（生物物理学专业论文）植物水势测量方法及设备研究.pdf

：篁奎兰尘：罂：耋竺鲨吝：j 蓄 摘要 水势是决定自然界中水的运动方向和限度的物理参数，也是植物水分生理中一个基本度量 单位。植物水势从能量的观点，反映了植物体内的水分状况作为植物的一个重要生理指标在 许多研究领域得到了应用，因此植物水势的测量方法也备受人们关注。目前的水势测量都存在 一定的缺陷，为了提高现有的水势测量技术，本次设计采用了露点温度法，结合热电偶温度传 感器和半导体制冷芯片对植物水势测量方法进行了研究。目前国内的智能水势测量技术还不成 熟，希望本次研究能够为我国智能水势测量仪器的研发工作提供一些借鉴。 本次设计主要是对植物叶片水势进行测量，将植物叶片置于封闭叶室内，采用热电偶温度 传感器检测叶室内的叶片温度信号，采用半导体制冷芯片对叶室内的环境降温，当到达露点温 度后，水凝结时放出热量，利用热电偶检测出此时的温度，即为露点温度，进而计算得到植物 叫片的水势。 实验表明使用该实验方案对植物叶片水势进行测量时，能够检测出露点温度，测最出植物 叶片的水势，但测罱结果的稳定性、重复性还有待提高，重复性相对误差5 n l o 。主要影响 因素：一、叶室体积采用露点温度法测量叶片水势时为了使测量结果尽量接近真实值，叶室的 体积要小，但是实验表明当叶室体积太小时，室内气体中的水汽不足以凝结出水珠，给露点温 度的检测造成凼难。二、降温系统及降温控制方式半导体制冷芯片的制冷效果有制冷片两端的 温度差决定，降温的控制方式以及周围的环境温度都会对温度的稳定性造成影响，还有待进一 步研究。 关键字：植物水势，露点温度法，半导体制冷芯片，热电偶传感器，p w m 降温控制 h 中国农业火学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew a t e rp o t e n t i a li sap h y s i c a lp a r a m e t e rt od e c i d et h ed i r e o i o na n dq u a n t i t yo f w a t e r sf l o wi n t h en a t u r ea n di sab a s i cu n i ti nt h ep l a n tw a t e rp h y s i o l o g y f r o mt h ep o i n to fe n e r g yw a t e rp o t e n t i a l r e f l e c t st h ew a t e rs t a t u so f t h ep l a n t a sa ni m p o r t a n tp h y s i o l o g yi n d e xi nm a n yr e s e a r c hf i e l d s ，i tg e t s t h ea p p l i c a t i o n s ot h em e t h o d so fm e a s u r i n gt h ew a t e rp o t e n t i a le n j o yp e o p l e sc o n c e r n a tp r e s e n t t h em e t h o d sh a v ec e r t a i nl i m i t a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h em e t r i c a lt e c h n i q u et h i sd e s i g nu s e st h e d e wp o i n tm e t h o dw i t l lt h et h e r m o c o u p l es e n s o ra n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h e r m o e l e c t r i cc o o l e r t os t u d yt h ew a t e rp o t e n t i a lm e a s u r e m e n t t h eo b j e c tt om e a s u r eo ft h i sd e s i g ni st h ep l a n tl e a f p u tt h el e a fi n t ot h ec l o s e dc h a m b e r , t h e t h e r m o c o u p l ea st h es e n s o rt om e a s u r et h et e m p e r a t u r es i g n a li