樹木熱脈衝蒸騰量測定儀及其測量方法
2023-05-06 21:38:01 3
專利名稱：樹木熱脈衝蒸騰量測定儀及其測量方法
技術領域：
本發明涉及植物蒸騰量檢測領域，尤其涉及一種植物熱脈衝蒸騰量測定裝置及其測量方法。
背景技術：
作物蒸騰過程能夠促進水分和養分的吸收和運轉，降低植物體的溫度，對作物的光合作用和乾物質累積也起著重要作用，是農田灌溉、作物耕作與栽培、植物水分生理、農田生態、農業氣象等眾多研究領域必不可少的重要組成部分。目前，雖有很多測定作物水分消耗的方法，如水量平衡法、波文比一能量平衡法、稱重式蒸滲儀法等，但這些方法都只能測定蒸騰蒸發總量，而難以將蒸騰與蒸發二者分開，且費時費力。因此，如何準確計算作物蒸騰量已成為作物需水規律研究的熱點。近年來，利用莖流計測量植物蒸騰量的方法應用越來越廣泛。現今莖流量的測量主要是熱技術，常用的熱技術有三類:熱脈衝、熱擴散和熱補償。相比較而言，熱脈衝方法比較簡單，儀器儀表需求功率低，因此這種方法已經被廣泛使用。莖流計，英文名稱Sap FlowGauge,又叫樹液儀，是通過加熱植物莖幹來測量莖流速率進而計算植物蒸騰量的一種儀器。然而，現有的莖流計及一些儀器測量出樹木的莖流量後，仍然需要進一步將莖流量轉換為蒸騰量，這對用戶操作的要求較高，不易操作；另外還存在功耗高的缺點，從而導致實際野外測量不易實現。再者，熱脈衝加熱時間固定，不能根據數據熱運動特性自適應改變加熱時間，容易導致測量失敗；加之熱脈衝加熱不可控，程序一旦跑飛將燒壞樹木；此外，還存在測量數據精度不夠、不能很好的指導灌溉需求等缺點。
發明內容
本發明的一目的在於，提出一種樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其功耗低、熱脈衝加熱時間靈活，且測量得到的直接是樹木蒸騰量，大大提高測量數據的精確度；本發明的另一目的在於，提供一種樹木熱脈衝蒸騰量測量方法，其可以將測到的莖流量轉化為蒸騰量，操作方便，且熱脈衝加熱時間靈活，能夠很好的指導實際灌溉需求。為實現上述目的，本發明提供了一種樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其包括:多路莖流傳感器、與莖流傳感器電性連接的模數轉換單元、與模數轉換單元電性連接的主控單元，以及AVR單片機；所述主控單元與AVR單片機均與一熱脈衝加熱板電性連接，該熱脈衝加熱板上電性連接有分別與多路莖流傳感器對應設置的加熱探針。其中，所述多路莖流傳感器包括8路莖流傳感器，每一路莖流傳感器對應一個加熱探針；每一路莖流傳感器內均包括有上、下兩個傳感器探針，該上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，所述加熱探針插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內。本發明中，所述模數轉換單元可以採用ADC晶片，該ADC晶片與莖流傳感器之間還電性連接有差動放大器。
具體的，所述ADC晶片可以採用型號為AD7794的模數轉換晶片，差動放大器採用型號為AD627的儀表放大器。特別的，所述主控單元採用型號為MSP430或ATMEGA128的單片機，AVR單片機採用型號為ATTINY13的單片機。具體的，所述熱脈衝加熱板上包括有一連接主控單元的雙排共14PIN的插接件；該熱脈衝加熱板上還設有8個跳線接口，該8個跳線接口 一端均通過一場效應管與插接件相連接，該8個跳線接口另一端均與兩個PNP音頻功率放大三極體的集電極電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體的基極通過兩電阻與插接件電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體的發射極均與一 12V電源電性連接。再者，所述主控單元及AVR單片機均通過一與非門與熱脈衝加熱板電性連接，該主控單元還通過一 74hcl38解碼器與熱脈衝加熱板電性連接。此外，所述主控單元還電性連接有實時時鐘電路、存儲模塊、環境溫度測量模塊及電源電壓測量模塊，該實時時鐘電路採用PCF8563晶片，環境溫度測量模塊採用型號為DS18B20的數字溫度傳感器，電源電壓測量模塊採用型號為TLC27L4的運算放大器。