桌面型人工氣候箱

郝千里

觀察和研究動植物生長習性是頗受中小學生喜愛的一項科學實踐活動，但因植物生長周期長，生長受空間、季節和氣候條件影響較大，生活在城市中的學生缺乏像農村學生那樣方便接近自然和觀察各種植物的條件和機會。

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

但作為一種大型科研設施，人工氣候室往往占地大、造價和運行維護成本高。本人在中國科學院的人工氣候室開展過一段時期課外實踐活動，于是萌發了開發一款體積小、可放置家中或學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、半導體制冷片、內循環風扇、外循環風扇；儲水箱/瓶、導管、電磁閥；LED光源；控制器用主板、CPU芯片、導線。

2.工具

切割機、電腦、繪圖軟件、電工鉗、打孔機。

二、設計制作原理

桌面型人工氣候箱由培養箱、控制箱（檢測和控制單元）和儲水箱構成，三者之間有導線和管路連接，如圖1。

1.培養箱及其構造

培養箱箱體尺寸為40cm×30cm×30cm，箱內安裝溫濕度、光照度、二氧化碳濃度傳感器、LED光源和內循環風扇。

箱內底部放置植物培養盤或培養盆等，土壤含水量傳感器直接插入培養盤里的栽培土中。箱體后部開孔安裝兩個風扇，用于換風。后板上還有PTC加熱片、半導體制冷片。導線和液體輸送管路從后板開孔接入箱內傳感器和執行器件上。

2.參數自動檢測和控制

（1）箱內溫濕度的檢測和控制

溫濕度傳感器型號為SM2110M，溫度檢測范圍為-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體制冷片；濕度檢測范圍為0～100%。

（2）光強檢測和控制

光源采用LED燈，波長范圍為400nm至720nm，可任意設定光周期和暗周期的時長以及光源開啟、關閉的方式。

（3）箱內二氧化碳檢測和換風

箱內二氧化碳傳感器的型號為SM2130M-C02，量程為0ppm至5 000ppm，若二氧化碳濃度降低，開啟外循環風扇，同時設定內外空氣交換的時長。

（4）土壤含水量檢測與控制

土壤水分傳感器型號為SM2801M，根據栽培植物的不同可設置不同的土壤水分值。當水分含量低于設定值時，啟動電磁閥和輸液泵，輸液泵流速流量可調。當達到設定值時，輸液泵停止運轉、灌裝。

整體檢測與控制流程如圖2。

三、應用測試結果

將模式植物擬南芥放入培養箱內，根據植物生長特性，設定培養參數為溫度22℃，濕度65%，光照強度約60mE.S-1.m-1，光照周期為7：00至23：00。

實際觀察記錄結果，三次溫度讀數分別是22.2℃、22.5℃、21.9℃，平均值為22.2℃，精度為22.2±0.3℃；濕度的測量值是60.3%、67.0%、69.6%，平均為65.63±4%。

自動補水功能正常，光、暗周期切換正常，燈光自動開啟、關閉正常。

圖3為培養兩周后的對比結果，從圖中可以看出，培養箱內的擬南芥比箱外的對照組生長得更好、更茂密。

四、創新點

1.培養箱部分的箱體利用強度高、易加工、密度低的PMMA材料加工制作，可大大降低氣候箱的質量。

2.采用PTC加熱片和半導體制冷片維持箱內溫度，解決了傳統盤管加熱和壓縮機組制冷方式占用空間大、質量大等缺點。選用的微型傳感器進一步縮小了培養箱體積，減輕了質量。

3.PMMA板透光性好，觀察者可在不打開培養箱門的情況下，從各個角度觀察箱體內生長的植物形態和各執行器件的運行狀態，不會干擾植物的生長。

4.通過箱體結構設計，允許兩個以上箱體呈緊密配合狀疊放，形成一個多室分隔的擴展型氣候箱，既降低了疊放后上層培養箱滑動跌落的危險，也進一步減小了同時使用多個氣候箱時所占用的空間，更重要的是能在同一時間內實現不同參數條件對植物生長影響的對比研究。

今后，還可以開發遠程監控功能，讓人們在異地也能實時觀察和控制，方便在較長時間外出的情況下，不中斷研究活動的連續性。endprint