組織培養(yǎng)室溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計

杜秋麗，有德義（濟南大學泉城學院，山東煙臺，265600）

組織培養(yǎng)室溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計

杜秋麗，有德義
（濟南大學泉城學院，山東煙臺，265600）

由于組織培養(yǎng)室對溫度和濕度的控制要求越來越高，設計組織培養(yǎng)室溫度和濕度的控制系統(tǒng)來滿足當今組織培養(yǎng)的需要。本文設計了控制系統(tǒng)，通過實驗驗證，滿足組織培養(yǎng)室的基本要求，達到了溫度和濕度的實時監(jiān)控和控制的效果。

溫度；組織培養(yǎng)；設計

0　引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的被控參數(shù)之一。從食品生產(chǎn)到化工生產(chǎn)，從燃料生產(chǎn)到鋼鐵生產(chǎn)等等，無不涉及到對溫度的控制，可見，溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位，而且隨著工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，對溫度控制的速度和精度也會越來越高。

近年來，溫度控制領域發(fā)生了很大的變化，工業(yè)生產(chǎn)中對溫度的控制不再局限于近距離或者直接的控制，而是需要進行遠距離的控制，這就產(chǎn)生了遠程溫度控制。在溫度采集方法上，通常是利用熱電偶把熱化為電信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換得到溫度值。這種方法速度慢，而且精度不是很高。綜合上面的考慮以及自己的愛好，設計了基于無線電通信的遠程溫度控制系統(tǒng)。本文詳細的介紹了系統(tǒng)的硬件設計，軟件設計，以及調(diào)試等，希望它能給初級電子制作愛好者帶來一些無線電通信和溫度控制的基本常識，以及應該注意的一些事項。

1　基本原理

利用所學的知識設計遠程溫度控制系統(tǒng)。電烤箱溫度可在一定范圍內(nèi)由人工設定，溫度信號檢測方案自行確定，用單片機采用PID控制算法實現(xiàn)溫度實時控制，靜態(tài)誤差1度，超調(diào)量〈2.5%，系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時間ts〈4分鐘?？刂戚敵霾捎妹}沖移相觸發(fā)可控硅來調(diào)節(jié)加熱有效功率?？刂茰囟确秶覝?-125℃，用十進制數(shù)碼顯示箱內(nèi)的溫度。采用PID控制算法實現(xiàn)溫度實時控制，并顯示溫度實際值。了解計算機控制系統(tǒng)的基本原理和組成；實現(xiàn)無線發(fā)送、接收，編碼、解碼校驗。實現(xiàn)超限報警；掌握計算機控制系統(tǒng)的軟、硬件設計與調(diào)試，實現(xiàn)滿足指標要求的控制系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使得電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減少開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。

簡單的說，驅(qū)動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光偶合器。光偶合器有發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。

2　溫濕度采集系統(tǒng)設計

溫度采集模塊的調(diào)試主要是軟件的調(diào)試。系統(tǒng)采用“一線總線”數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，總共只有三個引腳：數(shù)據(jù)、地、電源，但簡單的硬件需要復雜的軟件來支持。DS18B20的程序設計在前面已經(jīng)敘述，要注意的是，根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行操作。

數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得廣泛的應用。下面簡單介紹PID控制的基本原理、數(shù)字PID控制算法及其改進和PID的參數(shù)整定及其發(fā)展。

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）=r（t）-c（t）。將偏差的比例、積分和微分通過線形組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)。

次遠程溫度控制的設計要達到如下目標：

（1）主系統(tǒng)采用鍵盤輸入方式設定溫度值并顯示；

（2）利用無線電進行通信；

（3）一對多點通信，對各通信點進行編址；

（4）對溫度進行控制；

（5）溫度信號采集。

綜合考慮上面描述的功能并結(jié)合自己的具體情況，選用如下的器件來實現(xiàn)：

① 選用常用的89S51單片機作為控制器；

② 選用帶地址編碼的編碼芯片PT2262以及與之配套的解碼芯片PT2272。

③ 選用發(fā)射模塊F05T和接收模塊J04T進行無線電通信。

④ 選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。

3　溫濕度控制系統(tǒng)設計

方案一：交流電源降壓后用一個電容交連到單片機，從而在單片機內(nèi)部形成過零檢測信號。其采用電容充放電方式產(chǎn)生方波，波形不夠理想而且安全可靠性差。對單片機軟件設計要求較高。

