摘要：在人口增长和气候变化的情况下，稳定的粮食供应对于维持可持续发展的社会至关重要。农业，从一开始在开放的自然环境中进行耕作，到如今已经变得更加工业化，并已经适应了大多数作物的季节性种植。近年来，这种封闭的植物工厂被用于高效地生产作物。这种植物工厂利用自动控制技术，可以使植物不受外部环境影响，并为其提供最佳的生长条件。

目前植物工厂的控制多采用PLC的方案，一次投资成本高，通信接口开发和闭环控制功能拓展不够灵活。通用微处理器外设可以满足定制化和功能多样化的开发需求，但是在与通用设备的软硬件接口方面需要进行再设计，以满足可靠性要求。于是，本文着眼于利用微处理器ATmega2560设计适用于植物工厂的自动化管理的系统控制器，实现模拟量和数字量隔离接口、MODBUS通信、实时控制的基本功能。基本内容包括ATmega2560芯片最小系统原理图的设计，以及传感器信号通讯电路，电机（水泵）驱动电路的设计以及水肥控制流程的程序设计。掌握使用Arduino环境开发ATmega2560微处理器的方法，能实现模拟和数字I/O的操作、中断处理、基本通信协议的开发；开发数字和模拟I/O的隔离电路，特别是模拟电压隔离输出和4-20mA工业标准的输入输出；选择合适的通信协议与信息传输方式，设计具有多传感器信息输入的系统设计核心控制板的原理图和PCB，并在已有的植物工程环境下实现基本的营养液循环的闭环控制。

这一研究的意义在于，可以通过使用微处理器来更加灵活的设计、开发植物工厂的更多功能，满足工业上的更多需求，并且能够大幅度缩减成本。植物工厂技术可以提供一个稳定、安全、高质量的食物生产源，其使在太空、沙漠等极端的条件下，人类也能够生产粮食、作物。

关键词：可持续发展；自动控制；植物工厂；微处理器；MODBUS通信

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-4

1.1 植物工厂的背景及意义-4

1.2 国内外研究现状-5

1.3 植物工厂的分类和特点-7

1.4 本文主要研究内容-8

第二章 微处理器控制植物工厂的整体设计-10

2.1 系统性能分析-10

2.2 系统整体结构设计-10

2.3 作物模型的选择-11

2.4 生长模型技术-12

2.5 本章小结-13

第三章 硬件电路设计-14

3.1 ATmega2560的介绍-14

3.2 供电和晶振电路设计-16

3.3 USB转TTL电路的设计-18

3.4 RTC的设计-18

3.5 24转5V降压模块的设计-21

3.6 水泵驱动电路的设计-22

3.7 传感器电路的设计-23

第四章 程序设计-27

4.1 传感器的数据处理-27

4.2 水肥控制原理和流程-31

4.3 实验平台搭建以及实验-31

第五章 总结与展望-37

致谢-38

参考文献-39