基于STM 32的無菌恒濕實驗裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 本，李士軍，歐陽航，孟 楚，肖 培，孫 宇

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林省智能環(huán)境工程中心，吉林 長春 130118）

0 引 言

隨著生命科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，細(xì)胞體外培養(yǎng)技術(shù)已成為一種現(xiàn)代科研的基礎(chǔ)手段[1]。體外培養(yǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是搭建出一個仿真活體的生存環(huán)境，如適宜的空氣溫濕度、合適的光照度、適當(dāng)?shù)腃O2濃度等，整個過程需要對搭建的模擬環(huán)境的溫濕度和氣體濃度進(jìn)行相應(yīng)的實施控制[2-3]。國內(nèi)實驗室常用的是傳統(tǒng)普通的恒溫恒濕箱，其內(nèi)部基本上沒有除菌裝置，而對于某些細(xì)胞培養(yǎng)實驗，實驗人員可在局部凈化的無菌工作臺上進(jìn)行操作[4]，將細(xì)胞放置在培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿蓋上蓋子后，使用封口膜將培養(yǎng)皿封閉，保證其內(nèi)部不受外界干擾。密封后的培養(yǎng)皿會放置在恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步培養(yǎng)，培養(yǎng)皿內(nèi)部的溫度可由恒溫恒濕箱內(nèi)部的溫度控制，而培養(yǎng)皿內(nèi)部的濕度則因為外部封閉而導(dǎo)致內(nèi)部變?yōu)橐粋€封閉環(huán)境，所以無法由恒溫恒濕箱來控制。通常的解決辦法是向培養(yǎng)皿中間滴1～2滴水，測得其內(nèi)部濕度數(shù)值，這種方法精度較低，實驗效果不理想，極大影響實驗結(jié)果。但若不將培養(yǎng)皿封蓋，則會受到恒溫恒濕箱內(nèi)部的交叉污染，同樣會影響實驗結(jié)果，對科研人員的實驗進(jìn)程造成困難[5-7]。

為了解決上述問題，部分高校、研究所組建了無菌實驗室，但大部分高校、研究所等無力搭建無菌實驗室、更難以承受無菌實驗室的后續(xù)維護(hù)成本。本文主要設(shè)計了一種無菌恒濕實驗裝置，其優(yōu)點表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便，不污染恒溫恒濕箱內(nèi)部環(huán)境、可廣泛在常規(guī)實驗室中使用，提高了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

1 實驗裝置總體設(shè)計

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的無菌恒濕裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其內(nèi)部分為三個艙室：培養(yǎng)皿艙室，加濕干燥艙室和控制艙室，其中，培養(yǎng)皿艙室密封性良好，通過密封圈和鎖扣可以很好地把艙室內(nèi)部與外界隔絕開，免除外界對實驗的干擾。加濕干燥艙室中主要由水箱和干燥管組成，因為培養(yǎng)皿艙室內(nèi)部空間較小，僅靠水蒸氣自然揮發(fā)就可以對培養(yǎng)皿艙室進(jìn)行加濕，若增加加濕器，雖然加濕速度變快了，但是會導(dǎo)致培養(yǎng)皿艙室內(nèi)部的相對濕度出現(xiàn)較大的波動，穩(wěn)定性較差。使用干燥管進(jìn)行干燥，同樣是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的功耗?？刂婆撌矣肧TM32F103ZET6作為控制芯片，所需要的空氣溫濕度傳感器、顯示模塊，電源模塊都與其連接，采用模糊PID算法對氣泵進(jìn)行控制，使其實現(xiàn)增濕和排濕功能。實驗人員可在超凈工作臺對本裝置進(jìn)行殺菌處理，最后把裝置放進(jìn)普通恒溫恒濕箱。從圖1中可以看出，導(dǎo)氣管與塑料接頭相接，培養(yǎng)皿艙室不與外界接觸，可以有效降低外界感染的風(fēng)險，培養(yǎng)皿艙室艙門上安裝有密封墊圈及鎖扣裝置，更加確保了內(nèi)部是一個閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 無菌恒濕裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 裝置工作流程

裝置工作流程如圖2所示。其主要包括SHT10空氣溫濕度的數(shù)據(jù)采集，LCD顯示屏，控制信號產(chǎn)生，控制算法和無線通信。首先，通電后對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，STM32讀取當(dāng)前時間和實驗設(shè)定時間，SHT10傳感器讀出裝置內(nèi)部當(dāng)前空氣溫濕度，通過單片機和4G通信模塊分別在LCD顯示屏和PC端顯示出來，用戶可以通過裝置外部按鍵和PC端輸入目標(biāo)值，PID算法可以對當(dāng)前值和目標(biāo)值進(jìn)行比對，單片機控制氣泵做出加濕或除濕操作，并對時間進(jìn)行判定，若達(dá)到實驗終止時間，則發(fā)出警報，并記錄數(shù)據(jù)，未到達(dá)時間，則重新讀取當(dāng)前時間和實驗設(shè)定時間，并最終達(dá)到實驗設(shè)定時間。

