CN101221193B

CN101221193B - 植物茎流流速测量方法及其装置

Info

Publication number: CN101221193B
Application number: CN2007101897550A
Authority: CN
Inventors: 高胜国; 高任翔
Original assignee: Farmland Irrigation Research Institute of CAAS
Current assignee: Farmland Irrigation Research Institute of CAAS
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2027-09-30
Also published as: CN101221193A

Abstract

本发明涉及一种用热脉冲示踪技术测量植物微小茎秆或草本植物茎流流速的植物茎流流速测量方法及其装置，在要测量茎流流速的植物茎秆上安装加热器，在植物茎秆距离加热器上方和下方等距离S处各装一对温度传感器，每对温度传感器的两个传感器沿着茎秆上下方向分开布置，用于检测温差，启动加热器对茎秆进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，将两个计时器记录时间和S代入公式得到茎流流速，有效地减少了对茎秆的加热量，不仅适合普通果林等木本植物，还首次将热脉冲示踪技术扩展到植物微小茎秆和草本植物茎流流速的测量，具有工作稳定、经济实用、安全可靠、准确率高的优点。

Description

植物茎流流速测量方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种植物茎流流速的测量方法及其装置，尤其涉及一种采用热脉冲示踪技术测量植物微小茎秆或草本植物茎流流速的植物茎流流速测量方法及其装置。

背景技术：

茎流指蒸腾作用在植物体内引起的上升液流，茎流量等于茎流流速乘以植物导管的截面积。土壤液态水进入根系后，通过茎输导组织向上运送到达冠层，经由气孔蒸腾(包括角质层及皮孔蒸腾)转化为气态水扩散到大气中去。根部吸收的水分有99.8％以上消耗在蒸腾作用上，茎流测定技术提供了一种田间直接测定蒸腾的精确手段。

目前热脉冲植物茎流测量产品全部为进口产品，例如：由格林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合研制开发的SF系列茎流传感器，澳大利亚ICT公司产的HRM热比率法茎流探头。其测量方法及其产品存在以下不足：首先，采用的方法是通过测量测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对热波动速度进行二次三项式或三次三项式回归和修正，才能获得茎流流速。监测热扩散曲线的变化，至少需要百分之一的分辨率，现有技术产品测点温度的最大值一般不低于0.6℃(分辨率0.006℃)。因此，主要适用于果林等木本植物。测定草本植物存在烧伤茎秆的问题，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决；其次，加热元件和测温结点只能插入植物茎秆内，测量植物微小茎秆，会造成植物微小茎秆损伤；另外，进口产品价格昂贵。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种采用热脉冲示踪技术测量植物微小茎秆和草本植物茎流流速的植物茎流流速测量方法及其装置，该方法及其装置不仅能进行普通果林等木本植物茎流流速测量，还特别适合于植物微小茎秆和草本植物茎流流速的测量，替代价格昂贵的进口产品。

本发明的目的是这样实现的：

一种植物茎流流速测量方法，具体如下：

首先，在要测量茎流流速的植物茎秆上安装一个加热器，用于加热植物茎秆，在植物茎秆距离加热器的上方和下方等距离S处各安装一对温度传感器，用于检测温差。上对温度传感器的两个温度传感器，在植物茎秆距离加热器的上方S处和S处的上方依次分开布置。与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器，在植物茎秆距离加热器的下方S处和S处的下方依次分开布置，

其次，通过两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间，启动加热器对植物茎秆进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间T_s、T_n，

然后，用公式(3)：V_j＝(S/T_s-S/T_n)/2，计算出所测植物茎秆的茎流流速V_j。

在上述植物茎流流速测量中，设置上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分，

中路主控制部分包括控制计算机、与控制计算机相连接的232与TTL电平转换电路、通过串口和232与TTL电平转换电路相连接的主单片机、通过数字输入端与主单片机相连接的D/A转换电路和与D/A转换电路的模拟输出端相连接的加热器，

上路温差检测部分包括温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断1端口相连接，

下路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断1端口相连接，

中路主控制部分主单片机的一个端口和上路温差检测单片机的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外部中断0端口相连接，

中路主控制部分主单片机的一个端口和下路温差检测单片机的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外部中断1端口相连接，

