、升溫速度慢、能耗高、溫度控制不精確，特別是智能化管理不方便等問 題。本發明通過如下技術方案實現一種芽菜的智能化培養方法，它包括培養箱(14)、水箱(1)、底座(12)和控制系 統，其步驟包括加熱、加溼及光照控制。所述的底座位於水箱的下部，底座內設有加熱室(3) 和霧化室(11)，霧化室的上部與水箱中間的導風管(13)的下部相連。控制系統中的單片機 模塊(18)分別與加熱模塊(19)，加溼模塊(20)，LED光照模塊(21)，溫度檢測模塊(22)，溫 度報警模塊(23)，顯示模塊(24)和電源模塊(25)連接。所述的加熱控制步驟採用PID閉 環控制，在所述的培養箱內安裝了一個數字溫度傳感器(16)，檢測培養箱內的溫度信號並 傳送至所述單片機的輸入埠，所述單片機將獲得的溫度信號處理後輸出一個PWM波，通 過雙向可控矽控制電路，實現對培養箱溫度的精確控制。其中加熱方式是由安裝於加熱室 (3)內的電加熱器(4)將空氣直接加熱，再通過安裝於加熱室底部的風扇(6)將熱空氣送入 霧化室(11)，熱空氣在霧化室與水霧混合後，通過導風管(13)送入培養箱(14)內，使培養 箱內的溫度在冬天也能保持為25°C _30°C。在加熱室底部還安裝了另外一個用於過熱保護 的數字溫度傳感器(5)，當單片機檢測到加熱室的溫度過高時，輸出一控制信號，接通報警 電路，實現音頻報警，同時關斷雙向可控矽，停止加熱，對芽菜培養裝置實現保護功能。溼度 控制步驟也是採用的閉環控制方法，其中加溼是由位於霧化室底部水槽內的超聲波霧化器將水槽內的水霧化，並通過加熱室底部的同一個風扇將水霧由同一個導風管送入培養 箱內，使培養箱內的相對溼度保持為90% -95%。培養箱內的光照控制通過單片機對三組 LED燈發光顏色以及發光的強弱進行控制，該三組LED燈的顏色分別為紅色、藍色和白色。申請人:設計了一種專用於上述方法的智能化培養裝置，該裝置包括培養箱(14)、 水箱(1)、底座(12)及控制電路板(9)，具體設計如下A、所述的水箱(1)下部設有底座，底座(12)下部設有底蓋(8)，導風管(13)位於 水箱中間，其下端與底座內的霧化室(11)相連，其上端與培養箱(14)連接；所述水箱與底 座為活連接，導風管與水箱為固定式連接或活連接；B、所述的底座(12)內中間部位設有霧化室(11)，霧化室左側設有加熱室(3)；所 述加熱室的左上方設有出風口(2)，該出風口與霧化室相連；霧化室上部與水箱中間的導 風管的下部相連，霧化室底部水槽內安裝超聲波霧化器(10)，霧化室外部下方安裝控制電 路板(9)；C、所述底蓋(8)的左側開有進風口(7)，在進風口處安裝風扇(6)，在風扇上面的 支架上安裝一個數字溫度傳感器(5)，用來測量加熱室的溫度；所述電加熱器(4)為加熱 棒，其固定在風扇上面的支架上，並置於所述加熱室的中央部位；D、所述電路板中的單片機模塊(18)分別與溫度控制模塊(21)、溫度檢測模塊 (22)溫度報警模塊(23)、溼度控制模塊(24)、溼度檢測模塊(25)、LED光照模塊(26)、顯示 模塊(27)、按鍵輸入模塊(28)和電源模塊(29)連接。E、所述的數字溫度傳感器(16)、溼度傳感器(17)和LED光照燈(18)安裝在培養箱(14)上部的頂蓋(15)上。F、所述培養箱(14)與所述的水箱(1)的安裝位置採用上下布置或平行布置方式。在本發明中加熱器產生的熱空氣通過其底部安裝的風扇送入霧化室，與超聲波霧 化器產生的水霧混合，再通過同一個風扇將混合後的熱空氣及水霧通過導風管送入培養 箱。