CN103149243A

CN103149243A - 树木热脉冲蒸腾量测定仪及其测量方法

Info

Publication number: CN103149243A
Application number: CN2013100934666A
Authority: CN
Inventors: 陈海涛; 马孝义; 陈磊
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103149243B

Abstract

本发明涉及植物蒸腾量检测领域，具体公开了一种树木热脉冲蒸腾量测定仪及其测量方法，该树木热脉冲蒸腾量测定仪包括多路茎流传感器、与茎流传感器电性连接的模数转换单元、与模数转换单元电性连接的主控单元，以及AVR单片机；所述主控单元与AVR单片机均与一热脉冲加热板电性连接，该热脉冲加热板上电性连接有分别与多路茎流传感器对应设置的加热探针。本发明功耗低、热脉冲加热时间灵活，且测量得到的直接是树木蒸腾量，大大提高测量数据的精确度。

Description

树木热脉冲蒸腾量测定仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及植物蒸腾量检测领域，尤其涉及一种植物热脉冲蒸腾量测定装置及其测量方法。

背景技术

作物蒸腾过程能够促进水分和养分的吸收和运转，降低植物体的温度，对作物的光合作用和干物质累积也起着重要作用，是农田灌溉、作物耕作与栽培、植物水分生理、农田生态、农业气象等众多研究领域必不可少的重要组成部分。目前，虽有很多测定作物水分消耗的方法，如水量平衡法、波文比—能量平衡法、称重式蒸渗仪法等，但这些方法都只能测定蒸腾蒸发总量，而难以将蒸腾与蒸发二者分开，且费时费力。因此，如何准确计算作物蒸腾量已成为作物需水规律研究的热点。

近年来，利用茎流计测量植物蒸腾量的方法应用越来越广泛。现今茎流量的测量主要是热技术，常用的热技术有三类：热脉冲、热扩散和热补偿。相比较而言，热脉冲方法比较简单，仪器仪表需求功率低，因此这种方法已经被广泛使用。茎流计，英文名称Sap Flow Gauge，又叫树液仪，是通过加热植物茎干来测量茎流速率进而计算植物蒸腾量的一种仪器。然而，现有的茎流计及一些仪器测量出树木的茎流量后，仍然需要进一步将茎流量转换为蒸腾量，这对用户操作的要求较高，不易操作；另外还存在功耗高的缺点，从而导致实际野外测量不易实现。再者，热脉冲加热时间固定，不能根据数据热运动特性自适应改变加热时间，容易导致测量失败；加之热脉冲加热不可控，程序一旦跑飞将烧坏树木；此外，还存在测量数据精度不够、不能很好的指导灌溉需求等缺点。

发明内容

本发明的一目的在于，提出一种树木热脉冲蒸腾量测定仪，其功耗低、热脉冲加热时间灵活，且测量得到的直接是树木蒸腾量，大大提高测量数据的精确度；

本发明的另一目的在于，提供一种树木热脉冲蒸腾量测量方法，其可以将测到的茎流量转化为蒸腾量，操作方便，且热脉冲加热时间灵活，能够很好的指导实际灌溉需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种树木热脉冲蒸腾量测定仪，其包括：多路茎流传感器、与茎流传感器电性连接的模数转换单元、与模数转换单元电性连接的主控单元，以及AVR单片机；所述主控单元与AVR单片机均与一热脉冲加热板电性连接，该热脉冲加热板上电性连接有分别与多路茎流传感器对应设置的加热探针。

其中，所述多路茎流传感器包括8路茎流传感器，每一路茎流传感器对应一个加热探针；每一路茎流传感器内均包括有上、下两个传感器探针，该上、下两个传感器探针安装于树木茎干的茎向同一直线上，所述加热探针插设于与其对应的上、下两个传感器探针之间的树木茎干内。