nt h ec h a m b e r , u s et h et e m p e r a t u r e c o n t r o lo ft h e r m o e l e c t r i cc o o l e rt oc o o ld o w nt h et e m p e r a t u r ei nt h ec h a m b e r b e c a u s eo ft h eh i g h s e n s i t i v i t yo ft h et h e r m o e o u p l ei ti su s e dt od e t e c tt h ed e wp o i n t ，a n dt h e ng e tt h ew a t e rp o t e n t i a l t h r o u g ht h ee x p r e s s i o n s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ：w h e nu s et h i se x p e r i m e n td e s i g nt om e a s u r et h ew a t e rp o t e n t i a lo f p l a n t l e a i tc a l lw e l ld e t e c tt h ed e wp o i n ta n dg e tt h ew a t e rp o t e n t i a lo ft h el e a f b u tt h es t a b i l i z a t i o na n d r e p e t i t i o no ft h er e s u l tn e e dt ob ei m p r o v e d t h er e p e a t e dr ei s5 - 一1 0 t h em a i ni n f e c tf a c t o r ： 一、v o l u m eo f c h a m b e ri uo r d e rt oi t l a k et h er e s u l tm e a s u r e da sc l o s e dt ot l l et r u ev a l u et h ev o l u m e o ft h ec h a m b e rs h o u l ds m a l la c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ed e wp o i n tm e t h o d 二二、s y s t e ma n d c o n t r o lm e t h o do fc o o l i n gd o w nt h ec o o l i n gd o w ne f f e c to ft h e t e m p e r a t u r e c o n t r o lo f t h e r m o e l e c t r i cc o o l e ri sd e t e r m i n e db yt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fi t st w os u i 茧a c c t h ec o n t r o l m e t h o da n dt e m p e r a t u r eo fs u r r o u n d i n g sb o mm a k ee f f e c tt ot h es t a b i l i z a t i o no ft e m p e r a t u r e t h i s n e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：w a t e rp o t e n t i a l ，d e wp o i n tm e t h o d ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h e r m o e l e c t r i cc o o l e r , t h e r m o c o u p l es e h s m , p w mc o n t r o lm e t h o d i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 多段系 时间：l 蟛年石月俨日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在孵密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 互段置 蛾极 时间：乌回停衫月肛日 时间：z 以砂易年g 月日 中国农业人学硕十：学位论文 第一章引亩 i i 1 1 研究背景 第一章引言 水势是决定自然界中水的运动方向和限度的物理量，也是植物水分生理中一个基本度量单 位。