控制计算机通过232与TTL电平转换电路向中路主控制部分主单片机发送茎流数据采集指令，主单片机收到茎流数据采集指令后，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路转换为模拟电压加到加热器上，按指令中的加热时间长度在中路主控制部分主单片机的控制下瞬间加热植物茎秆，在启动加热后立刻将中路主控制部分主单片机的两个16位定时器即定时器0和定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机的中断0发出中断请求，其中，定时器0为上路温差检测计时，定时器1为下路温差检测计时，

上下路温差检测控制单片机的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启动A/D转换和D/A转换，分别将温差放大电路输出的温度漂移电压锁存到电压减法器的负输入端，再分别去减温差放大电路直接加在电压减法器的正输入端的实时输出电压，此时电压减法器的输出电压为零，完成了“动态校零”动作，然后分别关闭单片机的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达，

当热流到达上对热电偶温度传感器或到达下对热电偶温度传感器，与之相连的相应的上路温差放大器的输出电压或下路温差放大器的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器或下路电压减法器负输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器或下路电压减法器的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器或下路电压比较器，与预先设定的温差阈值电压进行比较，

当上路减法器的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器翻转，其输出向上路控制单片机的外部中断1发出中断请求，上路控制单片机响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机的外部中断0发出中断请求并关闭单片机的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机的外部中断1服务程序，中路主控制部分主单片机响应外部中断0后，在外部中断0的服务程序中停止上路温差检测定时器0的计时，退出主单片机的外部中断0服务程序，

当下路减法器的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器翻转，其输出向下路控制单片机的外部中断1发出中断请求，控制单片机响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机的外部中断1发出中断请求并关闭单片机的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机的外部中断1服务程序，中路主控制部分主单片机响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中停止下路温差检测定时器1的计时，退出主单片机的外部中断1服务程序，

当中路主控制部分主单片机的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机将定时器0和定时器1的计时数据，分别代表T_s、T_n，通过232与TTL电平转换电路发送给控制计算机，控制计算机将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入公式(3)，计算出所测茎秆的植物茎流流速并显示在屏幕上，在所测茎秆被施加的热量全部消退后，进行下一轮植物茎流流速测量，并重复同样的过程。

一种植物茎流流速测量装置，其特征在于：该装置包括上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分，上路温差检测部分和下路温差检测部分是互为对称的结构，并且参数相同，

中路主控制部分主单片机的一个端口和下路温差检测单片机的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外部中断1端口相连接。

本发明具有如下积极效果：

本发明有效地减少了对茎秆的加热量，不仅适合普通果林等木本植物，还首次将热脉冲示踪技术扩展到了植物微小茎秆和草本植物茎流流速的测量。因此具有工作稳定、结构简单、经济实用、安全可靠、准确率高的优点。

本发明在要测量的植物茎秆的表面或插入茎秆内部安装一个加热器。在植物茎秆距离加热器的上方和下方等距离处各安装一对温度传感器(以下简称上对温度传感器和下对温度传感器)，每对温度传感器的两个传感器沿着茎秆上下方向分开布置，用于温差测量。温度传感器安装在植物茎秆的表面或插入茎秆内部，如果温度传感器安装在植物茎秆的表面，在每对温度传感器非接触植物茎秆的外面还需要用泡沫塑料包裹，以避免加热器的热量通过空气对流和热辐射传递给温度传感器。

通过加热器对植物茎秆进行瞬间加热，形成一个热脉冲，加热器虽然停止加热，但在热势能的作用下，热量仍会沿着植物茎秆向加热器上下两个方向同时传递，热流到达加热器上下两对温度传感器时，由于每对温度传感器的两个传感器是沿着茎秆上下方向分开布置的，热流不可能同时到达任何一对温度传感器的两个传感器，因此，将有温差输出，温差出现的时间可以代表热流到达的时间。

由于温度传感器安装的对称性，如果植物茎流流速为零，热流将同时到达上下两对温度传感器，也就是说上下两对温度传感器温差出现的时间相同。如果植物茎流流速不为零，并假定茎流流向是向上的，热流受到植物茎流的推送(相对于上对温度传感器)或顶逆(相对于下对温度传感器)，热流将先到达上对温度传感器，而后到达下对温度传感器，也就是说上对温度传感器温差出现的时间先于下对温度传感器温差出现的时间。