進一步地，本發明還提供了一種樹木熱脈衝蒸騰量測量方法，其包括如下步驟:將多路莖流傳感器分別安裝於樹木莖幹上，每一路莖流傳感器內的上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，將加熱探針插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內；主控單元選擇一路測量通道，在每個測量通道開始工作一段時間後控制熱脈衝加熱板對加熱探針進行加熱，在加熱超過預設時間時通過一 AVR單片機控制停止加熱；莖流傳感器將上、下兩個傳感器探針處的溫度信號經過差動放大及模數轉換後傳送至主控單元，主控單元通過找出信號波點的過零點、峰值從而求取水分運動的速率；主控單元根據水分運動的速率算出作物液流量和每日蒸騰量，並將測量數據通過一上位機實時繪製出波形圖，以對測量數據進行分析。本發明中，所述多路莖流傳感器有8路，每個測量通道測量時間為10分鐘，在每個測量通道開始工作20秒後對加熱探針進行加熱，加熱時間為2秒；在更換通道時，主控單元通過串口將上一通道採集到的數據峰值點、過零點、採集時間發送給外接的存儲模塊中；所述作物液流量通過Fs=JsX S公式計算，每日蒸騰量通過Ed=FsX 24公式計算，其中的Fs代表作物液流量，Js代表作物液流速率，S代表作物邊材面積，Ed代表每日蒸騰量。本發明的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀及其測量方法，其可以將測到的莖流量轉化為蒸騰量，操作方便，得到的直接是樹木蒸騰量；同時，其大大降低了功耗，較利於實際野外測試實現；再者，其熱脈衝加熱時間靈活，能夠根據樹木熱運動特性自適應改變加熱時間，且熱脈衝加熱可控，當程序跑飛強制關閉加熱；加之，由於ADC晶片的採用，大大提高測量數據的精確度，能夠很好的指導實際灌溉需求；此外，由於採用了合適的電子器件，還具有體積小、自重輕、方便攜帶等優點。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀一種具體實施例的模塊結構示意圖；圖2為本發明中熱脈衝加熱板一種具體實施例的電路原理示意圖；圖3為本發明的樹木熱脈衝蒸騰量測量方法一種具體實施例的流程示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。如圖1所示，本發明提供一種樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其包括:多路莖流傳感器
10、與莖流傳感器10電性連接的模數轉換單元20、與模數轉換單元20電性連接的主控單元30，以及AVR單片機40 ;所述主控單元30與AVR單片機40均與一熱脈衝加熱板50電性連接，該熱脈衝加熱板50上電性連接有分別與多路莖流傳感器10對應設置的加熱探針60。本發明的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其採用合適的電子器件，不僅體積小、自重輕、方便攜帶，且通過AVR單片機40與主控單元30協同控制加熱時間，熱脈衝加熱時間靈活，能夠根據樹木熱運動特性自適應改變加熱時間，當程序跑飛時強制關閉加熱，使得加熱量得以保證；特別的，其可以將測到的莖流量轉化為蒸騰量，操作較為方便。其中，所述多路莖流傳感器10包括8路莖流傳感器，每一路莖流傳感器10對應一個加熱探針60。該8路莖流傳感器對應形成8路測量通道可以測量8個測試點，每一路莖流傳感器10內均包括有上、下兩個傳感器探針(未圖示)，該上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，所述加熱探針60插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內。在具體應用中，所述下傳感器探針作為基準，上、下兩個傳感器探針之間的溫度差反應樹幹中的莖流速率，主控單元30通過上、下兩個傳感器探針之間的溫度差，進一步通過經驗公式換算得出莖流速度。本發明中，所述模數轉換單元20可以採用ADC晶片，該ADC晶片與莖流傳感器10之間還電性連接有差動放大器22。作為本發明的一種優選實施例，所述ADC晶片可以採用型號為AD7794的模數轉換晶片，差動放大器22可以米用型號為AD627的儀表放大器。