桌面型人工氣候箱

郝千里

觀察和研究動(dòng)植物生長(zhǎng)習(xí)性是頗受中小學(xué)生喜愛的一項(xiàng)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，但因植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生長(zhǎng)受空間、季節(jié)和氣候條件影響較大，生活在城市中的學(xué)生缺乏像農(nóng)村學(xué)生那樣方便接近自然和觀察各種植物的條件和機(jī)會(huì)。

建造大型的人工氣候室使得科學(xué)家能通過人為控制人工氣候室的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度和土壤含水量等參數(shù)，模擬和滿足植物生長(zhǎng)所需的各種氣候條件，實(shí)現(xiàn)全年都可以觀察、研究植物生長(zhǎng)的科研需要。

但作為一種大型科研設(shè)施，人工氣候室往往占地大、造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)成本高。本人在中國(guó)科學(xué)院的人工氣候室開展過一段時(shí)期課外實(shí)踐活動(dòng)，于是萌發(fā)了開發(fā)一款體積小、可放置家中或?qū)W校的桌面型人工氣候箱的想法。

一、材料工具

1.材料

PMMA板、粘膠、密封膠、合頁；溫濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤含水量傳感器；PTC加熱片、半導(dǎo)體制冷片、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇、外循環(huán)風(fēng)扇；儲(chǔ)水箱/瓶、導(dǎo)管、電磁閥；LED光源；控制器用主板、CPU芯片、導(dǎo)線。

2.工具

切割機(jī)、電腦、繪圖軟件、電工鉗、打孔機(jī)。

二、設(shè)計(jì)制作原理

桌面型人工氣候箱由培養(yǎng)箱、控制箱（檢測(cè)和控制單元）和儲(chǔ)水箱構(gòu)成，三者之間有導(dǎo)線和管路連接，如圖1。

1.培養(yǎng)箱及其構(gòu)造

培養(yǎng)箱箱體尺寸為40cm×30cm×30cm，箱內(nèi)安裝溫濕度、光照度、二氧化碳濃度傳感器、LED光源和內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇。

箱內(nèi)底部放置植物培養(yǎng)盤或培養(yǎng)盆等，土壤含水量傳感器直接插入培養(yǎng)盤里的栽培土中。箱體后部開孔安裝兩個(gè)風(fēng)扇，用于換風(fēng)。后板上還有PTC加熱片、半導(dǎo)體制冷片。導(dǎo)線和液體輸送管路從后板開孔接入箱內(nèi)傳感器和執(zhí)行器件上。

2.參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)和控制

（1）箱內(nèi)溫濕度的檢測(cè)和控制

溫濕度傳感器型號(hào)為SM2110M，溫度檢測(cè)范圍為-30℃至80℃，溫度控制范圍為10℃至50℃，加熱器件采用40mm×40mm PTC片，制冷采用相同大小的半導(dǎo)體制冷片；濕度檢測(cè)范圍為0～100%。

（2）光強(qiáng)檢測(cè)和控制

光源采用LED燈，波長(zhǎng)范圍為400nm至720nm，可任意設(shè)定光周期和暗周期的時(shí)長(zhǎng)以及光源開啟、關(guān)閉的方式。

（3）箱內(nèi)二氧化碳檢測(cè)和換風(fēng)

箱內(nèi)二氧化碳傳感器的型號(hào)為SM2130M-C02，量程為0ppm至5 000ppm，若二氧化碳濃度降低，開啟外循環(huán)風(fēng)扇，同時(shí)設(shè)定內(nèi)外空氣交換的時(shí)長(zhǎng)。

（4）土壤含水量檢測(cè)與控制

土壤水分傳感器型號(hào)為SM2801M，根據(jù)栽培植物的不同可設(shè)置不同的土壤水分值。當(dāng)水分含量低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)電磁閥和輸液泵，輸液泵流速流量可調(diào)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸液泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)、灌裝。

整體檢測(cè)與控制流程如圖2。

三、應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

將模式植物擬南芥放入培養(yǎng)箱內(nèi)，根據(jù)植物生長(zhǎng)特性，設(shè)定培養(yǎng)參數(shù)為溫度22℃，濕度65%，光照強(qiáng)度約60mE.S-1.m-1，光照周期為7：00至23：00。

實(shí)際觀察記錄結(jié)果，三次溫度讀數(shù)分別是22.2℃、22.5℃、21.9℃，平均值為22.2℃，精度為22.2±0.3℃；濕度的測(cè)量值是60.3%、67.0%、69.6%，平均為65.63±4%。

自動(dòng)補(bǔ)水功能正常，光、暗周期切換正常，燈光自動(dòng)開啟、關(guān)閉正常。

圖3為培養(yǎng)兩周后的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出，培養(yǎng)箱內(nèi)的擬南芥比箱外的對(duì)照組生長(zhǎng)得更好、更茂密。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.培養(yǎng)箱部分的箱體利用強(qiáng)度高、易加工、密度低的PMMA材料加工制作，可大大降低氣候箱的質(zhì)量。

2.采用PTC加熱片和半導(dǎo)體制冷片維持箱內(nèi)溫度，解決了傳統(tǒng)盤管加熱和壓縮機(jī)組制冷方式占用空間大、質(zhì)量大等缺點(diǎn)。選用的微型傳感器進(jìn)一步縮小了培養(yǎng)箱體積，減輕了質(zhì)量。

3.PMMA板透光性好，觀察者可在不打開培養(yǎng)箱門的情況下，從各個(gè)角度觀察箱體內(nèi)生長(zhǎng)的植物形態(tài)和各執(zhí)行器件的運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)干擾植物的生長(zhǎng)。

4.通過箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，允許兩個(gè)以上箱體呈緊密配合狀疊放，形成一個(gè)多室分隔的擴(kuò)展型氣候箱，既降低了疊放后上層培養(yǎng)箱滑動(dòng)跌落的危險(xiǎn)，也進(jìn)一步減小了同時(shí)使用多個(gè)氣候箱時(shí)所占用的空間，更重要的是能在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)條件對(duì)植物生長(zhǎng)影響的對(duì)比研究。

今后，還可以開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，讓人們?cè)诋惖匾材軐?shí)時(shí)觀察和控制，方便在較長(zhǎng)時(shí)間外出的情況下，不中斷研究活動(dòng)的連續(xù)性。endprint