一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备

摘要

本发明涉及一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备，包括气压控制电路、检测对象、信号采集电路、供电电路、通信电路、移动设备、时钟信号发生电路、工作状态指示电路、SD卡模块、单片机U，本发明可以帮助大幅缩短测量植物木质部抗栓塞度的测量时间，且测量不需要人为干预，大大减少了人为造成的误差，进而提高测量精度。且测量一个样品就可以构建出一条完整的栓塞脆弱性曲线，这不仅提高了测定效率，而且也降低了植物个体之间的潜在误差。保证测量的高精度的同时设备经济性优良，相比于使用CT机、离心机等设备进行测量，使用本发明可以大大降低测量的经济成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备，属于电子技术领域。

背景技术

近年来，受到气候变化的影响，极侧干旱、高温事件增多，全世界范围内的植物、森林死亡率大幅度上升，植物死亡机制成为研究热点，而植物的水分生理、水力结构是研究核心。植物的木质部抗栓塞度可以反映植物的耐旱性，可作为预测旱灾来临，植物是否受损的重要指标；且测量植物的木质部抗栓塞度也可帮助培养新型耐旱植株。目前的测量手段主要有5种：

1、自然干燥法

2、声学检测法

3、Micro CT成像技术

4、低压液流法

5、传统人力控制气压测量法

综合分析后，我们可以知道目前所采用的测量手段主要有4个缺陷：

1、测量数据精度不高

2、测量耗费时间成本长

3、测量耗费人力成本大

4、测量设备不便于携带

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备来解决现有技术中测量数据精度不高、耗费时间成本长、耗费人力成本大、设备不便于携带的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备，其创新点在于：包括气压控制电路、检测对象、信号采集电路、供电电路、通信电路、移动设备、时钟信号发生电路、工作状态指示电路、SD卡模块、单片机U，所述单片机U的型号为STC15W4K58S4，所述供电电路分别和单片机U、SD卡模块、工作状态指示电路、时钟信号发生电路、通信电路、信号采集电路、气压控制电路相连来分别为单片机U、SD卡模块、工作状态指示电路、时钟信号发生电路、通信电路、信号采集电路和气压控制电路提供电源，所述供电电路还和气压控制电路连接来为气压控制电路提供电源；所述单片机U与气压控制电路相连，由单片机U对气压控制电路发出控制信号，控制检测对象的内压力；所述单片机U与信号采集电路相连，且所述检测对象也和信号采集电路相连，信号采集电路采集检测对象压力值反馈给单片机U，帮助单片机U控制检测对象气压；所述单片机U与时钟信号发生电路相连，时钟信号发生电路不断产生时钟信号并发送给单片机U；所述单片机U与SD卡模块相连，将所收到的时钟信号与压力信号存入SD卡模块中；所述单片机U与通信电路相连，且所述移动设备也和通信电路相连，所述通信电路将数据进行广播，移动设备可以收到实时测量数据，也可以通过移动设备向单片机U发送操控指令，所述单片机U与工作状态指示电路相连，所述控制工作状态指示电路发出灯光信号，指示当前的工作状态。

进一步的，所述气压控制电路包括电阻R5、电阻R6、二极管D3、二极管D4、场效应管Q1、场效应管Q2、气泵、磁阀；所述电阻R5一侧连接到单片机U的IO口P1.3，电阻R5另一侧连接到场效应管Q1的门级，所述场效应管Q1的漏极与二极管D3的一侧、气泵的负极相连，所述二极管D3的另一侧与气泵的正极、供电电路电源输出OUTPUT引脚相连，场效应管Q1的源极与GND、场效应管Q2的源极相连，电阻R6一侧连接到单片机U的IO口P1.7，电阻R6另一侧连接到场效应管Q2的门级，所述场效应管Q2的漏极与二极管D4一侧、磁阀的负极相连，所述二极管D4的另一侧与磁阀的正极、供电电路电源输出OUTPUT引脚相连。

进一步的，所述气泵和磁阀的型号分别为：微型真空抽气泵310-B、微型电磁阀0526F。

进一步的，所述供电电路包含两个子电路，分别为5V稳压电路和12V稳压电路，所述5V稳压电路输出5V电压供给通信电路、时钟信号发生电路、工作状态指示电路、SD卡模块、单片机U使用；所述12V稳压电路输出12V电压供给气压控制电路使用；