其中，所述AD7794是ADI公司生產的24位解析度、真差分模數轉換晶片，其具有功耗低和完全模擬輸入終端，克服了同類產品為低噪聲犧牲低功耗，或者為低功耗犧牲低噪聲的局限性，能夠同時提供低噪聲和低功耗，且大大提高了測量數據的精確度，能夠很好的指導實際灌溉需求。所述AD627是一種低功耗的儀表放大器，它採用單、雙兩種電源供電，可實現軌-軌輸出，且其採用改進的電流反饋電路，與內級前饋頻率補償電路耦合，因而在DC以上(特別是50Hz 60Hz電源頻率)的頻率條件下具有比其它低功耗儀表放大器更好的共模抑制比(CMRR)，因此該AD627可以提供提供更出色的性能，佔用更小的電路板面積，並具有更低的成本。本發明研究了不同作物不同生長階段的熱傳播特性，提出了基於差動放大原理的作物蒸騰速率熱脈衝檢測及信號處理方法，即採用低功耗的AVR單片機40進行數據的初步處理，根據剔除異常數據取平均值的方法，減小噪聲信號對測量信號的影響，配合相應的硬體電路完成對測量信號的濾波、放大、反饋和模/數轉換工作，從而降低了主控單元30的要求和工作量。作為本發明的一種優選實施例，所述主控單元30可以採用型號為MSP430的單片機，AVR單片機40可以採用型號為ATTINY13的單片機。本發明採用MSP430單片機作為核心處理晶片，大大降低了儀器的功耗，不加熱時功耗為20MA，利於實際野外測試實現。再者，本發明還通過一個ATTINY13單片機與MSP430單片機協同控制加熱時間，當程序跑飛強制關閉加熱。作為本發明的另一種選擇性實施例，所述主控單元30還可以採用型號為ATMEGA128的單片機，配合AD晶片完成數據的採集及處理工作。具體的，如圖2所示，本發明中的熱脈衝加熱板50上包括有一連接主控單元30的雙排共14PIN的插接件(Header7X2)P5。該熱脈衝加熱板50上還設有8個跳線接口(Header2)JPl-JP8，該8個跳線接口 JP1-JP8 —端均通過一場效應管IRFP250與插接件P5相連接，該8個跳線接口 JP1-JP8另一端均與兩個PNP音頻功率放大三極體2SA1943的集電極電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體2SA1943的基極通過兩電阻R0、Rl與插接件P5電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體2SA1943的發射極均與一 12V電源電性連接。在該具體實施例中，電阻R0、Rl均採用47K的標準電阻Res2，該兩電阻之間並聯連接。本發明的8個加熱探針60分別通過熱脈衝加熱板50上的8個跳線接口 JP1-JP8與熱脈衝加熱板50進行連接。所述主控單元30及AVR單片機40均通過一與非門與熱脈衝加熱板50電性連接，該主控單元30還通過一 74hcl38解碼器(未圖示)與熱脈衝加熱板50電性連接。其中，主控單元30通過74hcl38解碼器控制每次只有一路測量通道在工作，即控制每次哪一路加熱探針進行加熱，以及確定什麼時候加熱。針對在實驗過程中發生異常情況下會出現加熱時間無法控制的情況，本發明增加AVR單片機40配合MSP430單片機完成熱脈衝加熱時間的控制，在加熱超過一定時間通過AVR單片機40強制關閉加熱，以防止主控單元30失常至加熱時間過長燒壞作物。在本發明具體實施例中，主控單元30通過MSP430單片機的3個io 口與74hcl38解碼器選擇測量通道，並控制每個測量通道測量時間為10分鐘，在每個通道開始工作20秒控制對應加熱探針加熱，加熱時間為2秒。如果程序紊亂，加熱時間超過2秒，則ATTINY13單片機會強制控制停止加熱。此外，所述主控單元30還電性連接有實時時鐘電路32、存儲模塊34、環境溫度測量模塊36及電源電壓測量模塊38。在本發明具體實施例中，該實時時鐘電路32可以採用PCF8563晶片，存儲模塊34可以為SD卡存儲器，環境溫度測量模塊36可以採用型號為DS18B20的數字溫度傳感器，電源電壓測量模塊38可以採用型號為TLC27L4的運算放大器。本發明中，每個通道測量的數據可以實時通過主控單元30的串口傳送到一上位機(未圖示)處，在更換通道時，可以將上一通道採集到的數據峰值點、過零點、採集時間發送給外接的存儲模塊34，以便實驗結束對數據進行處理。同時，主控單元30可以通過實時時鐘電路32實時得到系統的時間，通過環境溫度測量模塊36實時得到周圍壞境的溫度，通過電源電壓測量模塊38測量電源電壓，以方便知道電源電壓是否正常是否需要更換電池。再者，本發明還利用MATLAB製作出對測量數據進行接收、分析、處理的上位機監控軟體。主控單元30將測量數據傳送至上位機處，該上位機內的監控軟體能夠運用RS-232接收主控單元30發送過來的數據，並能將測量數據在上位機實時繪製出波動圖形，方便操作人員對測量數據進行分析，從而方便研究作物的蒸騰速率。