本发明中，所述模数转换单元可以采用ADC芯片，该ADC芯片与茎流传感器之间还电性连接有差动放大器。

具体的，所述ADC芯片可以采用型号为AD7794的模数转换芯片，差动放大器采用型号为AD627的仪表放大器。

特别的，所述主控单元采用型号为MSP430或ATMEGA128的单片机，AVR单片机采用型号为ATTINY13的单片机。

具体的，所述热脉冲加热板上包括有一连接主控单元的双排共14PIN的插接件；该热脉冲加热板上还设有8个跳线接口，该8个跳线接口一端均通过一场效应管与插接件相连接，该8个跳线接口另一端均与两个PNP音频功率放大三极管的集电极电性连接，该两PNP音频功率放大三极管的基极通过两电阻与插接件电性连接，该两PNP音频功率放大三极管的发射极均与一12V电源电性连接。

再者，所述主控单元及AVR单片机均通过一与非门与热脉冲加热板电性连接，该主控单元还通过一74hc138译码器与热脉冲加热板电性连接。

此外，所述主控单元还电性连接有实时时钟电路、存储模块、环境温度测量模块及电源电压测量模块，该实时时钟电路采用PCF8563芯片，环境温度测量模块采用型号为DS18B20的数字温度传感器，电源电压测量模块采用型号为TLC27L4的运算放大器。

进一步地，本发明还提供了一种树木热脉冲蒸腾量测量方法，其包括如下步骤：

将多路茎流传感器分别安装于树木茎干上，每一路茎流传感器内的上、下两个传感器探针安装于树木茎干的茎向同一直线上，将加热探针插设于与其对应的上、下两个传感器探针之间的树木茎干内；

主控单元选择一路测量通道，在每个测量通道开始工作一段时间后控制热脉冲加热板对加热探针进行加热，在加热超过预设时间时通过一AVR单片机控制停止加热；

茎流传感器将上、下两个传感器探针处的温度信号经过差动放大及模数转换后传送至主控单元，主控单元通过找出信号波点的过零点、峰值从而求取水分运动的速率；

主控单元根据水分运动的速率算出作物液流量和每日蒸腾量，并将测量数据通过一上位机实时绘制出波形图，以对测量数据进行分析。

本发明中，所述多路茎流传感器有8路，每个测量通道测量时间为10分钟，在每个测量通道开始工作20秒后对加热探针进行加热，加热时间为2秒；在更换通道时，主控单元通过串口将上一通道采集到的数据峰值点、过零点、采集时间发送给外接的存储模块中；所述作物液流量通过F_s=J_s×S公式计算，每日蒸腾量通过E_d=F_s×24公式计算，其中的F_s代表作物液流量，J_s代表作物液流速率，S代表作物边材面积，E_d代表每日蒸腾量。

本发明的树木热脉冲蒸腾量测定仪及其测量方法，其可以将测到的茎流量转化为蒸腾量，操作方便，得到的直接是树木蒸腾量；同时，其大大降低了功耗，较利于实际野外测试实现；再者，其热脉冲加热时间灵活，能够根据树木热运动特性自适应改变加热时间，且热脉冲加热可控，当程序跑飞强制关闭加热；加之，由于ADC芯片的采用，大大提高测量数据的精确度，能够很好的指导实际灌溉需求；此外，由于采用了合适的电子器件，还具有体积小、自重轻、方便携带等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的树木热脉冲蒸腾量测定仪一种具体实施例的模块结构示意图；

图2为本发明中热脉冲加热板一种具体实施例的电路原理示意图；

图3为本发明的树木热脉冲蒸腾量测量方法一种具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种树木热脉冲蒸腾量测定仪，其包括：多路茎流传感器10、与茎流传感器10电性连接的模数转换单元20、与模数转换单元20电性连接的主控单元30，以及AVR单片机40；所述主控单元30与AVR单片机40均与一热脉冲加热板50电性连接，该热脉冲加热板50上电性连接有分别与多路茎流传感器10对应设置的加热探针60。本发明的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其采用合适的电子器件，不仅体积小、自重轻、方便携带，且通过AVR单片机40与主控单元30协同控制加热时间，热脉冲加热时间灵活，能够根据树木热运动特性自适应改变加热时间，当程序跑飞时强制关闭加热，使得加热量得以保证；特别的，其可以将测到的茎流量转化为蒸腾量，操作较为方便。