水势的概念在2 0 世纪2 0 年代“吸水力”的名称r 己经得到发展，并逐步受到研究植物水 分生理的专家们的关注。1 9 4 1 年我国植物生理学家汤佩松和物理学家王竹溪在美国的物理化 学杂志上发表的离体活细胞水分关系的热力学论述中最早提出了使用细胞内、外水的化 学势对植物细胞水分运动的热力学处理方法，但一直被人们所忽视。在1 9 6 1 年k r s m e rp j 明 确提出应当用水势来描述植物的水分关系，水势的概念才正式被用在植物水分生理中，植物细 胞中水的运动规律描述因此发生了历史性的变革，即由吸水力描述到水势描述的变革。 1 1 1 水势的概念 通俗的说：水势就是指水用于做功的一种能量状态。水势的具体研究方法是采用了热力学 原理，水势的概念就是研究水分的热力学定律。f 面从热力学的角度介绍一下水势的概念的定 义( 2 1 。 ( 1 ) 自由能：在等温等压条件r ，能够做最大非体积功如电功的那部分能量。 ( 2 ) 化学势：在物理化学中用化学势来描述组分发生化学反应的本领和发生转移的潜在趋 势。以希腊字母u 表示。组分j 的化学势l aj 定义为某组分j 的偏摩尔自由能。 ，a g 、 u j2 ( 瓦h 叶“! = n j ) 公式( 1 1 ) 热力学含义：在等温等压保持其他组分不变时，体系自由能随组分j 的摩尔变化率。 ( 3 ) 水势：水势( 是在化学势概念的基础上，把研究对象限定在某体系中的组分水上，同 时将化学势的能量单位( j m 0 1 ) 变成压强单位( p a ) 以适了_ 植物生理学、气象学、土壤学等研究上 的传统习惯。有了水势的概念，在判断绢分水在一一个物理或化学过程的方向和平衡阿题时，就可以 不用组分水的自由能或化学势来判断而直接用水势来判断。水势的完整定义为：在一个组成变 化的多组分体系中，组分水的化学势( 。) 与同温度r 纯水的化学势( o 。) 之差，除以组分水的偏摩 尔体积( v 。) 所得的商： v 。2 等= 譬 公式( 1 2 ) 纯水的化学势的值虽人，通常规定纯水的水势为零，所以水势就是偏摩尔体积水的化学势。 与纯水相比较，其它含水物质的水势一定小于纯水的水势，即其它含水物质的水势小于零为负 中国农业人学硕士学位论文 第一章引占 值。溶液浓度越高，水势越低，反之亦然。 1 1 2 植物水势的应用 植物水势从能量的观点，反映了植物体内的水分状况，作为植物的一个重要生理指标在许 多研究领域得到了应用。 在节水农业研究领域中，随着电子技术，计算机技术和遥感技术的迅速发展，根据作物的 需水规律来控制作物的灌溉，满足作物对水分的需求，同时提高作物的产量，已成为可能。农 业的发展不仅要使作物增产还要在灌溉中节省水资源。 土壤，植物，大气是水分循环的通道( sp _ a c ) 【1 8 1 ，在生态循环中，水分经土壤u 达植物根系， 经过植物细胞间水分的传输到达叶片，最后蒸腾到大气中。在这个水分循环系统中，水势是用 来跟踪各个环节水量变化的统一指标。植物体内的水分处在一个不断的消耗和动态的平衡中， 通过对各环节中水势的监测，优化灌溉，降低对植物的伤害，维持植物体内的水分平衡。 在设施农业研究领域中，通过作物的生理反应及参数进行温室环境的智能调节。是其中的 一个重要环节。植物水势反映了植物体内的水分状况，是植物生理状况的一个重要指标，同时 与植物体周用环境的变化密切相关，环境的差异会导致植物体水势的变化。所以可以通过监测 植物体的水势，对各种设施进行智能调控。 在植物生理学研究中，植物水势的大小直接影响着植物体各部位的工作情况，如根的吸水 及失水，叶片气孔的导通程度，细胞的质壁分离，叶片的蒸腾作用等，所以通过了解植物各部 分的水势，就可以了解植物体对水分的吸收，以及水分的传导、散失。在栽培领域，通过测量 植物的水势，根据植物的需水情况进行浇水，可以提高植物的成活率。在抗旱育种研究中9 】【2 ， 对不同的品种进行水势测量，监测在各种环境下各品种的需水情况，培育出具有抗旱性能的品 种。 1 2 研究目的和意义 植物水势在很多研究领域中都有着重要的应用。随着人们对植物水势重要性的一步步认识， 测量水势方法也在不断的发展。但是由于植物水势概念的特殊性，兼具物理概念与生理学概念， 所以在对其测量上也产生了多种测最方法，但仍未有一个完善的测量方法。目前的水势测量方 法主要有：小液流法、液相补偿法、气相补偿法、压力室法、热电偶温度计法、干湿球湿度计 法、露点温度计法。 