圖2 裝置工作流程圖

1.3 裝置使用流程

以細(xì)胞體外培養(yǎng)實驗為例，簡述裝置使用流程：

1）在實驗開始前，使用肥皂洗手；

2）將該實驗箱放置在超凈工作臺，啟動超凈工作臺的排風(fēng)、紫光燈，對培養(yǎng)皿艙室、水箱、干燥管、導(dǎo)氣管進(jìn)行充分殺菌，給水箱內(nèi)倒入蒸餾水；

3）在超凈工作臺中，實驗培養(yǎng)皿制作完畢后，將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)皿艙室，關(guān)閉培養(yǎng)皿艙室艙門，將整套設(shè)備搬離超凈工作臺；

4）將實驗箱放入普通恒溫恒濕箱中，電源插頭插在培養(yǎng)箱內(nèi)部的電源接口；

5）通過按動開機按鍵，啟動實驗箱控制單元，顯示屏顯示當(dāng)前培養(yǎng)皿艙室中的濕度，實驗人員可通過濕度調(diào)高、調(diào)低兩個按鍵選擇目標(biāo)濕度，按下確定按鍵，控制單元即可按照既定程序開始工作，并通過實驗箱側(cè)方的4G天線將實驗過程中的濕度數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器存儲。

2 裝置硬件電路設(shè)計

為了防止污染恒溫恒濕箱及交叉感染，本文設(shè)計的無菌恒濕系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。按照實驗?zāi)康暮鸵?，對控制部分的硬件進(jìn)行選型，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其主要由7個部分組成：單片機、SHT10空氣溫濕度傳感器、氣泵、4G模塊、按鍵、LCD顯示屏和電源供給模塊。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

本文所采用的MCU是STM32F103ZET6，STM32采用32位Cortex-M3內(nèi)核，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑、寄存器以及存儲接口都為32位。為了使得取指令以及數(shù)據(jù)訪問之間不沖突，CM3采用的是哈弗結(jié)構(gòu)。CM3處理器是Cortex系列的首款產(chǎn)品，采用的是最新的設(shè)計技術(shù)，在同樣的主頻之下，可以完成更多的任務(wù)，同時其具有低功耗以及高實時性的特點[8-10]。

空氣溫濕度傳感器選用SHT10，其電路原理圖如圖4所示。SHT10采用高分子PE材料濾芯，在保證測量度的同時濾除灰塵，對高速流動的氣體起到緩沖作用，使測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，其溫度量程范圍是-40～123℃，誤差為±5℃；濕度量程范圍是0%RH～100%RH，誤差為±4.5%RH，滿足實驗要求。

圖4 空氣溫濕度傳感器SHT10

電機驅(qū)動模塊選用的是L298N，其電路原理圖如圖5所示。L298N可以直接驅(qū)動兩路3～30 V直流電機，并且支持MCU控制，可以方便地控制直流電機的速度和方向。氣泵選用的是EDLP600，它是一款微型隔膜泵，根據(jù)容積式泵的原理設(shè)計而成，有電機轉(zhuǎn)動提供動力，通過電機軸上的偏心輪，驅(qū)動橡膠循環(huán)、往復(fù)運動，在腔體里面形成吸、排動作，通過單向閥的閉合/打開，從而達(dá)到吸入和排出氣體的作用。其具有體積小、低噪音、免維護(hù)、壽命長、應(yīng)用廣、密封性好等特點。

圖5 L298N電機驅(qū)動模塊

無線通信模塊選用億佰特的E840-TTL-4G02模塊，其電路原理圖如圖6所示。4G的無線通信信號更加穩(wěn)定，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，兼容性也更加平滑，通信質(zhì)量更高。在某些WiFi未覆蓋區(qū)域或某些WiFi網(wǎng)絡(luò)差的區(qū)域，4G無疑有更大的優(yōu)勢。使用4G模塊進(jìn)行通信可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院图磿r性[11]，同時數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，也能供后續(xù)科研實驗使用。