其中，所述多路茎流传感器10包括8路茎流传感器，每一路茎流传感器10对应一个加热探针60。该8路茎流传感器对应形成8路测量通道可以测量8个测试点，每一路茎流传感器10内均包括有上、下两个传感器探针（未图示），该上、下两个传感器探针安装于树木茎干的茎向同一直线上，所述加热探针60插设于与其对应的上、下两个传感器探针之间的树木茎干内。在具体应用中，所述下传感器探针作为基准，上、下两个传感器探针之间的温度差反应树干中的茎流速率，主控单元30通过上、下两个传感器探针之间的温度差，进一步通过经验公式换算得出茎流速度。

本发明中，所述模数转换单元20可以采用ADC芯片，该ADC芯片与茎流传感器10之间还电性连接有差动放大器22。作为本发明的一种优选实施例，所述ADC芯片可以采用型号为AD7794的模数转换芯片，差动放大器22可以采用型号为AD627的仪表放大器。其中，所述AD7794是ADI公司生产的24位分辨率、真差分模数转换芯片，其具有功耗低和完全模拟输入终端，克服了同类产品为低噪声牺牲低功耗，或者为低功耗牺牲低噪声的局限性，能够同时提供低噪声和低功耗，且大大提高了测量数据的精确度，能够很好的指导实际灌溉需求。所述AD627是一种低功耗的仪表放大器，它采用单、双两种电源供电，可实现轨-轨输出，且其采用改进的电流反馈电路，与内级前馈频率补偿电路耦合，因而在DC以上（特别是50Hz～60Hz电源频率）的频率条件下具有比其它低功耗仪表放大器更好的共模抑制比（CMRR），因此该AD627可以提供提供更出色的性能，占用更小的电路板面积，并具有更低的成本。

本发明研究了不同作物不同生长阶段的热传播特性，提出了基于差动放大原理的作物蒸腾速率热脉冲检测及信号处理方法，即采用低功耗的AVR单片机40进行数据的初步处理，根据剔除异常数据取平均值的方法，减小噪声信号对测量信号的影响，配合相应的硬件电路完成对测量信号的滤波、放大、反馈和模/数转换工作，从而降低了主控单元30的要求和工作量。作为本发明的一种优选实施例，所述主控单元30可以采用型号为MSP430的单片机，AVR单片机40可以采用型号为ATTINY13的单片机。本发明采用MSP430单片机作为核心处理芯片，大大降低了仪器的功耗，不加热时功耗为20MA，利于实际野外测试实现。再者，本发明还通过一个ATTINY13单片机与MSP430单片机协同控制加热时间，当程序跑飞强制关闭加热。作为本发明的另一种选择性实施例，所述主控单元30还可以采用型号为ATMEGA128的单片机，配合AD芯片完成数据的采集及处理工作。

具体的，如图2所示，本发明中的热脉冲加热板50上包括有一连接主控单元30的双排共14PIN的插接件（Header7X2）P5。该热脉冲加热板50上还设有8个跳线接口（Header2）JP1-JP8，该8个跳线接口JP1-JP8一端均通过一场效应管IRFP250与插接件P5相连接，该8个跳线接口JP1-JP8另一端均与两个PNP音频功率放大三极管2SA1943的集电极电性连接，该两PNP音频功率放大三极管2SA1943的基极通过两电阻R0、R1与插接件P5电性连接，该两PNP音频功率放大三极管2SA1943的发射极均与一12V电源电性连接。在该具体实施例中，电阻R0、R1均采用47K的标准电阻Res2，该两电阻之间并联连接。