水势测量方法是一个不断发展的过程，一种方法的提出，首先原理上应当是正确的，可行 的，但是在实际的操作中往往会遇到各种问题，导致测量方法在实际应用中遇到一定的问题， 新的测量方法的出现在一定程度上会弥补原测量方法的不足，但同时也会出现新的问题。水势 测茸方法的这种不断研究和政进，正是进行科学研究的重要方法，朝着问题的解决一步一步的 迈进。 植物水势检测技术的发展在一定程度上影响着与其相关的科研领域的发展。在植物水势应 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章 引言 用中提到的节水灌溉，抗早育种，设施农业的智能调控，作物增产都要用到植物水势这个物理 量。同时在植物生理学基础研究中，可以为研究提供定量的实验数据，促使在该领域取得一定 的研究成果。但是现有的各种水势测量方法还存在很大的问题： 1 首先各种测量方法的测量值是否具有可比性，在进行基础性研究中，作为定量的实验数据， 不仅在自己的研究中用到，同时给其他的研究者提供参考，如果因为测量方法的不同，造 成测量结果的差异，就降低了研究价值，不利于该领域的发展。 2 目前的检测方法都是离体测量，即将待测组织样品从植物体上取下，放入仪器内进行测量， 由于组织样品在脱离植物体时，其周同细胞的水分会发生移动，影响了水势真实值的测量。 3 这些检测技术大都需要较睦的测最时间，用来使水分达到平衡。但这时的测量结果与当时 的水势值是否完全一致或者有多大的差别，无法定量的表述。在设施调控领域和节水灌 溉领域，需要及时的测量水势值，进而进行相应的控制。所以检测技术最好能尽量缩短测 量的时间。 4 在应用各种检测技术的实际测量过程中，都存在着或多或少的人为因素的影响，如样品的 制作，平衡时间的确定，数据的读取等，都会影响测量的结果。 综上所述。需要对现有的水势的测量技术进行进一步的改进，本课题主要是针对露点法测 量植物水势的原理对测量方法进行研究和改进，实现以下几个方面： 一、不将待测组织从植物体上取下，而是直接在植物体上进行测量，减少对植物体的损伤， 同时减小与真实值的误差。 二、采用电子技术实现对植物水势的自动化测量，减少人为因素的影响，如结果的读取， 平衡时间的判断：测量者不在现场时，还可根据需要进行自动的定时测量。 这项研究有着重要的意义，将露点法测量水势的原理在实际的测量中进行研究，研究在实 际应用中存在的问题并朝着水势的原位，无损，自动化测量方向作进一步研究，为植物生理 学研究，气象学，农业领域提供更加方便，准确的测量技术，促进科研事业的发展。 1 3 国内外现状 由于植物水势在植物生理学，农业等领域的重要应用，水势的测量方法也在不断的改进。 国外的生态仪器公司结合水势的原理以及现有的测量方法不断的进行改进，开发新的水势测鼍 仪器，提高测量的精度，使操作更加便捷，推动了相关科研领域的发展。目前国外的水势测量 仪器依据的测量原理主要是压力室法，露点温度计法，于湿球湿度诗法，同时和其它的测虽方 法进行融合。m o d e l6 7 0 型植物压力室，h r 3 3 t 露点水势仪，w p 4 露点土壤植物水势速测仪 是目前测量水势的主要仪器。国内的水势测量技术与国外还有很大的距离，生态仪器公司主要 是代理国外的产品，还没有形成自己有竞争力的产品。目前的水势测量方法虽然很多但是在 具体实现方面都存在一定的困难，我们国内的生态仪器公司在这方面还缺少技术的积累，还需 要我们不断的摸索，克服困难，自主创新，形成我们自己的产品。 中国农业大学硕士学位论文 第一章0 1 高 1 4 理论依据 当植物组织在密闭的容器内与容器内的大气达到水汽平衡后，在植物组织水势( 掣) 与密闭式 内的大气压之间有一定的关系川： v ：丝。l 。三 k昂 公式( 1 3 1 p ：大气的水蒸气压 p 0 ：样品温度下的饱和水蒸气压 r ：气体常数f 8 3 1 j m 0 1 轴 t ：样品的开尔文温度 v 。：水的偏克分子体积( o 0 1 8 1 0 4 n l m 0 1 ) 露点温度仃d ) ：当空气中的水汽含量不变时，如果气温不断降低，空气将逐渐接近饱和， 当气温降低到使空气刚好达到饱和时的温度称为露点温度。露点温度时的饱和水蒸气压p o 就是 未降温前空气的水蒸气压p 。在气压一定时，露点温度的高低只与空气中的水汽含每有关，水 汽含量越多，露点越高f 2 2 。 饱和水蒸气压p o 可以通过测量当时的温度计算得出： 7 4 5 x t p 0 2p s o 1 02 3 5 + 7 ( p s o 为o 时的饱和水蒸气压)公式( 1 _ 4 ) 实际的水蒸气压p 就是大气达到饱和时的饱和水蒸气压，可以通过露点温度计算出： 型墨纽 p = p s o 1 0 2 3 5 + “( p s o 为o 时的饱和水蒸气压)公式( 1 5 ) 通过测量平衡时的植物组织的温度t 和密闭容器内大气的露点温度t 。