熱空氣和水霧經過充分混合，不僅保證了培養箱內溫度及溼度的均勻性，而且還可以使 培養箱氧氣充足，有利芽菜的生長。採用上述的加熱步驟直接加熱空氣而不是直接加熱水體，可以節約電能，同時可 以保證水箱內的水體一直處於較低的室溫，不容易滋生細菌，確保芽菜生長的品質要求和 安全性的要求，解決了直接對水體加熱中存在的能耗高、豆芽受熱不均勻、溫水容易滋生細 菌等問題。採用上述的加溼步驟，超聲波霧化器產生的水霧顆粒細小均勻，能保證培養箱的 溼度均勻，同時這種加溼方式節水效果好，基本上不產生廢水而超聲波霧化器的霧化量是 通過大量的發芽實驗確定的，能確保芽菜對水的吸收利用率達到最高，芽菜生長均勻，從而 解決了淋水方式中存在的水的消耗量大以及淋水不均勻等問題。另外，超聲波霧化器的霧 化量也可以人工調節，可以根據所培養的芽菜或種子品種的不同來調節加溼量的大小，以 適應不同品種植物對水的需求。


附圖1是本發明所涉及的控制裝置結構簡圖；圖1中的編號含義如下1_水箱； 2-加熱室出風口 ；3-加熱室；4-加熱棒；5-溫度傳感器；6-風扇；7-進風口 ；8-底蓋；9-控 制電路板；10-超聲波霧化器；11-霧化室；12-底座；13-風管；附圖2是本發明所涉及的培養箱結構簡圖；圖2中的編號含義如下14_培養箱； 15-頂蓋；16-溫度傳感器；17-溼度傳感器；18-LED燈；19-出氣孔；附圖3是本發明控制系統方框圖；圖3中的編號含義如下20_單片機模塊；21-溫 度控制模塊；22-溫度檢測模塊；23-溫度報警模塊；24-溼度控制模塊；25-溼度檢測模塊； 26-LED光照模塊；27-顯示模塊；28-按鍵輸入模塊；29-電源模塊；附圖4是本發明溫度控制步驟的控制程序流程圖；圖4中的編號含義如下30_初 始化程序；31-溫度測量程序；32-溫度報警程序；33-溫度顯示程序；34-溫度控制程序；附圖5是本發明溫度控制模塊、溫度檢測模塊、溫度報警模塊的具體實施電路圖；附圖6是本發明溼度控制模塊、溼度檢測模塊的具體實施電路圖；附圖7是本發明顯示模塊電路圖；附圖8是兩種不同加熱加溼培養方法的豆芽生長曲線圖；附圖9是本發明所涉及的溫度控制步驟的培養箱溫度響應曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述本發明所述的控制系統原理框圖如圖3所示，控制系統中的單片機模塊(20)分別 與溫度控制模塊(21)、溫度檢測模塊(22)溫度報警模塊(23)、溼度控制模塊(24)、溼度檢 測模塊(25)、LED光照模塊(26)、顯示模塊(27)、按鍵輸入模塊(28)和電源模塊(29)連接。所述單片機採用的是MSP430，溫度檢測模塊採用的是數字式溫度傳感器DS18B20，加熱 器件採用的是加熱棒，加溼器件採用的是超聲波霧化器，具有霧化量可調以及缺水保護功 能。所述控制系統溫度控制程序流程圖如圖4所示，依次為單片機初始化程序(30)、溫度測 量程序(31)、溫度報警程序(32)、顯示程序(33)、溫度控制程序(34)等。當接通電源開關時，單片機系統啟動並執行相應的控制程序，對培養箱內的溫溼 度實現智能化控制。在圖5的電路中用了兩個溫度傳感器，一個用來測量加熱室(3)的溫度，當加熱 室溫度超過規定溫度時，蜂鳴器(LSI)發出報警聲，同時單片機通過輸出相應的脈衝信號， 關斷雙向可控矽(BT138)，使加熱器停止加熱，從而保護控制裝置，避免溫度過高燒壞控制 裝置。另一個溫度傳感器用來測量培養箱(14)的溫度，實現溫度的閉環控制。