本发明的8个加热探针60分别通过热脉冲加热板50上的8个跳线接口JP1-JP8与热脉冲加热板50进行连接。所述主控单元30及AVR单片机40均通过一与非门与热脉冲加热板50电性连接，该主控单元30还通过一74hc138译码器（未图示）与热脉冲加热板50电性连接。其中，主控单元30通过74hc138译码器控制每次只有一路测量通道在工作，即控制每次哪一路加热探针进行加热，以及确定什么时候加热。针对在实验过程中发生异常情况下会出现加热时间无法控制的情况，本发明增加AVR单片机40配合MSP430单片机完成热脉冲加热时间的控制，在加热超过一定时间通过AVR单片机40强制关闭加热，以防止主控单元30失常至加热时间过长烧坏作物。在本发明具体实施例中，主控单元30通过MSP430单片机的3个io口与74hc138译码器选择测量通道，并控制每个测量通道测量时间为10分钟，在每个通道开始工作20秒控制对应加热探针加热，加热时间为2秒。如果程序紊乱，加热时间超过2秒，则ATTINY13单片机会强制控制停止加热。

此外，所述主控单元30还电性连接有实时时钟电路32、存储模块34、环境温度测量模块36及电源电压测量模块38。在本发明具体实施例中，该实时时钟电路32可以采用PCF8563芯片，存储模块34可以为SD卡存储器，环境温度测量模块36可以采用型号为DS18B20的数字温度传感器，电源电压测量模块38可以采用型号为TLC27L4的运算放大器。本发明中，每个通道测量的数据可以实时通过主控单元30的串口传送到一上位机（未图示）处，在更换通道时，可以将上一通道采集到的数据峰值点、过零点、采集时间发送给外接的存储模块34，以便实验结束对数据进行处理。同时，主控单元30可以通过实时时钟电路32实时得到系统的时间，通过环境温度测量模块36实时得到周围坏境的温度，通过电源电压测量模块38测量电源电压，以方便知道电源电压是否正常是否需要更换电池。

再者，本发明还利用MATLAB制作出对测量数据进行接收、分析、处理的上位机监控软件。主控单元30将测量数据传送至上位机处，该上位机内的监控软件能够运用RS-232接收主控单元30发送过来的数据，并能将测量数据在上位机实时绘制出波动图形，方便操作人员对测量数据进行分析，从而方便研究作物的蒸腾速率。

进一步地，如图3所示，本发明还提供了一种树木热脉冲蒸腾量测量方法，其包括如下步骤：

步骤a，将多路茎流传感器分别安装于树木茎干上，每一路茎流传感器内的上、下两个传感器探针安装于树木茎干的茎向同一直线上，将加热探针插设于与其对应的上、下两个传感器探针之间的树木茎干内。在本发明中，所述多路茎流传感器有8路，每一路茎流传感器对应一个加热探针。该8路茎流传感器对应形成8路测量通道可以测量8个测试点。

步骤b，主控单元选择一路测量通道，在每个测量通道开始工作一段时间后控制热脉冲加热板对加热探针进行加热，在加热超过预设时间时通过一AVR单片机控制停止加热。在本发明具体实施例中，主控单元控制每次只有一路通道在工作，每个测量通道的测量时间为10分钟，在每个测量通道开始工作20秒后控制对应的加热探针加热，加热时间是2秒。如果程序紊乱，加热时间超过2秒，则通过AVR单片机强制控制停止加热。

步骤c，茎流传感器将上、下两个传感器探针处的温度信号经过差动放大及模数转换后传送至主控单元，主控单元通过找出信号波点的过零点、峰值从而求取水分运动的速率（即作物液流速率）。本发明中，上、下两个传感器探针的信号经过型号为AD627的差动放大器差动放大信号后，将放大信号传送给型号为AD7794的模数转换芯片。该AD7794是24位分辨率、真差分模数转换芯片，大大提高了数据的精确性。

步骤d，主控单元根据水分运动的速率算出作物液流量和每日蒸腾量，并将测量数据通过一上位机实时绘制出波形图，以对测量数据进行分析。由于单位时间内流经作物的液流量可近似等同于冠层蒸腾量，那么作物液流量即为整个作物蒸腾量E。因此，本发明中的作物液流量可以通过F_s=J_s×S公式计算，每日蒸腾量可以通过E_d=F_s×24公式计算，其中的F_s代表作物液流量（单位为cm³h^-1），J_s代表作物液流速率（单位为cm³cm^-2h^-1），S代表作物边材面积（单位为cm²），E_d代表每日蒸腾量（单位为cm³或gH₂O）。其中，所述作物液流速率可以根据Marshall于1958年得出的公式V=（x_d+x_u）/2t_z，式中的V即为本发明中的作物液流速率J_s；t_z是指从热脉冲注入开始到上、下两个传感器探针温度一样时所用的时间；x_d是上传感器探针与作为热源的加热探针之间的距离；x_u是下传感器探针与作为热源的加热探针之间的距离。