所述5V稳压电路包括锂电池组、1枚LM2576稳压芯片、1个100uH的电感L1、1个100uF的电解电容CIN、1个1000uF的电解电容COUT、1个肖特基二极管D1、1个自锁开关K1组成，所述锂电池组的型号为18650，所述肖特基二极管的型号为1N5822，所述锂电池的正极接到自锁开关K1的1引脚，所述自锁开关K1的2引脚连接到LM2576的1引脚、CIN的正极，D1的阴极连接到LM2576的2引脚与电感L1的一侧，电感L1的另一侧与LM2576的引脚4、COUT的正极、+5V OUTPUT引脚相连，所述锂电池的负极、CIN的负极、COUT的负极、二极管的阳极、LM2576的3、5号引脚均接地；

所述12V稳压电路包括锂电池组，1枚LM7812稳压芯片、2个0.1uF的瓷片电容C2、C3、1个自锁开关K1组成，所述锂电池组的型号为18650，其中锂电池的正极接到自锁开关K1的1引脚，所述自锁开关K1的2引脚连接到LM7812的1引脚、C2的一侧相连，所述LM7812的3引脚与C3的一侧、+12V OUTPUT引脚相连，所述锂电池的负极、C2的另一侧、C3的另一侧、LM7812的引脚2均接地，所述气压控制电路的二极管D3和D4的另一侧均与供电电路电源输出+12VOUTPUT引脚相连。

进一步的，所述信号采集电路包括采样芯片P2和压力传感器P4，所述采样芯片P2的型号为ADS1115，所述压力传感器P4的型号为26PCDFA6G，所述信号采集电路的连接结构和与单片机U的连接结构为：所述压力传感器P4的引脚OUT1与采样芯片P2的引脚A1相连，压力传感器P4的引脚OUT2与采样芯片P2的引脚A0相连，所述压力传感器P4的正极与LM7812中的+12V OUTPUT端相连，采样芯片P2的VDD引脚与LM2576的+5V OUTPUT端相连，采样芯片P2的SDA引脚与单片机U的P4.1引脚相连，采样芯片P2的SCL与单片机U的P4.3相连，所述压力传感器P4的引脚3、采样芯片P2的引脚6、单片机U的引脚7均接地。

进一步的，所述通信电路包括蓝牙模块，所述蓝牙模块型号为HC-05，所述蓝牙模块和单片机U的连接电路为：蓝牙模块的RXD引脚连接单片机U的P3.1，所述蓝牙模块的TXD引脚连接单片机U的P3.0引脚，所述蓝牙模块的VCC引脚连接5V稳压电路的+5V OUTPUT输出端，所述蓝牙模块的引脚1、单片机U的引脚8均接地。

进一步的，所述检测对象还和气压控制电路相连，所述检测对象还和气压控制电路相连的具体结构包括第一硅胶软管、第二硅胶软管和三通阀，所述第一硅胶软管两端分别连接检测对象和三通阀的其中一端，所述三通阀的其中第二端连接磁阀的第二端口，所述三通阀的其中第三端连接信号采集电路的压力传感器P4，所述磁阀的第一端口连接第二硅胶软管的一端，所述第二硅胶软管的另一端连接气泵的任意接口，所述单片机U控制气压控制电路检测第一硅胶软管和三通阀的压力到指定压力值，所述单片机U与信号采集电路相连，信号采集电路的的压力传感器P4采集第一硅胶软管和三通阀的内压力值反馈给单片机U。

进一步的，所述通信电路包括蓝牙模块，所述蓝牙模块型号为HC-05，所述蓝牙模块和单片机U的连接电路为：蓝牙模块的RXD引脚连接单片机U的P3.1，所述蓝牙模块的TXD引脚连接单片机U的P3.0引脚，所述蓝牙模块的VCC引脚连接5V稳压电路的+5V OUTPUT输出端，所述蓝牙模块的引脚1、单片机U的引脚8均接地。