热流移动的速度可以看成热扩散速度(这里的热扩散速度可以理解为茎流为零时的热流移动速度。由于安装的对称性，向上和向下的热扩散速度是相等的，以下简称V_k)和茎流速度(以下简称V_j)两个速度共同作用的结果。因此，可以套用数学竞赛的流水行船问题的计算方法，计算植物茎流流速V_j。

船在江河里航行时，除了本身的前进速度外，还受到流水的推送或顶逆，在这种情况下计算船只的航行速度、时间和所行的路程，叫做流水行船问题。

流水行船问题，是行程问题中的一种，因此行程问题中三个量(速度、时间、路程)的关系在这里将要反复用到。此外，流水行船问题还有以下两个基本公式：

顺水速度＝船速+水速 (1)

逆水速度＝船速-水速 (2)

这里，船速是指船本身的速度，也就是在静水中单位时间里所走过的路程。水速，是指水在单位时间里流过的路程.顺水速度和逆水速度分别指顺流航行时和逆流航行时船在单位时间里所行的路程。

设上对温度传感器距离加热器的距离为S，由于安装的对称性，下对温度传感器距离加热器的距离也为S。热扩散速度V_k相当于流水行船问题的船速，植物茎流流速V_j相当于流水行船问题的水速，热流移动沿茎流方向的速度相当于流水行船问题的顺水速度，而热流移动逆茎流方向的速度相当于流水行船问题的逆水速度。设热流移动沿茎流方向到达相应的那对温度传感器的时间为T_s，热流移动逆茎流方向到达相应的那对温度传感器的时间为T_n，套用流水行船问题的计算公式(1)和(2)就有如下两个数学表述式：

S/T_s＝V_k+V_j

S/T_n＝V_k-V_j

两式相减：

V_j＝(S/T_s-S/T_n)/2 (3)

因为，温差出现的时间可以代表热流到达的时间。T_s、T_n可以通过以下方法间接获得：需要两个计时器，分别记录上下两对温度传感器温差出现的时间。启动加热器为茎秆加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器。两个计时器记录的时间，分别代表T_s、T_n。安装加热器和上下两对温度传感器时(3)式中的S已经确定，至此，(3)式等号右侧的参数全部确定，因此，可以通过(3)式计算出植物茎流流速V_j。

该方法正常工作，加热量的下限是上下两对温度传感器能准确检测到热流到达时出现的温差。因此，理论上可以通过提高检测温差灵敏度的方法来减少加热量，达到避免烧伤草本植物茎秆的目的。

为了减少温度传感器的体积，减少热惯性带来的响应延迟，提高对称性，本发明采用了一致性好，在作物生长温度范围内线性度好的T型热电偶。实际应用时采用了Omega型号为TFT-36的T型热电偶线自制，测温结点直径可以小至0.3mm，远远小于其它类型的温度传感器，非常有利于植物微小茎秆茎流流速的测量。但是T型热电偶的输出比较小，仅有40μv/℃，要检测远远小于0.6℃的温差，达到避免烧伤草本植物茎秆的目的，就涉及远远小于24μv电压信号的放大问题，例如检测0.1℃的温差就涉及小于4μv电压信号的放大问题。实现微伏级接近于直流的低频信号放大主要的限制因素是噪声和温度漂移。温差信号为差模信号需要用共模信号抑制性能好的仪表放大器来放大，不幸的是，目前性能最好的仪表放大器也不能同时做到噪声和温度漂移最小。目前，能够购买到的温度漂移最小的仪表放大器是自稳零仪表放大器AD8230，温度漂移为50nV/℃，如果环境温度在20℃内变化器温度漂移为1μv勉强可用，但其噪声电压为3μVp-p，接近4μv温差电压信号，温差信号几乎被噪声淹没，存在很大的测量误差。并且非常不幸，放大接近于直流的低频信号时，这种固有的低频噪声(0.1～10Hz)是无法去掉的。因此，只能选择噪声性能相对较好的仪表放大器，例如INA128，其低频噪声(0.1～10Hz)电压为0.2μVp-p，可以使用。但它的温度漂移为0.5μV/℃，如果环境温度在20℃内变化器温度漂移将达到10μv，已超过4μv温差电压信号，引起误动作。非常幸运的是，温差检测不是连续进行的，每次的温差检测均发生在启动加热器后的4分钟以内，而4分钟内环境温度的变化是很小的，其温度漂移电压远远小于温差电压信号。本发明采用了一种“动态校零”技术，启动加热的同时将温差放大器输出的漂移电压通过A/D和D/A转换锁存到电压减法器的一端，去减送入电压减法器另一端的温差放大器输出的实时信号，这样温度漂移就被有效地限定在4分钟内环境温度变化引起的漂移范围内，其温度漂移电压远远小于温差电压信号。

