模拟增温条件下(otc)碳通量自动观测仪的制作方法
【专利摘要】模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪，包括箱体、箱体内设置的CH4浓度探头、CO2浓度探头、温、湿度探头、风杯和箱体上设置的数采仪和单片机，所述单片机端口P0.0和P0.1分别接限位开关Ⅰ和限位开关Ⅱ，端口P2.3、P2.4和P2.5分别接电机反转指示灯、电机正转指示灯和电机转动指示灯，端口XTAL1、XTAL2和GND接单片机晶振电路，端口ALE和RESET与看门狗控制芯片端口ST和RESET相连，端口P2.0、P2.1和P2.2与电机控制芯片端口IN1、IN2和EN1相连，电机控制芯片端口OUT1和OUT2接12V直流电机。本实用新型用于青藏高原多年冻土区碳通量观测，解决了当前碳通量观测受自然条件和人为影响因素大、观测费用高昂、所获得的数据连续性不强和规律性差等问题，实现了多年冻土区模拟增温条件下碳通量自动、连续、准确观测。
【专利说明】
模拟増温条件下(OTC)碳通量自动观测仪
技术领域
[0001]本实用新型属于电气控制领域，涉及一种模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪。
【背景技术】
[0002]气温升高已导致植物种空间分布格局、植被生态系统净初级生产力和碳库等发生改变，对全球气候变暖的响应研究正在成为一个新的热点领域和前沿课题。多年冻土区植被更易受气温的影响而改变，由此备受国际科学界的广泛关注，自上世纪90年代以来为了预测气候变暖对北极多年冻土区植被的影响，成立了国际冻原计划(ITEX)组织并使用开顶式生长室(Open-top chmabers, OTCs)进行模拟增温试验，已取得了众多优秀的成果。ITEX计划中OTCs模拟增温试验方法虽然存在一定缺点(增温面积小等)，但因制作方便、增温显著、易于管理维护的优点而很为流行。
[0003]青藏高原作为全球气候变化的敏感区，拥有面积巨大的草地生态系统和土壤碳库，气候的轻微波动必将对其生态系统产生影响，进而打破碳平衡过程和土壤碳库的稳定。近年来在全球气候变暖的大背景和人类活动的双重影响下，高原生态环境正逐渐退化，且有加剧的趋势。生态环境恶化在改变土壤中酶活性和养分含量的同时，还导致植被生态群落特征和地下生物量发生改变，从而使整个生态系统碳循环模式发生改变。研究模拟增温条件下生态系统退化对碳排放的影响，有助于认识未来青藏高原草地生态系统碳循环的发展趋势及其土壤碳库的稳定性评估，同时对研究世界上其他高海拔区域草地生态系统碳循环也具有一定的借鉴意义。目前对于增温后土壤碳库的变化研究较少，特别是在多年冻土区。目前的研究集中在中国科学院西北高原生物研究所海北站周围，该地区多数为季节性冻土或者岛状多年冻土区。自2008年起吴青柏、王俊峰、陈生云等陆续利用OTC装置和土壤呼吸仪在中科院寒旱所北麓河站附近的高寒草甸、沼泽草甸、沙化草原分别展开有关OTC模拟增温条件下碳通量变化的研究，但由于受试验设备不完善，高原气候条件恶劣，交通不便，试验费用高昂，观测流程繁琐，需要有人在试验现场值守等因素的影响，且该试验过程对增温样地植被干扰非常大，而恰恰模拟增温试验对样地要求较高，应尽量避免人类活动的影响，因此所获得的试验数据连续性差，规律性不强。2010年薛娴等人在中科院寒旱所北麓河站附近利用红外辐射仪使样地增温，配套使用土壤呼吸仪进行土壤碳通量观测，但也因为青藏高原气候条件恶劣，交通不便利，人为活动对样地干扰大等因素的困扰，获得的数据并不理想，因此亟待需要研制一种对观测样地影响小，可以实现数据自动采集的技术对增温后碳通量变化进行观测。
【实用新型内容】
[0004]针对以上模拟增温条件下碳通量观测中存在的问题，本发明的目的在于提供一种模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪。
[0005]本实用新型的模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪，包括箱体、箱体内设置的CH4浓度探头、CO2浓度探头、温、湿度探头、风杯和箱体上设置的数采仪和单片机，所述单片机端口P0.0和P0.1分别接限位开关I和限位开关Π，端口P2.3、P2.4和P2.5分别接电机反转指示灯、电机正转指示灯和电机转动指示灯，端口 XTALUXTAL2和GND接单片机晶振电路，端口 ALE和RESET与看门狗控制芯片端口 ST和RESET相连，端口 P2.0、P2.1和P2.2与电机控制芯片端口 INl、IN2和ENl相连，电机控制芯片端口 OUTl和0UT2接12V直流电机。
[0006]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0007]1、AT89C51 是一种带4K字节FLASH存储器(FPER0M—Flash Programmable andErasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
[0008]2、本发明采用了 L293D驱动芯片。L393D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成η型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区。
[0009]3、发明中采用了外部硬件看门狗方式。这种方式比内部硬件看门狗及软件看门狗更加可靠，不存在因为上电复位失败而导致内部看门狗及软件看门狗失效的可能。DS1232芯片具有看门狗功能，可以防止单片机系统死机，而且输入给看门狗的脉冲的时间间隔可以设置;具有5%或10%的两种电源监测精度，速平稳性好。
[0010]4、本发明用于青藏高原多年冻土区碳通量观测，解决了当前碳通量观受自然条件和人为影响因素大、观测费用高昂、所获得的数据连续性不强和规律性差等问题，实现了多年冻土区模拟增温条件下碳通量自动、连续、准确观测。
【附图说明】
[0011 ]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进一步详细的说明。