进一步的，所述时钟信号发生电路包括一枚时钟信号发生芯片DS1307、1个32.768kHz的晶振Y1、2个4.7kΩ的电阻R1、R2、1个1kΩ的电阻R3、1个200Ω的电阻R4、1粒纽扣电池BT1、1个发光二极管D2组成，所述粒纽扣电池BT1的型号为CR1220，所述DS1307的8引脚连接5V稳压电路的+5V OUTPUT端，所述DS1307的7引脚分别连接R3、R4的一侧，所述R3的另一侧连接D2的阳极，D2的阴极接地，所述R4的另一侧连接到5V稳压电路的+5V OUTPUT端；所述DS1307的6引脚分别连接单片机U的引脚P1.0、R1的一侧；所述R1的另一侧分别连接+5V稳压电路输出端与R2的一侧；所述DS1307的5引脚分别连接单片机U的P1.1引脚、R2的另一侧；所述DS1307的引脚4接地；所述DS1307的3引脚连接BT1的正极，BT1的负极接地；所述DS1307的1、2引脚分别接到晶振Y1的两侧。

进一步的，所述工作状态指示电路包括3枚发光二极管分别为D3、D4、D5，3个1kΩ的电阻R7、R8、R9，所述单片机U的P2.5、P2.6、P2.7引脚分别接到R9、R8、R7一端，所述R9、R8、R7的另一端分别接到D5、D4、D3的阳极，所述D5、D4、D3的阴极相连后接地。

进一步的，所述SD卡模块型号为金士顿SD10V16GB，所述SD卡模块和单片机U的连接电路为：所述SD卡模块的VCC引脚与5V稳压电路的+5V OUTPUT端相连，所述SD卡模块的CLK引脚与单片机U的P2.1引脚相连，所述SD卡模块的MOSI引脚与单片机U的P2.2引脚相连，所述SD卡模块的MISO引脚与单片机U的P2.3引脚相连，所述SD卡模块的CS脚悬空。

本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：本发明可以帮助大幅缩短测量植物木质部抗栓塞度的测量时间，且测量不需要人为干预，大大减少了人为造成的误差，进而提高测量精度。且测量一个样品就可以构建出一条完整的栓塞脆弱性曲线，这不仅提高了测定效率，而且也降低了植物个体之间的潜在误差。保证测量的高精度的同时设备经济性优良，相比于使用CT机、离心机等设备进行测量，使用本发明可以大大降低测量的经济成本。

说明书附图：

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明气压控制电路示意图；

图3为本发明信号采集电路示意图；

图4为本发明供电电路的+12V稳压电路示意图；

图5为本发明供电电路的+5V稳压电路示意图；

图6为本发明通信电路示意图；

图7为本发明时钟信号发生电路示意图；

图8为本发明工作状态指示电路示意图；

图9为本发明SD卡模块示意图

图10为本发明工作状态指示电路频闪信号逻辑对照表。

图11为本发明检测对象与信号采集电路、压力控制电路连接示意图。

图12为本发明实地使用测试结果图

图13为将图12中抽出的气体量标准化的结果图

图14为本发明所使用的磁阀的结构图。

其中，1-检测对象、2-第一硅胶软管、3-第二硅胶软管、4-三通阀、5-磁阀、6-气泵、7-第二端口、8-第一端口。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种使用气动法测量植物木质部抗栓塞度的测量设备，其系统框图如图1所示，包括气压控制电路、检测对象1、信号采集电路、供电电路、通信电路、移动设备、时钟信号发生电路、工作状态指示电路、SD卡模块、单片机U，单片机U的型号为STC15W4K58S4，所述供电电路和单片机U、SD卡模块、工作状态指示电路、时钟信号发生电路、通信电路、信号采集电路、气压控制电路相连，用于提供电源；单片机U与气压控制电路相连，由单片机U对气压控制电路发出控制信号，控制检测对象1的内压力。本发明的单片机U还与通信电路相连，且所述移动设备也和通信电路相连，所述通信电路将数据进行广播，移动设备可以收到实时测量数据，也可以通过移动设备向单片机U发送操控指令，所述单片机U与工作状态指示电路相连，控制工作状态指示电路发出灯光信号，指示当前的工作状态。供电电路有一自锁开关K1，可以在紧急情况出现时直接断开设备的电气连接，进而起到保护设备的目的。

本发明的气压控制电路如图2所示，包括电阻R5、电阻R6、二极管D3、二极管D4、场效应管Q1、场效应管Q2、气泵6、磁阀5；所述电阻R5一侧连接到单片机U的IO口P1.3，电阻R5另一侧连接到场效应管Q1的门级，所述场效应管Q1的漏极与二极管D3的一侧、气泵6的负极相连，所述二极管D3的另一侧与气泵6的正极、供电电路电源输出OUTPUT引脚相连，场效应管Q1的源极与GND、场效应管Q2的源极相连，电阻R6一侧连接到单片机U的IO口P1.7，电阻R6另一侧连接到场效应管Q2的门级，所述场效应管Q2的漏极与二极管D4一侧、磁阀5的负极相连，所述二极管D4的另一侧与磁阀5的正极、供电电路电源输出OUTPUT引脚相连。其中，气泵6和磁阀5的型号分别为：微型真空抽气泵310-B、微型电磁阀0526F。