方案二：交流電源的通斷由單片機通過光電耦合器件控制，避免交流電平干擾，其安全性可靠性高。

由于硬件電路模塊比較多，結(jié)構(gòu)復雜，不可能第一步就進行聯(lián)機調(diào)試。在進行硬件功能調(diào)試以前，先對硬件電路調(diào)試和檢查。首先要檢查電路板，看看電路板上的線路是否有短路或者是斷路的情況，如果有則要修正它。檢測各芯片的電源連接是否正確，確保連線正確后，加上電源，看電路板上元件是否有異常反應，若有，立即斷開電源，再次進行電路檢查，糾正錯誤。直到電路各器件在上電工作情況下無異常反應。確保電路設計正確后，進行分模塊調(diào)試。

系統(tǒng)調(diào)試步驟如下：（1）控制模塊與顯示模塊調(diào)試；（2）編碼/解碼模塊調(diào)試；（3）編/解碼模塊與收/發(fā)模塊聯(lián)合調(diào)試；（4）驅(qū)動電路模塊調(diào)試；（5）溫度采集模塊調(diào)試；（6）整體調(diào)試。

3.1.1技術(shù)優(yōu)點

系統(tǒng)采用的技術(shù)有如下的優(yōu)點：

（1）利用無線電進行遠程雙工通信，靈活、方便，而且比較經(jīng)濟；（2）利用AT89S51單片機的軟件編程來實現(xiàn)大量硬件的功能，減少元件使用，減少許多干擾因素，從而增加了測量的精度；（3）采用通用編解碼器PT2262/PT2272，發(fā)射效果比單片機編碼解碼好得多，因為通用編解碼器的數(shù)據(jù)無論怎么變但每一位的脈寬是不變的，即使出現(xiàn)一點干擾，解碼器的寬容性也會解碼輸出高電平；（4）溫度采集部分采用“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，測量精度可達到±0.5℃；（5）系統(tǒng)是“一對多點”控制，控制效率大大提高。

3.1.2技術(shù)缺點

采用無線電進行遠程溫度控制有氣球優(yōu)點但同時也存在著下面的缺點：

（1）系統(tǒng)無線電通信距離短，不適合超遠距離的信號傳輸；（2）無線電通信距離受樓房等障礙物的影響。

所以，采用一種技術(shù)時必須充分考慮它的優(yōu)點和缺點才能更好地掌握和利用它。

3.1.3提高測量精度的幾項措施

1）制作電路板時注意元件布局，線與線之間的距離，盡可能減少外來的干擾

2）減少干擾源，提高測量精度；

3）通過軟件提高溫度的測量精度；

4）用單片機進行數(shù)據(jù)存儲和運算處理，很容易實現(xiàn)溫度自動補償、斜率自動校正、多次測量平均等技術(shù)。

4　結(jié)論

現(xiàn)代工業(yè)設計、工程建設及日常生活中常常需要用到溫度控制，早期溫度控制主要應用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。在現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務于社會。

［1］ 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理及其應用［M］ 成都：電子科技大學出版社， 2002.7

［2］ 張積東.單片機51/98開發(fā)與應用［M］，北京：北京電子工業(yè)出版社， 1994.01

［3］ Control Systems Theory with Engineering Applications［M］Boston.Basel.berlin 2001

［4］ Linear Control System Analysis and Design［M］ John J.D’azzo Constantine H.Houpis 2002.6

杜秋麗 山東煙臺 研究方向：生物化學與分子生物學

Design of monitoring system of temperature and humidity in tissue culture room

Du Qiuli，You Deyi
（University of Jinan Shandong Quancheng Institute Yantai，265600）

As the control of temperature and humidity in the tissue culture room is more and more high，the control system of the temperature and humidity of the tissue culture room is designed to meet the needs of tissue culture.

temperature；tissue culture；design