采用本发明的技术方案，所需加热量远远小于现有技术产品。发明人研制的茎流数据无线自动采集系统(温度传感器采用Omega型号为TFT-36的T型热电偶线自制)测点温差阈值(温差上升至该值时关闭计时器)仅有0.08℃，工作稳定可靠。

附图说明：

图1为本发明探头结构安装布置图。

图2为本发明测量方法示意图。

图3为本发明测量装置的流程和电路连接图。

图4为本发明测量装置实施例的上路温差检测部分电路图。

图5为本发明测量装置实施例的中路主控制部分电路图。

图6为本发明测量装置实施例的下路温差检测部分电路图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明探头由加热器2，上对温度传感器包括温度传感器3、4，下对温度传感器包括温度传感器5、6三部分组成。

在要测量的植物茎秆1的表面或插入茎秆内部安装一个加热器2。在植物茎秆1距离加热器2的上方和下方等距离S处各安装一对温度传感器，简称上对温度传感器和下对温度传感器。上对温度传感器包括温度传感器3和温度传感器4，下对温度传感器包括温度传感器5和温度传感器6。上对温度传感器的两个温度传感器3、4，在植物茎秆1距离加热器2的上方S处和S处的上方依次分开布置，同样，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器5、6，在植物茎秆1距离加热器2的下方S处和S处的下方依次分开布置。上下对温度传感器用于温差测量。温度传感器安装在植物茎秆1的表面或插入茎秆内部，如果温度传感器安装在植物茎秆1的表面，在每对温度传感器非接触植物茎秆1的外面还需要用泡沫塑料包裹，以避免加热器2的热量通过空气对流和热辐射传递给温度传感器。

如图2所示，本发明的测量方法如下：首先，在要测量茎流流速的植物茎秆1上安装一个加热器2，用于加热植物茎秆1，在植物茎秆1距离加热器2的上方和下方等距离S处各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温度传感器3、4，在植物茎秆1距离加热器2的上方S处和S处的上方依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器5、6，在植物茎秆1距离加热器2的下方S处和S处的下方依次分开布置，其次，需要两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间，启动加热器2对植物茎秆1进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间T_s、T_n，然后，用公式(3)即：V_j＝(S/T_s-S/T_n)/2，计算出所测植物茎秆1的茎流流速V_j，

以热电偶作为温度传感器为例进一步说明如何实施本发明。如图3所示，本发明测量装置由上路温差检测和下路温差检测与中路主控制三部分组成，上路温差检测和下路温差检测两部分互为对称结构，并参数相同。

中路主控制部分包括：控制计算机22，232与TTL电平转换电路21，主单片机20，D/A转换电路19和加热器2。

上路温差检测部分包括：热电偶温度传感器3、4，温差放大电路7，单片机11，A/D转换电路9，D/A转换电路13，电压减法器15，电压比较器17。

下路温差检测部分包括：热电偶温度传感器5、6，温差放大电路8，单片机12，A/D转换电路10，D/A转换电路14，电压减法器16，电压比较器18。

如图3所示，本发明测量装置电路连接如下：

中路主控制部分，控制计算机22和232与TTL电平转换电路21相连接，232与TTL电平转换电路21和主单片机20的串口相连接，主单片机20和D/A转换电路19的数字输入端相连接，D/A转换电路19的模拟输出端和加热器2相连接。

上路温差检测，热电偶温度传感器3、4和温差放大电路7的差分输入端相连接，温差放大电路7的输出端分为两路，分别与A/D转换电路9的模拟输入端和电压减法器15的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路9的数字输出端和单片机11相连接，单片机11和D/A转换电路13的数字输入端相连接，D/A转换电路13的模拟输出端和电压减法器15的负(减数)输入端相连接，电压减法器15的输出端和电压比较器17的输入端相连接，电压比较器17的输出端和单片机11的中断1端口相连接。