米计算出植物组织的 水势。温度t 可以通过热电偶温度传感器测得，露点温度t d 可以通过降温设施配合露点检测装 置测最得出。 植物组织内的水分与密闭容器内的气体的水汽平衡，眺及植物组织内部的水汽平衡程度对 测量结果的准确性非常重要。 4 中国农业人学硕士学位论文 第二章水势测量方法 ! ! ! 苎! 烹烹! ! ! ! ! ! 詈! = ! ! 暑墨量墨暑詈詈! 詈詈! 竺詈詈兰篁竺! 竺皇皇! 詈皇皇! ! ! ! ! 曼i i ! 鼍鼍詈 第二章水势测量方法 这章主要介绍目前测量植物水势的主要方法以及他们的优缺点和适用范围，并详细介绍本 课题采用露点法测量水势的原理及实验方案。 2 1 水势测量方法 目前水势的测量方法主要有以下七种： 1 小液流法 原理：当植物组织或细胞放在外界溶液中时，如果植物的水势大于溶液的水势，植物将失 水，水分从植物流向溶液中，使溶液浓度降低，反之使溶液浓度升高，若两者水势相等，则保 持动态平衡。 实验时将植物组织分别放在标准系列的具有不同浓度但具有相同体积的蔗糖溶液中，等达 到平衡后，取染色济着色，然后用毛细玻璃管从各溶液中分别取一液滴，向原来相同浓度的蔗 糖溶液中回滴，观察液滴在溶液中的运动情况。如果静止不动，表明植物组织的水势与该浓度 的蔗糖溶液水势相等，记下该蔗糖溶液的浓度。如果没有静止不动的液滴，则选择液滴上升和 下降交替处的两个蔗糖溶液的浓度，取平均值。最后根据公式通过蔗糖溶液的浓度计算出植物 组织的水势i 2 ”。 优缺点：操作简单，费用低廉，不需要贵重仪器，仍是一种实验室崩来测量植物水势的方 法。缺点是为了提高测量结果的准确性，必须增加蔗糖溶液的浓度级数，精确配置蔗糖溶液，。 另外染色料的加入也会影响溶液的浓度，所以加染色料时要提高加料的平行性。 2 液相补偿法 原理：植物组织浸在已知水势的溶液里时，组织与溶液之间会发生净水分的转移，当它们 达到平衡时，植物组织水势与水分转移的量存在着一定的关系。水分转移量可咀通过测定植物 组织体积的变化和溶液浓度的变化获得 2 4 1 。 优缺点：这种方法中溶液的配置要求不能对植物组织造成影响，溶液的溶质不能被组织样 品代谢掉，溶质不能够进入细胞质膜( 原生质膜和液泡膜) ，同时对植物组织体积的变化和溶液 浓度变化( 水分转移量的测定) 的测量方法存在很人的主观性，所以这种方法的使用受到很大限 制。 3 气相补偿法 原理：植物组织和已知水势的溶液之间存在蔫不同的水蒸气压，由于水蒸气压的不同导致 了水蒸气的扩散，引起植物组织和已知溶液中水的含量上的改变，因而，当植物组织和试液之 间水蒸气压达到平衡时，可以通过测定已知水势溶液的体积改变或组织样品鲜重的改变米得到 这部分水蒸气量的改变，从而推算得到植物的水势。 优缺点：这种方法中可以通过测量植物组织鲜重的改变或溶液体积的改变来测定水分的转 中国农业大学硕i ：学位论文 第二章水势测量方法 移量，测鼙过程中要选择合适的参照液，受温度影响不大，适宜测定中等到高等的水势，经过 实际测量，发现这种方法的测量精度并不高。 4 压力室法 原理：将叶片切f ，由于蒸腾拉力消失，水柱会从切口向内部收缩重新同到木质部。将待 测枝条密封与压力室中，枝叶切e 1 朝外，然后加压，直至小水柱重新回到切面上为i f ：，这时所 加的压力加上负号就是叶片的水势。 优缺点：这种方法测量简便，容易，但对待n n l 片或枝条的外形和硬度有一定的要求，劳 且在判断水柱出现在切面上存在很大的主观性，随观察者的不同而不同，所以可靠性较差。 5 热电偶温度计法 原理：由于植物样品和己知水势的溶液之间存在着水势差，从而会引起水分的移动( 扩散或 冷凝) ，将已知水势值的标准溶液滴在热电偶的环形测温点上。若植物组织水势高于标准溶液， 那么水分流向标准液滴，冷凝在热电偶上，温度升高；反之，热屯偶温度降低。这样就可以通 过热电偶测定标准溶液温度的变化来得出植物样品的水势。 优缺点：这种测量方法重复性高，不易受人为因素的影响，可以采用这种方法做高分辨率 的测量仪器，重复性好，但是容易受周围环境温度变化的影响，样品周围环境中的水蒸气含量 也会对测量结果产生影响。 6 干湿球湿度计技术 原理：当植物组织与外界环境之间存在水势差时，就会产生水蒸气压差，导致水分的扩散， 引起植物组织周嗣环境水蒸气含量的改变，当植物组织与周围环境水蒸气扩散达到平衡时，可 以通过干湿球湿度计测量湿球温度的降低量，得到植物的水势。 即叩邗t公式( 2 - 1 ) t ：温度变化量 n ：系数，通过校准时的实验数据确定 这种测量技术也是通过电测法来实现植物水势的测定，人为因素较小，但是测温时容易受 温度的影响。 