培養箱溫度 的控制主要是利用單片機輸出一個IOOHz的佔空比可調的PWM波經過光電耦合管(型號為 moc3041)隔離並反相，得到一個脈衝信號，利用這個脈衝信號觸發雙向可控矽，控制雙向可 控矽的通斷。改變PWM波的佔空比就可以改變觸發脈衝的相位移(控制角)，從而改變雙向 可控矽的導通角，調節整流輸出電壓的大小，繼而控制加熱器的工作，實現對培養箱溫度的 控制。PWM波的佔空比的大小是根據培養箱的實際溫度T與設定溫度Ttl的差值來確定的， 當實際溫度低於設定溫度，且溫差較大，即VT 時，PWM波的佔空比為1 1，這時使 雙向可控矽的導通角最大，控制加熱器以最大功率工作，當實際溫度低於設定溫度，且溫差 較小，即Ttl-T < 5°C時，進行PID控制，PWM波的佔空比隨著溫差的減小而增大，光電耦合管 輸出的觸發脈衝相位右移，使雙向可控矽的控制角增加，導通角減小，輸出電壓減小，加熱 器的加熱量減小，從而提高溫度的控制精度，當實際溫度達到設定值時，通過改變觸發脈衝 的相位移使雙向可控矽導通角為零，即雙向可控矽處於關斷狀態，輸出電壓為零，加熱器停 止加熱。培養箱內的溼度控制採用的也是閉環控制，與溫度控制方式基本一致，具體實施 電路如圖6所示。溼度傳感器(HIH4000)檢測到培養箱內的相對溼度，送至單片機的模擬 量輸入埠，單片機根據事先設定的溼度大小以及培養箱內的實際溼度值，利用PID控制 算法，輸出一個PWM波，通過可控矽控制電路控制超聲波霧化器的加溼量，從而實現培養箱 內的溼度控制。圖7是顯示面板電路原理圖，單片機讀取培養箱溫度傳感器的數據並通過 P3. 0-P3. 7以及P5. 2-P5. 3埠直接輸出驅動數碼管顯示相應的溫度值，另外，還有3個 LED指示燈用做加熱、加溼以及電源指示。圖8是採用本發明所述的加熱和加溼方法培養的綠豆芽生長曲線，以及採用市售 的普通家用帶水體加熱的噴淋豆芽機培養的綠豆芽生長曲線，試驗時間為冬季，環境溫度 為15°C，所用綠豆為中綠一號，購於湖北悅農種業有限公司。通過對比兩條豆芽生長曲線， 可見本發明的加熱和加溼方法對促進豆芽的生長有著非常顯著的效果。圖9是使用本發 明所述加熱加溼方法的芽菜培養裝置在本次試驗中培養箱的溫度響應曲線圖，在本次試驗 中，所述培養箱(14)直接置於水箱(1)的上方(上下疊放)，在另外的試驗中，所述培養箱 (14)與水箱為平行放置，兩種實施方式均能達到上述效果。
權利要求
一種芽菜的智能化培養方法，它包括培養箱(14)、水箱(1)、底座(12)和控制系統，其步驟包括加熱、加溼及光照控制，其特徵在於，底座位於水箱的下部，底座內設有加熱室(3)和霧化室(11)，霧化室的上部與水箱中間的導風管(13)的下部相連；控制系統中的單片機模塊(18)分別與溫度控制模塊(21)、溫度檢測模塊(22)溫度報警模塊(23)、溼度控制模塊(24)、溼度檢測模塊(25)、LED光照模塊(26)、顯示模塊(27)、按鍵輸入模塊(28)和電源模塊(29)連接；所述的加熱控制步驟採用閉環控制方法，是由安裝於加熱室(3)內的電加熱器(4)將空氣直接加熱，再通過安裝於加熱室底部的風扇(6)將熱空氣送入霧化室(11)，熱空氣在霧化室與水霧混合後，通過導風管(13)送入培養箱(14)內；在所述的培養箱內安裝了一個數字溫度傳感器(16)，檢測培養箱內的溫度信號並傳送至所述單片機的輸入埠，所述單片機將獲得的溫度信號處理後輸出一個控制信號，通過雙向可控矽的控制電路控制培養箱內的溫度；在加熱室底部還安裝了另外一個用於過熱保護的數字溫度傳感器(5)，實現報警和過熱保護；所述的加溼控制步驟採用