下路温差检测，热电偶温度传感器5、6和温差放大电路8的差分输入端相连接，温差放大电路8的输出端分为两路，分别与A/D转换电路10的模拟输入端和电压减法器16的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路10的数字输出端和单片机12相连接，单片机12和D/A转换电路14的数字输入端相连接，D/A转换电路14的模拟输出端和电压减法器16的负(减数)输入端相连接，电压减法器16的输出端和电压比较器18的输入端相连接，电压比较器18的输出端和单片机12的中断1端口相连接。

中路主控制部分和上下路温差检测部分是通过单片机的中断端口相互连接的，中断方式延迟最小，有利于提高测量的准确性。

中路主控制部分主单片机20的一个端口和上路温差检测单片机11的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机11的一个端口和中路主控制部分主单片机20的外部中断0端口相连接。

中路主控制部分主单片机20的一个端口和下路温差检测单片机12的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机12的一个端口和中路主控制部分主单片机20的外部中断1端口相连接。

如图3所示，本发明测量装置的工作流程如下：

控制计算机22通过232与TTL电平转换电路21向中路主控制部分主单片机20发送茎流数据采集指令，中路主控制部分主单片机20收到茎流数据采集指令后，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路19转换为模拟电压加到加热器2上，按指令中的加热时间长度在中路主控制部分主单片机20的控制下瞬间加热植物茎秆1。在启动加热后立刻将中路主控制部分主单片机20的两个16位定时器即定时器0和定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机11、12的中断0发出中断请求，其中，定时器0为上路温差检测计时，定时器1为下路温差检测计时(定时器2为串行口波特率发生器，因此，需要选用具有3个定时器的单片机例如：89C52)。

上下路温差检测控制单片机11、12的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启动A/D转换9、10和D/A转换13、14，分别将温差放大电路7、8输出的温度漂移电压锁存到电压减法器15、16的负(减数)输入端，再分别去减温差放大电路7、8直接加在电压减法器15、16的正(被减数)输入端的实时输出电压，此时电压减法器15、16的输出电压为零，完成了“动态校零”动作，然后分别关闭单片机11、12的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达。

当热流到达上对热电偶温度传感器3、4或到达下对热电偶温度传感器5、6，与之相连的相应的上路温差放大器7的输出电压或下路温差放大器8的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器15或下路电压减法器16负(减数)输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器15或下路电压减法器16的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器17或下路电压比较器18，与预先设定的温差阈值电压进行比较。

当上路减法器15的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器17翻转，其输出向上路控制单片机11的外部中断1发出中断请求，上路控制单片机11响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机20的外部中断0发出中断请求并关闭单片机11的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机11的外部中断1服务程序。中路主控制部分主单片机20响应外部中断0后，在外部中断0的服务程序中停止上路温差检测定时器0的计时，退出主单片机20的外部中断0服务程序。

当下路减法器16的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器18翻转，其输出向下路控制单片机12的外部中断1发出中断请求，控制单片机12响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机20的外部中断1发出中断请求并关闭单片机12的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机12的外部中断1服务程序。中路主控制部分主单片机20响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中停止下路温差检测定时器1的计时，退出主单片机20的外部中断1服务程序。

当中路主控制部分主单片机20的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机20将定时器0和定时器1的计时数据(分别代表T_s、T_n)通过232与TTL电平转换电路21发送给控制计算机22，控制计算机22将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3)式，计算出所测茎秆1的植物茎流流速并显示在屏幕上。在所测茎秆1被施加的热量全部消退后(这个时间一般要15分钟，实际运用时为保险起见可取20分钟)，进行下一轮植物茎流流速测量，并重复同样的过程。

图4、5、6为本发明的一个实施例，流程图3与实施例电路图4、5、6的电路对应如下：如图3、4所示，图3中的热电偶温度传感器3、4为图4中的PROBE--A，图4中集成电路U1A、U2A组成了流程图3的温差放大电路7，图3的单片机11为图4中U9A，图4中的U3A、U7A组成了图3的A/D转换电路9，图4中的U5A、U8A组成了图3的D/A转换电路13，图3的电压减法器15为图4中U4A，图3的电压比较器17为图4中U6A。同样，如图3、6所示，图3中的热电偶温度传感器5、6为图6中的PROBE--B，图6中集成电路U1B、U2B组成了流程图3的温差放大电路8，图3的单片机12为图6中U9B，图6中的U3B、U7B组成了图3的A/D转换电路10，图6中的U5B、U8B组成了图3的D/A转换电路14，图3的电压减法器16为图6中U4B，图3的电压比较器18为图6中U6B。如图3、5所示，图3的232与TTL电平转换电路21为图5中U4，图3的主单片机20为图5中U3，图5中的U1、U2、Q1、Q2组成了图3的D/A转换电路19，图3的加热器2为图5中HOTER。