進一步地，如圖3所示，本發明還提供了一種樹木熱脈衝蒸騰量測量方法，其包括如下步驟:步驟a，將多路莖流傳感器分別安裝於樹木莖幹上，每一路莖流傳感器內的上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，將加熱探針插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內。在本發明中，所述多路莖流傳感器有8路，每一路莖流傳感器對應一個加熱探針。該8路莖流傳感器對應形成8路測量通道可以測量8個測試點。步驟b，主控單元選擇一路測量通道，在每個測量通道開始工作一段時間後控制熱脈衝加熱板對加熱探針 進行加熱，在加熱超過預設時間時通過一 AVR單片機控制停止加熱。在本發明具體實施例中，主控單元控制每次只有一路通道在工作，每個測量通道的測量時間為10分鐘，在每個測量通道開始工作20秒後控制對應的加熱探針加熱，加熱時間是2秒。如果程序紊亂，加熱時間超過2秒，則通過AVR單片機強制控制停止加熱。步驟C，莖流傳感器將上、下兩個傳感器探針處的溫度信號經過差動放大及模數轉換後傳送至主控單元，主控單元通過找出信號波點的過零點、峰值從而求取水分運動的速率(即作物液流速率)。本發明中，上、下兩個傳感器探針的信號經過型號為AD627的差動放大器差動放大信號後，將放大信號傳送給型號為AD7794的模數轉換晶片。該AD7794是24位解析度、真差分模數轉換晶片，大大提高了數據的精確性。步驟d，主控單元根據水分運動的速率算出作物液流量和每日蒸騰量，並將測量數據通過一上位機實時繪製出波形圖，以對測量數據進行分析。由於單位時間內流經作物的液流量可近似等同於冠層蒸騰量，那麼作物液流量即為整個作物蒸騰量E。因此，本發明中的作物液流量可以通過Fs=JsX S公式計算，每日蒸騰量可以通過Ed=FsX 24公式計算，其中的Fs代表作物液流量(單位為Cm3IT1 )，Js代表作物液流速率(單位為cmYm-2!!-1), S代表作物邊材面積(單位為cm2)，EdR表每日蒸騰量(單位為cm3或gH20)。其中，所述作物液流速率可以根據Marshall於1958年得出的公式V= (xd+xu)/2tz，式中的V即為本發明中的作物液流速率Js ;tz是指從熱脈衝注入開始到上、下兩個傳感器探針溫度一樣時所用的時間；xd是上傳感器探針與作為熱源的加熱探針之間的距離；xu是下傳感器探針與作為熱源的加熱探針之間的距離。綜上所述，本發明的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀及其測量方法，其通過找出信號波點的過零點、峰值從而求取水分運動的速率(即作物液流速率)，從而按照上述作物液流量、每日蒸騰量公式，通過內部編程算法，即可將測到的莖流量轉化為蒸騰量，操作方便，得到的直接是樹木蒸騰量；同時，其採用低功耗的核心處理晶片，利於實際野外測試；再者，其熱脈衝加熱時間靈活，能夠根據樹木熱運動特性自適應改變加熱時間；此外，其熱脈衝加熱可控，通過一個ATTINY13單片機與主控單元協同控制加熱時間，當程序跑飛強制關閉加熱；本發明還採用24位的ADC晶片AD7794，大大提高測量數據的精確度，能夠很好的指導實際灌溉需求。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，包括多路莖流傳感器、與莖流傳感器電性連接的模數轉換單元、與模數轉換單元電性連接的主控單元，以及AVR單片機；所述主控單元與AVR單片機均與一熱脈衝加熱板電性連接，該熱脈衝加熱板上電性連接有分別與多路莖流傳感器對應設置的加熱探針。
2.如權利要求1所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述多路莖流傳感器包括8路莖流傳感器，每一路莖流傳感器對應一個加熱探針；該每一路莖流傳感器內均包括有上、下兩個傳感器探針，該上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，所述加熱探針插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內。