閉環控制方法，是由位於霧化室底部水槽內的超聲波霧化器(10)將水槽內的水霧化，並通過加熱室底部的同一個風扇將水霧由同一個導風管送入培養箱內，在培養箱內安裝了一個溼度傳感器，檢測培養箱內的相對溼度，並將信號傳送至所述單片機的模擬量輸入埠，所述單片機將獲得的溼度信號處理後輸出一個控制信號，通過雙向可控矽的控制電路控制培養箱內的溼度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，培養箱內的光照控制通過單片機對LED燈發 光顏色以及發光的強弱進行控制。
3.如權利要求2所述的方法，其中LED燈採用三組分別發紅色、藍色和白色光的燈。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的培養箱(14)內的溫度為25°C-30°C， 相對溼度為90% —95%。
5.專用於權利要求1所述方法的智能化培養裝置，包括培養箱(14)、水箱(1)、底座(12)及控制電路板(9)，其特徵在於A、所述的水箱(1)下部設有底座，底座(12)下部設有底蓋(8)，導風管(13)位於水箱 中間，其下端與底座內的霧化室(11)相連，其上端與培養箱(14)連接；所述水箱與底座為 活連接，導風管與水箱為固定式連接或活連接；B、所述的底座(12)內中間部位設有霧化室(11)，霧化室左側設有加熱室(3)；所述加 熱室的左上方設有出風口(2)，該出風口與霧化室相連；霧化室上部與水箱中間的導風管 的下部相連，霧化室底部水槽內安裝超聲波霧化器(10)，霧化室外部下方安裝控制電路板 (9)；C、所述底蓋(8)的左側開有進風口(7)，在進風口處安裝風扇(6)，在風扇上面的支架 上安裝一個數字溫度傳感器(5)，用來測量加熱室的溫度；所述電加熱器(4)為加熱棒，其 固定在風扇上面的支架上，並置於所述加熱室的中央部位；D、所述控制電路板(9)中的單片機模塊(18)分別與溫度控制模塊(21)、溫度檢測模塊 (22)溫度報警模塊(23)、溼度控制模塊(24)、溼度檢測模塊(25)、LED光照模塊(26)、顯示 模塊(27)、按鍵輸入模塊(28)和電源模塊(29)連接。
6.權利要求5所述的智能化培養裝置，其特徵在於，所述的數字溫度傳感器(16)、溼度 傳感器(17)以及LED燈組安裝在培養箱(14)的上部頂蓋(15)上。
7.權利要求5所述的智能化培養裝置，其特徵在於，所述培養箱(14)與所述的水箱(1)的安裝位置為上下布置或平行布置。
全文摘要
本發明是一種芽菜智能化培養方法，它包括培養箱、水箱、底座和控制系統，其步驟包括加熱、加溼及光照控制。所述加熱、加溼控制採用PID閉環控制，在培養箱內安裝有溫度和溼度傳感器，單片機將檢測到的溫度和溼度信號經處理後輸出相應的控制信號，通過溫度和溼度控制模塊實現對培養箱內溫度和溼度的精確控制。其中加熱方式是由加熱棒直接加熱空氣，加溼方式是由超聲波霧化器將水霧化，再通過加熱室底部的風扇將熱空氣與水霧混合後送入培養箱內。光照控制是利用LED燈實現的。本發明解決了現有芽菜培養裝置中存在的噴淋不均勻、廢水多、升溫速度慢、能耗高、溫溼度控制不精確等問題，可用於芽菜培養箱、種子培養箱、家用豆芽機等裝置中。
文檔編號A01G31/02GK101926279SQ20101022139
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者尹濤, 曹見朝, 李小雨, 杜君梅, 熊善柏, 趙思明, 黃漢英 申請人:華中農業大學