[0012]图1模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪外观与功能指示图。
[0013]图2模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪电气硬件接线图。
[0014]图3模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪控制系统原理图。
[0015]图4模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪SFlOA接线图。
[0016]图5模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪主程序流程图。
[0017]图中:1 一CH4浓度探头2—C02浓度探头3—温、湿度探头4一风杯5—电机转动指示灯6—电机正传指示灯7—电机反转指示灯8—限位开关19一限位开关Π10 一12V直流电机11 一数米仪12—单片机13—看门狗控制芯片14 一电机控制芯片。
【具体实施方式】
[0018]如图1的模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪，包括箱体、箱体内设置的CH4浓度探头1、⑶2浓度探头2、温、湿度探头3、风杯4和箱体上设置的数采仪11和单片机12，所述单片机12端口P0.0和P0.1分别接限位开关18和限位开关Π 9，端口Ρ2.3、Ρ2.4和Ρ2.5分别接电机反转指示灯7、电机正转指示灯6和电机转动指示灯5，端口 XTALl、XTAL2和GND接单片机晶振电路，端口 ALE和RESET与看门狗控制芯片13端口 ST和RESET相连，端口P2.0、P2.1和P2.2与电机控制芯片14端口 INl、IN2和ENl相连，电机控制芯片14端口 OUTl和0UT2接12V直流电机10。数采仪11采用CR3000，单片机12采用AT89C51，看门狗控制芯片13采用DS1232，电机控制芯片采用L293D。
[0019]本发明采用了太阳能电池板和蓄电池互补供电的方法如图2所示。本发明控制系统原理图如图3。太阳能电池板为SFlOA太阳能全防水控制器，其接线图如图4所示。SFlOA控制器是共阳极控制器，所以太阳能板、蓄电池和整个电路负载的正极接在一起并接入SFlOA正极接口，而太阳能板、蓄电池和负载的负极分别接太阳能板负极接口段、蓄电池负极接口段和负载负极接口段，因为单片机所用电压时+5V，负载输入为+12V，所以在控制电路部分和负载正极接线之间接芯片7805，而选用电机是12V直流电机，所以L293D端口 VS接+12SP可。
[0020]使用单片机12作为控制核心，单片机12每五分钟给电机控制芯片14发出一个信号，从而控制电机10正反转，使箱盖打开或者关闭，这样可以让观测箱保持五分钟关闭五分钟打开的循环状态，限位开关的状态指示箱盖的位置，指示灯用于指示当前电机的状态，
[0021]如图5单片机程序初始化后，当扫描P0.1为低电平时，限位开关18打开，箱盖处于打开状态;则P2.1和P2.2输出高电平通过控制电机反转，且P2.3和P2.5输出高电平使电机反转，电机转动指示灯5和电机反转指示灯7亮；当扫描到P0.0变为高电平时，限位开关Π 9打开，箱盖处于关闭状态，电机停止转动。当P2.1和P2.2输出低电平，关闭所有指示灯;P2.3和P2.5输出低电平，进入延时五分钟阶段，箱盖关闭持续五分钟;若处于高电平，直接进入延时五分钟阶段，箱盖关闭持续五分钟。延时阶段结束后，P2.0和P2.2输出高电平通过电机控制芯片14控制电机正转，且P2.4和P2.5输出高电平，使电机正转，电机转动指示灯5和电机正转指示灯6亮，当扫描到P0.1，限位开关Π 9打开变为高电平时(箱盖处于打开状态)，电机停止转动(P2.0和P2.2输出低电平)并关闭所有指示灯(P2.4和P2.5输出低电平)进入延时五分钟阶段(箱盖打开持续五分钟)，延时阶段结束后再扫描P0.0开始循环动作，这样就可以控制箱盖处于五分钟关闭五分钟打开的循环动作。看门狗控制芯片13在箱盖的打开和关闭时防止单片机系统死机。
[0022]模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪箱体内CH4浓度探头1、C02浓度探头2、温、湿度探头3、风杯4并联连入数采仪11，通过数采仪11可以采集CH4浓度、C02浓度、温、湿度、风量数据，从而可以得出青藏高原多年冻土区OTC模拟增温条件下碳通量。
[0023]本发明通过单片机12，控制直流电机正反转，打开或者关闭观测仪箱盖，避免人在试验现场值守的影响，减少试验过程对人为对增温样地植被干扰，获得续性，规律性试验数据。其对于研究模拟增温条件下生态系统退化对碳排放的影响，认识未来青藏高原草地生态系统碳循环的发展趋势及其土壤碳库的稳定性评估发挥一定的作用。
【主权项】
1.模拟增温条件下(OTC)碳通量自动观测仪，包括箱体、箱体内设置的CH4浓度探头(I)、C02浓度探头(2)、温、湿度探头(3)、风杯(4)和箱体上设置的数采仪(11)和单片机(12)，其特征在于:所述单片机(12)端口P0.0和P0.1分别接限位开关1(8)和限位开关Π(9)，端口P2.3、P2.4和P2.5分别接电机反转指示灯(7)、电机正转指示灯(6)和电机转动指示灯(5 )，端口 XTAL1、XTAL2和GND接单片机晶振电路，端口 ALE和RESET与看门狗控制芯片(13)端口ST和RESET相连，端口 P2.0、P2.1和P2.2与电机控制芯片(14)端口 INl、IN2和ENl相连，电机控制芯片(14 )端口 OUTI和0UT2接12V直流电机(1 )。
【文档编号】G01D21/02GK205619954SQ201620100700
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年2月2日
【发明人】贠汉伯, 吴青柏, 芮鹏飞, 刘永智, 孙志忠, 俞祁浩, 陈继
【申请人】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所