7 露点温度计法 原理：当植物样品水分与大气的水蒸气达到平衡时，样品的水势就是大气的水势，大气的水 势与大气水蒸气压有一定的函数关系。所以可以通过露点传感器测定大气的露点温度来推算大 气水蒸气压p ，从而得到植物样品的水势值。 这种测量方法同样也是电测法，受温度影响比前两种电测法小些，但是需要一定的平衡 时间，同时露点温度传感器的精度影响着测量结果的精度。 以上这些测量方法都有一定的优缺点，在实际使用中还要根据实际情况和条件选择合适的 测量方法，新的测量技术是因为原有测量方法的不足之处而发展起来的，随着在实际中的应用， 新的问题的山现就会伴随著新的解决方法的出现。 在以上介绍的几种水势测黉中，电测法有着很好的应用前景，这种测量方法客观性强，免 受人为冈素的影响，具有可重复性，通过电子技术，白动控制技术可实现自动化测量，定时测 量，为智能化的管理提供了前提。其中热电偶温度计法，干湿球湿度计法，露点温度计法均属 于电测法，但还都存在一定的缺点。本次课题就是在露点温度计法测量植物水势原理的基础上， 6 中国农业大学硕j 二学位论义 第二章水势测量方法 皇墨鼻暑詈暑詈苎詈詈皇苎皇! ! 詈詈! ! ! 竺竺! ! 竺! ! ! ! 曼暑! ! ! ! i ! 暑! ! ! = 曼! 墨墨烹暑暑暑詈詈暑! 詈! 篁 对实际的测量技术加以改进，研究该方法在实际应削中存在的问题及解决的方法。 2 2 实验方案 在2 1 中提到，露点温度计法是当植物组织与周围人气环境中的水分达到平衡时，通过测 最气体的水势值来得到待测植物组织的水势。这种测量方法中提到的周罔大气环境应当是密闭 的环境，在密闭的环境中( 在测量仪器中称为叶室) ，植物组织的水势在高于叶室内大气的水势 时，水分会发生移动，从植物组织扩散到大气中，直到两者水势相等，那么既然把平衡后叶室 内的大气水势值作为植物组织的真实水势值，叶室的体积就需要满足一定的条件，使植物组织 的水势在平衡前后基本相等。这就需要在植物组织中的水分向叶室内的大气流动时，只需要流 动小部分水分就能够达到平衡。由于在实际中植物组织中含水量较大，水势值比大气高很多， 所以可以通过降低叶室的体积减小人气水势对植物水势真实值的影响。 根据露点温度计法测鼍水势的原理，需要测量出叶室内水分平衡后的植物组织的温度t 和 叶室内的露点温度t d ，根据两个温度计算出水势值。 温度信号的采集采用热电偶温度传感器，结构简单，响应迅速。露点温度的采集需要降温 设施盼配合。叶室内水分平衡后通过降温设施，将温度降到露点处，用热电偶温度传感器测出 露点温度。降温的方式有两种方案，第一种依据帕尔贴效应，向热电偶中通入电流，使热电偶 的结点温度降低( 双热电偶法) 。这种方法优点是体积小，适合小叶室的设计方案，但是降温效 率不高，与具体采用什么材料的热电偶有关。第二种用半导体致冷芯片使叶室内的气体降温， 这种方法降温效率高，速度快，但体积相对较大。具体采用哪种方案需要通过实验，根据实验 结果选出合适的降温方案。 降温过程中需要对露点温度进行检测，检测方法有很多种，如可利用光学方法，光线通过 大气时，因大气内水分含量的不同，光线通过大气后到达检测器的能量大小就不同，所以通过 监测检测器上光强的大小就可以来判断空气中的水分含量，观察是否出现露点，进而判断出露 点温度的来临。本次设计直接采用热屯偶检测露点温度，当叶室内气温降到露点温度时，在热 电偶的结点处凝结出微小的水珠，将会产生凝结热，使热电偶测温端的温度保持在露点温度甚 至出现反弹，进而检测出露点温度。 本次设计就是通过以上实验方案对露点温度计法测量植物水势的方法进行实验，总结将该 方法应用到实际的仪器设计中应注意的问题。 中国农业人学硕卜学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 系统设计思路 第三章系统硬件设计 图3 1 系统设计思路 根据露点水势测量方法的原理及实验放案，系统的设计思路如图3 - 1 所示。叶室内放置待 测量的叶片，同时叶室内安装了温度传感器及半导体制冷系统，用来对叶室内的环境进行降温。 热电偶温度传感器的电信号经精密运算放人器放大调理后，由a d 转换为数字信号送入微控制 器进行数据的保存及传输，由p c 机实时显示温度曲线。同时该系统配有键盘和液晶作为人 机交互的接v i 。制冷系统的启动与停i e 由控制器结合采集到的温度值控制，控制方式采用p w m 方式控制。 3 2 硬件各部分设计 3 2 1 系统电源设计 系统主要通过低压差稳压电源口6 l d l l l 7 a 3 3 和l d l t l 7 a 5 产生电路的工作电源33 v 和 5 v ，为不同的模块供电。另外通过i c l 7 6 6 0 电压转换芯片将5 v 屯压转为一5 v 电压，为运算放 人器和液晶显示模块提供电压。 