如图5所示，中路主控制部分，232与TTL电平转换电路U4的一端通过J2和控制计算机PC相连接，另一端和主单片机U3的串口相连接。主单片机U3和D/A转换电路U1、U2、Q1、Q2的数字输入端相连接，D/A转换电路U1、U2、Q1、Q2的模拟输出端和加热器HOTER相连接。

如图4所示，上路温差检测，热电偶温度传感器PROBE--A和温差放大电路U1A、U2A的差分输入端相连接，温差放大电路U1A、U2A的输出端分为两路，分别与A/D转换电路U3A、U7A的模拟输入端和电压减法器U4A的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路U3A、U7A的数字输出端和单片机U9A相连接，单片机U9A和D/A转换电路U5A、U8A的数字输入端相连接，D/A转换电路U5A、U8A的模拟输出端和电压减法器U4A的负(减数)输入端相连接，电压减法器U4A的输出端和电压比较器U6A的输入端相连接，电压比较器U6A的输出端和单片机U9A的中断1端口相连接。

如图6所示，下路温差检测，热电偶温度传感器PROBE--B和温差放大电路U1B、U2B的差分输入端相连接，温差放大电路U1B、U2B的输出端分为两路，分别与A/D转换电路U3B、U7B的模拟输入端和电压减法器U4B的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路U3B、U7B的数字输出端和单片机U9B相连接，单片机U9B和D/A转换电路U5B、U8B的数字输入端相连接，D/A转换电路U5B、U8B的模拟输出端和电压减法器U4B的负(减数)输入端相连接，电压减法器U4B的输出端和电压比较器U6B的输入端相连接，电压比较器U6B的输出端和单片机U9B的中断1端口相连接。

如图4、5、6所示，中路主控制部分和上下路温差检测部分是通过单片机的中断端口相互连接的，中断方式延迟最小，有利于提高测量的准确性。主控制部分主单片机U3的一个端口和上路温差检测单片机U9A的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机U9A的一个端口和主控制部分主单片机U3的外部中断0端口相连接。主控制部分主单片机U3的一个端口和下路温差检测单片机U9B的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机U9B的一个端口和主控制部分主单片机U3的外部中断1端口相连接。

如图4、5、6所示，本发明实施例的工作过程如下：控制计算机PC通过232与TTL电平转换电路U4向主控制部分主单片机U3发送茎流数据采集指令，主控制部分主单片机U3收到茎流数据采集指令后，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路U1、U2、Q1、Q2转换为模拟电压加到加热器HOTER上，按指令中的加热时间长度在主控制部分主单片机U3的控制下瞬间加热植物茎秆。在启动加热后立刻将主控制部分主单片机U3的两个16位定时器即定时器0和定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机U9A、U9B的中断0发出中断请求，其中，定时器0为上路温差检测计时，定时器1为下路温差检测计时(定时器2为串行口波特率发生器，U3为具有3个定时器的单片机89C52)。

控制单片机U9A、U9B的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启动A/D转换U3A、U7A、U3B、U7B和D/A转换U5A、U8A、U5B、U8B，分别将温差放大电路U1A、U2A、U1B、U2B输出的温度漂移电压锁存到电压减法器U4A、U4B的负(减数)输入端，再分别去减温差放大电路U1A、U2A、U1B、U2B直接加在电压减法器U4A、U4B的正(被减数)输入端的实时输出电压，此时电压减法器U4A、U4B的输出电压为零，完成了“动态校零”动作，然后分别关闭单片机U9A、U9B的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达。

当热流到达上对热电偶温度传感器PROBE A或到达下对热电偶温度传感器PROBE--B，与之相连的相应的上路温差放大器U1A、U2A的输出电压或下路温差放大器U1B、U2B的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器U4A或下路电压减法器U4B负(减数)输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器U4A或下路电压减法器U4B的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器U6A或下路电压比较器U6B，与预先设定的温差阈值电压进行比较。

