桌面型人工气候箱

郝千里

观察和研究动植物生长习性是颇受中小学生喜爱的一项科学实践活动，但因植物生长周期长，生长受空间、季节和气候条件影响较大，生活在城市中的学生缺乏像农村学生那样方便接近自然和观察各种植物的条件和机会。

建造大型的人工气候室使得科学家能通过人为控制人工气候室的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度和土壤含水量等参数，模拟和满足植物生长所需的各种气候条件，实现全年都可以观察、研究植物生长的科研需要。

但作为一种大型科研设施，人工气候室往往占地大、造价和运行维护成本高。本人在中国科学院的人工气候室开展过一段时期课外实践活动，于是萌发了开发一款体积小、可放置家中或学校的桌面型人工气候箱的想法。

一、材料工具

1.材料

PMMA板、粘胶、密封胶、合页；温湿度传感器、光强度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤含水量传感器；PTC加热片、半导体制冷片、内循环风扇、外循环风扇；储水箱/瓶、导管、电磁阀；LED光源；控制器用主板、CPU芯片、导线。

2.工具

切割机、电脑、绘图软件、电工钳、打孔机。

二、设计制作原理

桌面型人工气候箱由培养箱、控制箱（检测和控制单元）和储水箱构成，三者之间有导线和管路连接，如图1。

1.培养箱及其构造

培养箱箱体尺寸为40cm×30cm×30cm，箱内安装温湿度、光照度、二氧化碳浓度传感器、LED光源和内循环风扇。

箱内底部放置植物培养盘或培养盆等，土壤含水量传感器直接插入培养盘里的栽培土中。箱体后部开孔安装两个风扇，用于换风。后板上还有PTC加热片、半导体制冷片。导线和液体输送管路从后板开孔接入箱内传感器和执行器件上。

2.参数自动检测和控制

（1）箱内温湿度的检测和控制

温湿度传感器型号为SM2110M，温度检测范围为-30℃至80℃，温度控制范围为10℃至50℃，加热器件采用40mm×40mm PTC片，制冷采用相同大小的半导体制冷片；湿度检测范围为0～100%。

（2）光强检测和控制

光源采用LED灯，波长范围为400nm至720nm，可任意设定光周期和暗周期的时长以及光源开启、关闭的方式。

（3）箱内二氧化碳检测和换风

箱内二氧化碳传感器的型号为SM2130M-C02，量程为0ppm至5 000ppm，若二氧化碳浓度降低，开启外循环风扇，同时设定内外空气交换的时长。

（4）土壤含水量检测与控制

土壤水分传感器型号为SM2801M，根据栽培植物的不同可设置不同的土壤水分值。当水分含量低于设定值时，启动电磁阀和输液泵，输液泵流速流量可调。当达到设定值时，输液泵停止运转、灌装。

整体检测与控制流程如图2。

三、应用测试结果

将模式植物拟南芥放入培养箱内，根据植物生长特性，设定培养参数为温度22℃，湿度65%，光照强度约60mE.S-1.m-1，光照周期為7：00至23：00。

实际观察记录结果，三次温度读数分别是22.2℃、22.5℃、21.9℃，平均值为22.2℃，精度为22.2±0.3℃；湿度的测量值是60.3%、67.0%、69.6%，平均为65.63±4%。

自动补水功能正常，光、暗周期切换正常，灯光自动开启、关闭正常。

图3为培养两周后的对比结果，从图中可以看出，培养箱内的拟南芥比箱外的对照组生长得更好、更茂密。

四、创新点

1.培养箱部分的箱体利用强度高、易加工、密度低的PMMA材料加工制作，可大大降低气候箱的质量。

2.采用PTC加热片和半导体制冷片维持箱内温度，解决了传统盘管加热和压缩机组制冷方式占用空间大、质量大等缺点。选用的微型传感器进一步缩小了培养箱体积，减轻了质量。

3.PMMA板透光性好，观察者可在不打开培养箱门的情况下，从各个角度观察箱体内生长的植物形态和各执行器件的运行状态，不会干扰植物的生长。

4.通过箱体结构设计，允许两个以上箱体呈紧密配合状叠放，形成一个多室分隔的扩展型气候箱，既降低了叠放后上层培养箱滑动跌落的危险，也进一步减小了同时使用多个气候箱时所占用的空间，更重要的是能在同一时间内实现不同参数条件对植物生长影响的对比研究。

今后，还可以开发远程监控功能，让人们在异地也能实时观察和控制，方便在较长时间外出的情况下，不中断研究活动的连续性。endprint