1 c l 7 6 6 0 变极性d c 。d c 电压转换器，可以将正电压输入转为负电压输出。变换器通过振荡 中国农业人学碗【：学位论文 第二章系统硬件设计 器和多路模拟开关实现电压极性的转换。静态电流小，转换效率高，外同电路简单2 ”。 i c l 7 6 6 0 点源芯片产生的负压主要为双极性精密仪器放大器提供负电源输入，同时为液晶 显示模块提供负电压。 3 2 2 微控制器 本设计中使用的控制器为t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机m s p 4 3 0 f 1 3 5 2 ”。 该系列控制器性能特点： 低l 作电压：1 8 v 3 6 v 超低功耗： 工作模式：2 8 0 u a ，1 m h z 2 2 v 空闲等待模式：1 6 u a 关断模式( 仅r a m 工作) ：0 1 u a 具有五种低功耗模式 从低功耗模式唤醒时间在6 u s 以内 基本时钟模块配置： 高速晶体( 最高8 m h z l 低速晶体( 3 2 7 6 8 k l - z ) d c o m s p 4 3 0 f 1 3 x 系列单片机包括丰富的片内外设： 内部时钟模块d c o 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自带采样保持，多种转换方式 具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ，t i m e rb 串行接口可用于同步或异步( 软件选择u a r t s p i 模式) 内部温度传感器 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位r c s 指令结构，1 6 位的寄存器。具有j t a g 接口，方便程序 的在线调试肃i 下载。m s p 4 3 0 f 1 3 5 具有1 6 k 的f l a s h 程序及代码存储区以及5 1 2 字节的r a m 数据容量。外部中断功能有i o 口完成，通过内部寄存器的设置选择i o 口的工作模式，及中 断类型。m s p 4 3 0 f 1 3 5 的p o ，p 1 口都具有中断功能，所以该系列单片机具有丰富的中断资源。 本次设计中的键盘中断接口就是直接采用了p 1 口的4 个管脚。 m s p 4 3 0 系列单片机在降低功耗方面采取的措施： 一、m s p 4 3 0 单片机有3 路时钟源：高频晶体振荡器，低频晶体振荡器，内部电路产生的d c o 。 系统的功耗与系统所采用的时钟频率直接相关，所以在程序中使用不同的功能模块可以调 i = | 不同的时钟源进行驱动，已达到降低系统功耗的目的。在本设计中，高频晶振为6 m h z ， 低频晶振为3 27 6 8 k h z 。在进行数据采集及运算时调用6 m h z 晶振作为时钟源，数据传输 时使用3 27 6 8 k h z 的低频晶振驱动。 二、该系列单片机除了采用不同的晶振来降低功耗外，还具有5 种低功耗工作模式，当系统处 9 中国农业人学硕上学位论义 第二章系统硬件设计 于：空闲状态时，可以根据实际情况选择关掉c p u ，d c o ，m c l k ，s m c l k 以及a c l k 中 的一种或儿种，使其处t 相应的低功耗模式，需要时将其唤醒。 3 2 3 温度传感器 前面已经提到在本次课题中对水势的测量采用的是露点温度法，通过对露点温度的测量间 接计算出水势值。如何准确的测量出露点温度以及提高测量结果的分辨率是本次课题的关键。 在本次课题中对温度的测量采爿j 的是铜康铜热电偶作为温度传感器，选用热电偶温度传感器的 主要原因： 、热屯偶温度传感器的输出的电压信号值的大小和热电偶的测颦端与参比端的温度差值直接 相荧，输出的模拟信号经过放大条理后，可以通过提高a d 模数转换器的分辨率提高对温 度的分辨率。 二、在测量温度的过程中，当叶室内温度到达露点温度时，制冷器上凝结出水珠，水蒸气凝结 成水珠所放出的热量很小，为了能够检测出热量的变化，所以温度传感器的热容量要小。 而热电偶温度传感器主要是靠前端的热电偶头，体积小，对热量很敏感。 鉴丁以上原因，本次课题中的温度传感器选择了铜康铜t 型热电偶温度传感器。 热电偶温度传感器的工作原理：两种不同的金属导体结成闭合回路，当两端结点处的温度 不同时就会在回路中产生电动势，两端温差越大，产生的电动势越大。两端接点分别称为测量 端和参比端。那么熟电偶在工作时，把测量端至于待测温的环境中，参比端一般放在一个恒定 的温度环境中【3o 】。 用热电偶作为传感器测温的过程中，经常用到两个重要的定律。热电偶中间导体定律和中 间温度定律。