圖6 E840-TTL-4G02電路原理圖

本裝置采用220 V交流供電，使用開關(guān)電源220 V轉(zhuǎn)12 V，以獲得穩(wěn)定的12 V直流電壓。使用MP1584電源轉(zhuǎn)換模塊獲取穩(wěn)定的5 V直流電壓，使用ASM1117穩(wěn)壓模塊獲取3.3 V直流電壓，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 電源供給系統(tǒng)

人機交互模塊包括按鍵，LCD顯示屏，用戶可以通過按鍵選擇目標(biāo)濕度，并通過LCD顯示屏直觀觀察到裝置內(nèi)部實時溫濕度變化。

3 模糊PID控制

模糊PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示[12-14]。

由圖8可知，模糊控制由5個控制變量：e()t為輸入偏差值；ec()t為輸入偏差變化率值；kP為比例因子；kI為積分因子；kD為微分因子。

圖8 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

本文裝置設(shè)計的模糊推理系統(tǒng)為兩輸入三輸出系統(tǒng)，e(t)，ec(t)為模糊輸入，模糊控制系統(tǒng)經(jīng)模糊化、模糊推理、解模糊實時整定kP，kI，kD三個參數(shù)，他們的論域分別為NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB七個等級，輸入變量的范圍為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；輸出的變量范圍為{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。他們的隸屬度函數(shù)都采用三角形分布。其控制規(guī)則如下：

1.If（e is NB）and（ec is NB）then（kp is PB，ki is NB，kd is PS）else；

2.If（e is NB）and（ec is NM）then（kp is PB，ki is NB，kd is NS）else。

4 結(jié)果分析

4.1 裝置組裝

無菌恒濕實驗箱由三個艙室組成：培養(yǎng)皿艙室、水箱和干燥管艙室、控制艙室。整個裝置由15 mm厚的透明亞克力板制作而成，并且在培養(yǎng)皿艙室中，艙門上裝有密封圈，培養(yǎng)皿艙室艙門四周裝有彈簧卡扣，用來鎖緊艙門并壓緊密封圈，消除艙門與艙室的縫隙，管道插頭和傳感器都由玻璃膠固定封死，有效地保證其內(nèi)部氣密性及無菌效果。水箱和干燥管控制室內(nèi)裝有的水箱和干燥管，水箱中并沒有放置超聲波加濕器，因為培養(yǎng)皿艙室內(nèi)部空間較小，僅靠水汽自然揮發(fā)就可以達(dá)到實驗效果，并利用干燥管是向培養(yǎng)皿艙室中通干空氣，達(dá)到除濕目的。

4.2 運行結(jié)果

在濕度控制過程中設(shè)置加濕目標(biāo)相對濕度為50%RH，其對應(yīng)的濕度控制實際采樣曲線如圖9所示。從初始相對濕度35%RH升至50%RH，記錄的時間為1 h，設(shè)置1 s采1次數(shù)據(jù)，延遲1 s，實際每間隔2.5 s采樣1次數(shù)據(jù)，可以從圖9中看出，濕度波動范圍較小，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)情況下，濕度最大達(dá)到50.6%RH，最小為49.6%RH，誤差為±1%RH。設(shè)置除濕目標(biāo)濕度為40%RH，初始濕度為55%RH，記錄的時間為1 h，在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)情況下，相對濕度最大達(dá)到40.3%RH，最小為39.8%RH，誤差為±1%RH。綜上，雖然相對濕度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間耗時較長，但培養(yǎng)艙室內(nèi)部濕度波動更加穩(wěn)定，可以為實驗細(xì)胞提供良好的生長環(huán)境，同時達(dá)到實驗要求。

圖9 濕度控制曲線

5 結(jié) 論

本文針對細(xì)胞體外培養(yǎng)技術(shù)中的技術(shù)難點，分析現(xiàn)有恒溫恒濕箱的特點，提出一種基于模糊PID控制的無菌恒濕實驗裝置。文中首先設(shè)計了整個裝置的硬件部分，其次設(shè)計了整個裝置的軟件流程，最后提出整個裝置的相對濕度模型及模糊PID控制推理系統(tǒng)。通過實驗表明，本文裝置可以很好地解決體外培養(yǎng)技術(shù)中的技術(shù)難點，整個系統(tǒng)為閉環(huán)循環(huán)，不與外界接觸，減小了實驗細(xì)胞和培養(yǎng)箱外部交叉感染的概率，并且通過實測裝置內(nèi)部濕度控制箱內(nèi)情況，可以看出本裝置響應(yīng)速度快，控制算法精度高，超調(diào)小。本文裝置可大大提升科研數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，對細(xì)胞培養(yǎng)的精確控制具有推廣性意義。