3.如權利要求2所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述模數轉換單元採用ADC晶片，該ADC晶片與莖流傳感器之間還電性連接有差動放大器。
4.如權利要求3所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述ADC晶片為型號為AD7794的模數轉換晶片，差動放大器採用型號為AD627的儀表放大器。
5.如權利要求2所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述主控單元採用型號為MSP430或ATMEGA128的單片機，AVR單片機採用型號為ATTINY13的單片機。
6.如權利要求5所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述熱脈衝加熱板上包括有一連接主控單元的雙排共14PIN的插接件；該熱脈衝加熱板上還設有8個跳線接口，該8個跳線接口一端均通過一場效應管與插接件相連接，該8個跳線接口另一端均與兩個PNP音頻功率放大三極體的集電極電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體的基極通過兩電阻與插接件電性連接，該兩PNP音頻功率放大三極體的發射極均與一 12V電源電性連接。
7.如權利要求6所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述主控單元及AVR單片機均通過一與非門與熱脈衝加熱板電性連接，該主控單元還通過一 74hcl38解碼器與熱脈衝加熱板電性連接。
8.如權利要求1所述的樹木熱脈衝蒸騰量測定儀，其特徵在於，所述主控單元還電性連接有實時時鐘電路、存儲模塊、環境溫度測量模塊及電源電壓測量模塊，該實時時鐘電路採用PCF8563晶片，環境溫度測量模塊採用型號為DS18B20的數字溫度傳感器，電源電壓測量模塊採用型號為TLC27L4的運算放大器。
9.一種樹木熱脈衝蒸騰量測量方法，其特徵在於，包括如下步驟: 將多路莖流傳感器分別安裝於樹木莖幹上，每一路莖流傳感器內的上、下兩個傳感器探針安裝於樹木莖幹的莖向同一直線上，將加熱探針插設於與其對應的上、下兩個傳感器探針之間的樹木莖幹內； 主控單元選擇一路測量通道，在每個測量通道開始工作一段時間後控制熱脈衝加熱板對加熱探針進行加熱，在加熱超過預設時間時通過一 AVR單片機控制停止加熱； 莖流傳感器將上、下兩個傳感器探針處的溫度信號經過差動放大及模數轉換後傳送至主控單元，主控單元通過找出信號波點的過零點、峰值從而求取水分運動的速率； 主控單元根據水分運動的速率算出作物液流量和每日蒸騰量，並將測量數據通過一上位機實時繪製出波形圖，以對測量數據進行分析。
10.如權利要求9所述的樹木熱脈衝蒸騰量測量方法，其特徵在於，所述多路莖流傳感器有8路，每個測量通道測量時間為10分鐘，在每個測量通道開始工作20秒後對加熱探針進行加熱，加熱時間為2秒；在更換通道時，主控單元通過串口將上一通道採集到的數據峰值點、過零點、採集時間發送給外接的存儲模塊中；所述作物液流量通過Fs=JsX S公式計算，每日蒸騰 量通過Ed=FsX 24公式計算，其中的Fs代表作物液流量，Js代表作物液流速率，S代表作物邊材面積，Ed代表每日蒸騰量。
全文摘要
本發明涉及植物蒸騰量檢測領域，具體公開了一種樹木熱脈衝蒸騰量測定儀及其測量方法，該樹木熱脈衝蒸騰量測定儀包括多路莖流傳感器、與莖流傳感器電性連接的模數轉換單元、與模數轉換單元電性連接的主控單元，以及AVR單片機；所述主控單元與AVR單片機均與一熱脈衝加熱板電性連接，該熱脈衝加熱板上電性連接有分別與多路莖流傳感器對應設置的加熱探針。本發明功耗低、熱脈衝加熱時間靈活，且測量得到的直接是樹木蒸騰量，大大提高測量數據的精確度。
文檔編號G01N27/00GK103149243SQ20131009346
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者陳海濤, 馬孝義, 陳磊 申請人:西北農林科技大學