有了这两个定律，我们才能够在实际的测温过程中灵活方便的应用热电偶。 中间导体定律：在热电偶回路中插入第三、四种导体，只要插入导体的两端温度相等， 且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶热电势的大小。 所以我们在实际的测温过程中才能够应用筇三种导线做延长线，将热电偶的测量端延伸到待测 温环境中。 中间温度定律：热电偶接点温度为t 和t 。的热电势，等于结点温度分别为t ，t n 和t n ，t o 时相应的热电势的代数和。该定律不仅为分度表的制作提供了依据，同时也为在测温过程中参 比端温度不为o 时的情况给出了解决方案。 上面提到热电偶在测温过程中，输出的电压信号值不仅与测量端的温度有关系，也与参比 端的环境温度有关，应当把参比端的温度保持为恒定。但是在实际的测量中，参比温度人都随 环境温度变化而变化，很难保持恒定，所以需要进行温度补偿”】【”】。 在该设计中采用的是专用热电偶温度补偿芯片l t l 0 2 5 ，是一种微功耗热电偶冷端补偿器， 可与标准的热电偶兼容，适合于e ，j ，k ，r ，s 等不同类础的热电偶冷端补偿，具有准确的 1 0 m w 的输出，内部具有特殊的弓形校正电路，对热屯偶的准抛物线测温误差具有校正作用， 可以在较宽的范围内准确地对热电偶进行冷端补偿 3 4 1 ”】。 针对不同的热电偶，在进行温度补偿时，需要将热电偶连接在所对廊的l t l 0 2 5 芯片的管 中国农业大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 脚上，不同的管脚对应了不同类型的热电偶温度系数，这些系数与热电偶在室温( 2 5 ) 时的温 度斜率一致。 3 2 4 信号放大调理 信号放大调理部分主要完成对原始采集信号的滤波放大处理，最后将信号送入模数转换器。 在这个系统中，主要是通过对温度的测量，间接实现对水势的测量。为了提高测量结果的分辨 率，对温度的测量采用的是t 型热电偶作为温度传感器濑4 量环境的温度变化范围在1 0 3 0 。c 。 通过信号放大器对热电偶采集到的信号进行放大。 进入初级放大电路的信号很微弱，放大器什本身又存在温漂，会对真实的信号产生影响， 初级放大选用的是a d 公司的a d 8 5 5 2 运算放大器，具有超低的温度失调电压。专用于温度传 感器，压力传感器，医学仪器及热电偶信号放大。 性能特点： 偏置电压l u v 温度失调电压0 0 0 5 u v + 5 v + 2 7 v 单电源上作 ： 作电流7 0 0 u a o p a m p h i g hg a i n ，c m r r ，p s r r ：1 3 0 d b 轨对轨输山 经过温度补偿的热电偶温度信号在进入运算放大器之前，需要进行滤波处理，消除随机噪 声信号的处理。经过滤波之后信号再送入a d 8 5 5 2 ，初级的放大倍数为l o 倍。 次级放大电路中采用的是i n a l l 4 精密仪器仪表放大器。该放大器内部集成有3 个运算放 人器，组成了一个高精度的差分输入放大器。电路设计简单，只需外接一个电阻r g 即可实现 很宽范围的增赫( g = i + 5 0 k q r g ) ，人人的消除了由于电阻本身误差所造成的对电路性能的影响， 次级放大倍数为2 0 0 倍( r g = 2 5 1 3 n 1 。 、脚 v - 图3 - 2l n a l l 4 芯片结构 中国农业大学碗1 j 学位论文 第三章系统硬件设计 通过两极放大将热电偶产生的电信号放人2 0 0 0 倍，两极电路中采用的都是0 1 的精密电 阻。同时在第二级放大电路中，r g ( 2 5 13 n ) 采削2 0 0 欧的精密电阻和1 0 0 欧的电位器，调整放大 倍数。根据电路产生的l m v 的标准电压调整出准确的2 0 0 0 倍的放大倍数。 信号经过两级放大后，再经过一个电压跟随器进行阻抗匹配后，送入m s p 4 3 0 f 1 3 5 自带 a ，d 转换器。 3 2 5a d 电压基准源 采集到的数字信号的准确性除了与信号本身的准确性直接相关外，还需要一个准确地电压 基准源。电压基准的主要用途是为系统或负载提供一个精确的参考电压，输出电流通常在几至 几十个毫安【j 。 引起电压基准输出电压背离标称值的主要因素是：初始精度，温度系数，噪声以及长期漂 移等。对于初始精度，在数据采集系统中，如果采用n 位a d d ，那么其满刻度分辨率为1 2 n ， 若要达到1 l s b 的精度，则电压基准的初始精度有下式确定： 初始精度 = 1 2 “1 0 6 p p m = l 2 “1 0 2 ( 1 p p m 表示百万分之一) 公式( 3 1 ) 但是在实际中电压基准的初始精度并不容易达到上式所要