当上路减法器U4A的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器U6A翻转，其输出向上路控制单片机U9A的外部中断1发出中断请求，上路控制单片机U9A响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向主控制部分主单片机U3的外部中断0发出中断请求并关闭单片机U9A的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机U9A的外部中断1服务程序。主单片机U3响应外部中断0后，在外部中断0的服务程序中停止上路温差检测定时器0的计时，退出主单片机U3的外部中断0服务程序。

当下路减法器U4B的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器U6B翻转，其输出向下路控制单片机U9B的外部中断1发出中断请求，控制单片机U9B响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向主控制部分主单片机U3的外部中断1发出中断请求并关闭单片机U9B的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机U9B的外部中断1服务程序。主单片机U3响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中停止下路温差检测定时器1的计时，退出主单片机U3的外部中断1服务程序。

当主单片机U3的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机U3将定时器0和定时器1的计时数据(分别代表T_s、T_n)通过232与TTL电平转换电路U4发送给控制计算机PC，控制计算机PC将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3)式，计算出所测茎秆1的植物茎流流速并显示在屏幕上。在所测茎秆被施加的热量全部消退后(这个时间一般要15分钟，实际运用时为保险起见可取20分钟)，进行下一轮植物茎流流速测量，并重复同样的过程。

在本发明实施例电路图中：U1A、U1B使用INA128，U1、U2A、U2B使用OP07，U3A、U3B、U4A、U4B、U5A、U5B使用AD820，U6A、U6B使用LM219，U9A、U9B使用89C2051，U3使用89C52，U4使用MAX232，U2使用DAC7611，U7A、U7B使用ADS7818，U8A、U8B使用TLV5616，Q1使用2SD2495，Q2使用2SK30。

Claims

1.一种植物茎流流速测量方法，其特征在于：

首先，在要测量茎流流速的植物茎秆(1)上安装加热器(2)，用于加热植物茎秆(1)，在植物茎秆(1)距离加热器(2)的上方和下方等距离S处各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)，在植物茎秆(1)距离加热器(2)的上方S处和S处的上方依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)，在植物茎秆(1)距离加热器(2)的下方S处和S处的下方依次分开布置，

其次，通过两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间，启动加热器(2)对植物茎秆(1)进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间T_s、T_n，

然后，用公式(3)即：V_j＝(S/T_s-S/T_n)/2，计算出所测植物茎秆(1)的茎流流速V_j。

2.根据权利要求1所述的植物茎流流速测量方法，其特征在于：在上述植物茎流流速测量中设置上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分，

中路主控制部分包括控制计算机(22)、与控制计算机(22)相连接的RS232-TTL电平转换电路(21)、通过串口和RS232-TTL电平转换电路(21)相连接的主单片机(20)、通过数字输入端与主单片机(20)相连接的中路D/A转换电路(19)和与中路D/A转换电路(19)的模拟输出端相连接的加热器(2)，

上路温差检测部分包括上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)、上路温差放大电路(7)、上路单片机(11)、上路A/D转换电路(9)、上路D/A转换电路(13)、上路电压减法器(15)和上路电压比较器(17)，其中，上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)和上路温差放大电路(7)的差分输入端相连接，上路温差放大电路(7)的输出端分为两路，分别与上路A/D转换电路(9)的模拟输入端和上路电压减法器(15)的正输入端相连接，上路A/D转换电路(9)的数字输出端和上路单片机(11)相连接，上路单片机(11)和上路D/A转换电路(13)的数字输入端相连接，上路D/A转换电路(13)的模拟输出端和上路电压减法器(15)的负输入端相连接，上路电压减法器(15)的输出端和上路电压比较器(17)的输入端相连接，上路电压比较器(17)的输出端和上路单片机(11)的中断1端口相连接，

下路温差检测部分包括下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)、下路温差放大电路(8)、下路单片机(12)、下路A/D转换电路(10)、下路D/A转换电路(14)、下路电压减法器(16)和下路电压比较器(18)，其中，下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)和下路温差放大电路(8)的差分输入端相连接，下路温差放大电路(8)的输出端分为两路，分别与下路A/D转换电路(10)的模拟输入端和下路电压减法器(16)的正输入端相连接，下路A/D转换电路(10)的数字输出端和下路单片机(12)相连接，下路单片机(12)和下路D/A转换电路(14)的数字输入端相连接，下路D/A转换电路(14)的模拟输出端和下路电压减法器(16)的负输入端相连接，下路电压减法器(16)的输出端和下路电压比较器(18)的输入端相连接，下路电压比较器(18)的输出端和下路单片机(12)的中断1端口相连接，