本发明的供电电路包含两个子电路，分别为5V稳压电路和12V稳压电路，所述5V稳压电路输出5V电压供给通信电路、时钟信号发生电路、工作状态指示电路、SD卡模块、单片机U使用；所述12V稳压电路输出12V电压供给气压控制电路使用；

其中，本发明的5V稳压电路如图5所示，包括锂电池组、1枚LM2576稳压芯片、1个100uH的电感L1、1个100uF的电解电容CIN、1个1000uF的电解电容COUT、1个肖特基二极管D1、1个自锁开关K1组成，所述锂电池组的型号为18650，所述肖特基二极管的型号为1N5822，所述锂电池的正极接到自锁开关K1的1引脚，所述自锁开关K1的2引脚连接到LM2576的1引脚、CIN的正极，D1的阴极连接到LM2576的2引脚与电感L1的一侧，电感L1的另一侧与LM2576的引脚4、COUT的正极、+5V OUTPUT引脚相连，所述锂电池的负极、CIN的负极、COUT的负极、二极管的阳极、LM2576的3、5号引脚均接地；

本发明的12V稳压电路如图4所示，包括锂电池组，1枚LM7812稳压芯片、2个0.1uF的瓷片电容C2、C3、1个自锁开关K1组成，所述锂电池组的型号为18650，其中锂电池的正极接到自锁开关K1的1引脚，所述自锁开关K1的2引脚连接到LM7812的1引脚、C2的一侧相连，所述LM7812的3引脚与C3的一侧、+12V OUTPUT引脚相连，所述锂电池的负极、C2的另一侧、C3的另一侧、LM7812的引脚2均接地，所述气压控制电路的二极管D3和D4的另一侧均与供电电路电源输出+12VOUTPUT引脚相连。

本发明的信号采集电路包括如图3所示，采样芯片P2和压力传感器P4，所述采样芯片P2的型号为ADS1115，所述压力传感器P4的型号为26PCDFA6G，所述信号采集电路的连接结构和与单片机U的连接结构为：所述压力传感器P4的引脚OUT1与采样芯片P2的引脚A1相连，压力传感器P4的引脚OUT2与采样芯片P2的引脚A0相连，所述压力传感器P4的正极与LM7812中的+12V OUTPUT端相连，采样芯片P2的VDD引脚与LM2576的+5V OUTPUT端相连，采样芯片P2的SDA引脚与单片机U的P4.1引脚相连，采样芯片P2的SCL与单片机U的P4.3相连，压力传感器P4的引脚3、采样芯片P2的引脚6、单片机U的引脚7均接地。

本发明的通信电路如图6所示，包括蓝牙模块，所述蓝牙模块型号为HC-05，所述蓝牙模块和单片机U的连接电路为：蓝牙模块的RXD引脚连接单片机U的P3.1，所述蓝牙模块的TXD引脚连接单片机U的P3.0引脚，所述蓝牙模块的VCC引脚连接5V稳压电路的+5V OUTPUT输出端蓝牙模块的引脚1、单片机U的引脚8均接地。

本发明的检测对象1还和气压控制电路相连，如图11所示，检测对象1还和气压控制电路相连的具体结构包括第一硅胶软管2、第二硅胶软管3和三通阀4，第一硅胶软管2两端分别连接检测对象1和三通阀4的其中一端，三通阀4的其中第二端连接磁阀5的第二端口7，三通阀4的其中第三端连接信号采集电路的压力传感器P4，磁阀5的第一端口8连接第二硅胶软管3的一端，第二硅胶软管3的另一端连接气泵6的任意接口，单片机U控制气压控制电路检测第一硅胶软管2和三通阀4的压力到指定压力值，单片机U与信号采集电路相连，信号采集电路的的压力传感器P4采集第一硅胶软管2和三通阀4的内压力值反馈给单片机U，本发明使用硅基胶对图11中的各个接口处进行良好密封。