综上所述，本发明的树木热脉冲蒸腾量测定仪及其测量方法，其通过找出信号波点的过零点、峰值从而求取水分运动的速率（即作物液流速率），从而按照上述作物液流量、每日蒸腾量公式，通过内部编程算法，即可将测到的茎流量转化为蒸腾量，操作方便，得到的直接是树木蒸腾量；同时，其采用低功耗的核心处理芯片，利于实际野外测试；再者，其热脉冲加热时间灵活，能够根据树木热运动特性自适应改变加热时间；此外，其热脉冲加热可控，通过一个ATTINY13单片机与主控单元协同控制加热时间，当程序跑飞强制关闭加热；本发明还采用24位的ADC芯片AD7794，大大提高测量数据的精确度，能够很好的指导实际灌溉需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，包括多路茎流传感器、与茎流传感器电性连接的模数转换单元、与模数转换单元电性连接的主控单元，以及AVR单片机；所述主控单元与AVR单片机均与一热脉冲加热板电性连接，该热脉冲加热板上电性连接有分别与多路茎流传感器对应设置的加热探针。

2.如权利要求1所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述多路茎流传感器包括8路茎流传感器，每一路茎流传感器对应一个加热探针；该每一路茎流传感器内均包括有上、下两个传感器探针，该上、下两个传感器探针安装于树木茎干的茎向同一直线上，所述加热探针插设于与其对应的上、下两个传感器探针之间的树木茎干内。

3.如权利要求2所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述模数转换单元采用ADC芯片，该ADC芯片与茎流传感器之间还电性连接有差动放大器。

4.如权利要求3所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述ADC芯片为型号为AD7794的模数转换芯片，差动放大器采用型号为AD627的仪表放大器。

5.如权利要求2所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述主控单元采用型号为MSP430或ATMEGA128的单片机，AVR单片机采用型号为ATTINY13的单片机。

6.如权利要求5所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述热脉冲加热板上包括有一连接主控单元的双排共14PIN的插接件；该热脉冲加热板上还设有8个跳线接口，该8个跳线接口一端均通过一场效应管与插接件相连接，该8个跳线接口另一端均与两个PNP音频功率放大三极管的集电极电性连接，该两PNP音频功率放大三极管的基极通过两电阻与插接件电性连接，该两PNP音频功率放大三极管的发射极均与一12V电源电性连接。

7.如权利要求6所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述主控单元及AVR单片机均通过一与非门与热脉冲加热板电性连接，该主控单元还通过一74hc138译码器与热脉冲加热板电性连接。

8.如权利要求1所述的树木热脉冲蒸腾量测定仪，其特征在于，所述主控单元还电性连接有实时时钟电路、存储模块、环境温度测量模块及电源电压测量模块，该实时时钟电路采用PCF8563芯片，环境温度测量模块采用型号为DS18B20的数字温度传感器，电源电压测量模块采用型号为TLC27L4的运算放大器。

9.一种树木热脉冲蒸腾量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的树木热脉冲蒸腾量测量方法，其特征在于，所述多路茎流传感器有8路，每个测量通道测量时间为10分钟，在每个测量通道开始工作20秒后对加热探针进行加热，加热时间为2秒；在更换通道时，主控单元通过串口将上一通道采集到的数据峰值点、过零点、采集时间发送给外接的存储模块中；所述作物液流量通过F_s=J_s×S公式计算，每日蒸腾量通过E_d=F_s×24公式计算，其中的F_s代表作物液流量，J_s代表作物液流速率，S代表作物边材面积，E_d代表每日蒸腾量。