主单片机(20)的上路端口和上路单片机(11)的外部中断0端口相连接，上路单片机(11)的一个端口和主单片机(20)的外部中断0端口相连接，

主单片机(20)的下路端口和下路单片机(12)的外部中断0端口相连接，下路单片机(12)的一个端口和主单片机(20)的外部中断1端口相连接，

控制计算机(22)通过RS232-TTL电平转换电路(21)向主单片机(20)发送茎流数据采集指令，主单片机(20)收到茎流数据采集指令后，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过中路D/A转换电路(19)转换为模拟电压加到加热器(2)上，按指令中的加热时间长度在主单片机(20)的控制下瞬间加热植物茎秆(1)，在启动加热后立刻将主单片机(20)的两个16位定时器即上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的上路单片机(11)、下路单片机(12)的中断0发出中断请求，其中，上路温差检测定时器0为上路温差检测计时，下路温差检测定时器1为下路温差检测计时，

上下路温差检测部分的上路单片机(11)、下路单片机(12)的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启动上路A/D转换电路(9)、下路A/D转换电路(10)和上路D/A转换电路(13)、下路D/A转换电路(14)，分别将上路温差放大电路(7)、下路温差放大电路(8)输出的温度漂移电压锁存到上路电压减法器(15)、下路电压减法器(16)的负输入端，再分别去减上路温差放大电路(7)、下路温差放大电路(8)直接加在上路电压减法器(15)、下路电压减法器(16)的正输入端的实时输出电压，此时上路电压减法器(15)、下路电压减法器(16)的输出电压为零，完成了“动态校零”动作，然后分别关闭上路单片机(11)、下路单片机(12)的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达，

当热流到达上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)或到达下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)，与之相连的相应的上路温差放大电路(7)的输出电压或下路温差放大电路(8)的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器(15)或下路电压减法器(16)负输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器(15)或下路电压减法器(16)的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器(17)或下路电压比较器(18)，与预先设定的温差阈值电压进行比较，

当上路电压减法器(15)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发上路电压比较器(17)翻转，其输出向上路单片机(11)的外部中断1发出中断请求，上路单片机(11)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向主单片机(20)的外部中断0发出中断请求并关闭上路单片机(11)的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出上路单片机(11)的外部中断1服务程序，主单片机(20)响应外部中断0后，在外部中断0的服务程序中停止上路温差检测定时器0的计时，退出主单片机(20)的外部中断0服务程序，

当下路电压减法器(16)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发下路电压比较器(18)翻转，其输出向下路控制单片机(12)的外部中断1发出中断请求，控制下路单片机(12)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向主单片机(20)的外部中断1发出中断请求并关闭下路单片机(12)的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出下路单片机(12)的外部中断1服务程序，主单片机(20)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中停止下路温差检测定时器1的计时，退出主单片机(20)的外部中断1服务程序，

当主单片机(20)的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机(20)将上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时数据，分别代表T_s、T_n，通过RS232-TTL电平转换电路(21)发送给控制计算机(22)，控制计算机(22)将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3)式，计算出所测茎秆(1)的植物茎流流速并显示在屏幕上，在所测茎秆(1)被施加的热量全部消退后，进行下一轮植物茎流流速测量，并重复同样的过程。

3.一种植物茎流流速测量装置，其特征在于：该装置包括上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分，上路温差检测部分和下路温差检测部分是互为对称的结构，并且参数相同，

主单片机(20)的下路端口和下路单片机(12)的外部中断0端口相连接，下路单片机(12)的一个端口和主单片机(20)的外部中断1端口相连接。

4.根据权利要求3所述的植物茎流流速测量装置，其特征在于：在中路主控制部分中，其具体电路连接关系为：RS232-TTL电平转换电路的一端通过接口J2和控制计算机相连接，另一端和主单片机的串口相连接，主单片机和中路D/A转换电路的数字输入端相连接，中路D/A转换电路的模拟输出端和加热器(2)相连接。

5.根据权利要求3所述的植物茎流流速测量装置，其特征在于：所述的温度传感器为热电偶温度传感器。