本发明的时钟信号发生电路如图7所示，包括一枚时钟信号发生芯片DS1307、1个32.768kHz的晶振Y1、2个4.7kΩ的电阻R1、R2、1个1kΩ的电阻R3、1个200Ω的电阻R4、1粒纽扣电池BT1、1个发光二极管D2组成，所述粒纽扣电池BT1的型号为CR1220，所述DS1307的8引脚连接5V稳压电路的+5V OUTPUT端，所述DS1307的7引脚分别连接R3、R4的一侧，所述R3的另一侧连接D2的阳极，D2的阴极接地，所述R4的另一侧连接到5V稳压电路的+5V OUTPUT端；所述DS1307的6引脚分别连接单片机U的引脚P1.0、R1的一侧；所述R1的另一侧分别连接+5V稳压电路输出端与R2的一侧；所述DS1307的5引脚分别连接单片机U的P1.1引脚、R2的另一侧；所述DS1307的引脚4接地；所述DS1307的3引脚连接BT1的正极，BT1的负极接地；所述DS1307的1、2引脚分别接到晶振Y1的两侧。

本发明的工作状态指示电路如图8所示，包括3枚发光二极管，分别为D3、D4、D5，3个1kΩ的电阻R7、R8、R9，所述单片机U的P2.5、P2.6、P2.7引脚分别接到R9、R8、R7一端，所述R9、R8、R7的另一端分别接到D5、D4、D3的阳极，所述D5、D4、D3的阴极相连后接地。工作状态指示电路频闪信号逻辑对照表如图10所示，表示了工作状态指示电路中LED灯闪烁不同的灯光信号所对应单片机U、信号采集电路、通信电路、SD卡模块不同的工作状态。

本发明的SD卡模块型号为金士顿SD10V16GB，SD卡模块和单片机U的连接电路如图9所示：所述SD卡模块的VCC引脚与5V稳压电路的+5V OUTPUT端相连，所述SD卡模块的CLK引脚与单片机U的P2.1引脚相连，所述SD卡模块的MOSI引脚与单片机U的P2.2引脚相连，所述SD卡模块的MISO引脚与单片机U的P2.3引脚相连，所述SD卡模块的CS脚悬空。

本发明中由单片机U对气压控制电路发出控制信号，气泵6抽气在第一硅胶软管2与三通阀4内制造一个负压，单片机U与信号采集电路的压力传感器P4相连，且检测对象1也和信号采集电路相连，信号采集电路采集第一硅胶软管2与三通阀4内压力变化值反馈给单片机U，单片机U将信号采集电路采集回的气压值、时钟信号发生电路产生的时钟信号值处理后发送给SD卡模块，SD卡模块记录第一硅胶软管2与三通阀4内的起始气压Pi、时间Ti，由于第一硅胶软管2与三通阀4内有低于检测对象1的负压，第一硅胶软管2与三通阀4将从检测对象1中抽气，第一硅胶软管2与三通阀4内气压值开始上升，上升1分钟，SD卡模块记录此时第一硅胶软管2与三通阀3内的气压Pf、时间Tf一同发送给单片机U。将本发明的整套测量设备在置于温度为20℃的温控箱内，第一硅胶软管2内气体满足理想气体状态方程，根据以下方程

Δn＝n

(ni为检测设备工作第二阶段起始时的气体摩尔数，R为气体常数(8.314kPa Lmol-1K-1)，T为温控箱内温度(20℃＝293.15K)，Vr是抽气硅管的体积)，可计算出抽气过程增加的气体分子摩尔数；将第一硅胶软管2内变化的气体量换算成在一个标准大气压强下变化的气体量可以用以下公式进行计算

AD＝(ΔnRT/P

在密封良好的情况下，泄露的气体远低于从枝干中抽出的气体量从植株抽出的气体量，抽出的气体量可以使用以下公式进行标准化

PAD＝100×(AD-AD

(其中AD

本发明的夹竹桃的实地使用测试结果图如图12所示，横坐标为时钟信号发生电路产生的时间信号，纵坐标为气压控制电路控制与检测对象1相连的第一硅胶软管2、三通阀4为负压力值时，从检测对象1在不同时刻所抽取的出的气体量。将图12中抽出的气体量标准化的结果图如图13所示，横坐标为时钟信号发生电路产生的时间信号，纵坐标为气压控制电路控制与检测对象1相连的第一硅胶软管2、三通阀4为负压力值时，从检测对象1在不同时刻所抽取的出的气体量标准化百分比。