電熱恒溫培養(yǎng)箱的智能控溫系統(tǒng)

　　隨著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，體外培養(yǎng)已成為科研工作中的常用方法，其中電熱恒溫培養(yǎng)箱是一個(gè)非常重要的設(shè)備。人工體外培養(yǎng)需通過(guò)控制一定的溫度、濕度、氣體濃度等指標(biāo)人工制造微生物、細(xì)胞和細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的接近活體實(shí)際生存環(huán)境。培養(yǎng)箱的溫濕度是最基本的指標(biāo)，溫濕度控制系統(tǒng)是培養(yǎng)箱的核心，其控制水平的高低是關(guān)系到培養(yǎng)箱性能的主要指標(biāo)。由于恒溫恒濕試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)是一個(gè)具有多變量、非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，常規(guī)的控制方法對(duì)這種復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)有效控制存在很大困難。本設(shè)計(jì)對(duì)溫度控制采取 Fuzzy-PID 控制器并行工作的策略，濕度控制采取傳統(tǒng)的 PID 控制算法，以提高培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的性能及質(zhì)量。

　　1 FUZZY-PID 控制

　　PID 控制適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高等特點(diǎn)。PID 控制的關(guān)鍵是 PID 參數(shù)的整定。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于被控對(duì)象或過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，具有非線性，時(shí)變不確定性和純滯后性；在噪聲，負(fù)載干擾等影響下，過(guò)程參數(shù)隨時(shí)間以及工作環(huán)境的變化而變化，此時(shí) PID 控制效果不理想。

　　以誤差和誤差變化率作為輸入變量的二維模糊控制具有比例、微分控制作用，但缺少積分控制作用，控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)誤差大。將PID 控制引入到模糊控制器中，將模糊控制與 PID 控制結(jié)合，構(gòu)成FUZZY-PID 復(fù)合控制器，就可揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)特點(diǎn)，又具有 PID 控制精度高特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的穩(wěn)態(tài)精度。

　　電熱恒溫培養(yǎng)箱為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，培養(yǎng)箱要求對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行高精度控制。傳統(tǒng) PID 控制器在工作點(diǎn)附近有理想線性特性，模糊控制方法無(wú)須建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，在偏離工作點(diǎn)的區(qū)域可改善控制的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制能力，魯棒性較好的特性。對(duì)溫度采取 Fuzzy--PID 控制并行工作的策略，濕度控制采取傳統(tǒng)的 PID 控制算法，溫度、濕度獨(dú)立控制。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　電熱恒溫培養(yǎng)箱提供體外的培養(yǎng)環(huán)境主要由溫度、濕度兩個(gè)指標(biāo)衡量，屬于多輸入控制系統(tǒng)的集合體。整體設(shè)計(jì)可劃分為恒溫控制與恒濕控制兩大核心控制系統(tǒng)和按鍵、顯示、聲光報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下載輔助系統(tǒng)。恒溫系統(tǒng)完成溫度的閉環(huán)控制，其工作過(guò)程可概括為：MCU 系統(tǒng)按控制算法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出的控制量傳送到驅(qū)動(dòng)電路，從而控制起加熱功能的電熱器的通斷、以及壓縮機(jī)和風(fēng)扇的啟停，使溫度達(dá)到目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體溫度的控制，因此系統(tǒng)包含傳感器檢測(cè)、信號(hào)處理、MCU 控制、人機(jī)交互系統(tǒng)和電源等功能模塊。恒濕系統(tǒng)完成濕度恒定的功能，與恒溫系統(tǒng)工作過(guò)程類似。MCU 系統(tǒng)按照一定的控制算法對(duì)濕度信息處理，控制輸出量傳送到驅(qū)動(dòng)電路，在空氣自然交換的基礎(chǔ)上控制霧化器的工作，使?jié)穸冗_(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體濕度的控制。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)控制單元

　　參照單片機(jī)性價(jià)比，選用 8 位單片機(jī)。

　　溫度檢測(cè)單元：由于集成溫度傳感器抗干擾能力強(qiáng)，溫度與輸出電流線性關(guān)系好，響應(yīng)速度快，信號(hào)調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)因此本設(shè)計(jì)采用集成溫度傳感器。

　　濕度檢測(cè)單元：濕度檢測(cè)采用數(shù)字式傳感器。

　　驅(qū)動(dòng)控制單元：驅(qū)動(dòng)控制單元采用可控硅實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的啟停控制�？煽毓枋菬o(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，可快速接通、切斷電路，功率大、體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠。

　　控制執(zhí)行單元：控制執(zhí)行單元包括電熱管、壓縮機(jī)、霧化器等。

　　人機(jī)交互單元：人機(jī)交互單元包括鍵盤、液晶顯示、發(fā)光二極管、蜂鳴器等。

　　電源電路：系統(tǒng)采用 220V 交流電源供電，通過(guò)直流穩(wěn)壓電源電路為各功能單元提供直流穩(wěn)壓，包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分。為了防范交流供電系統(tǒng)突然斷電，提高電熱恒溫培養(yǎng)箱的可靠性，配備了 8 節(jié) 2400mAh NiMH 電池串聯(lián)組成的后備電源。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)溫、濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的思路

　　單片機(jī)上電復(fù)位后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢與初始化。系統(tǒng)初始化包括的模塊有：輸入/輸出口、RAM 中的變量、堆棧、定時(shí)器、中斷、顯示、ADC 等。初始化完成后進(jìn)入主程序，主程序是執(zhí)行調(diào)度功能的循環(huán)體，各功能模塊以子程序形式存儲(chǔ)由主程序調(diào)用相互獨(dú)立調(diào)試方便。主程序是軟件設(shè)計(jì)的核心，所有子程序的工作狀態(tài)由主程序管理。主程序判斷各個(gè)狀態(tài)的入口條件，條件成立就轉(zhuǎn)向子程序的運(yùn)行，子程序處理完對(duì)應(yīng)的事務(wù)后再返回主程序。主程序在程序上電復(fù)位后，首先對(duì)各工作模塊進(jìn)行必要的初始化工作，主要包括中斷設(shè)置、外圍接口的輸入輸出方式設(shè)置等。

　　軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控程序和各應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，分為總體設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。電熱恒溫培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括如下幾方面：

　　信息采集：主要包括溫度、濕度測(cè)量。單片機(jī)內(nèi)部的 ADC 將采集的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。定時(shí)、計(jì)數(shù)器作為采樣時(shí)鐘。采用滑動(dòng)濾波方式消除異常值，消除脈沖信號(hào)干擾，提高測(cè)量精度。

　　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸出控制箱體內(nèi)的風(fēng)扇、壓縮機(jī)、電熱管、霧化器，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體溫濕度的控制。在一個(gè)控制周期中，使用定時(shí)、計(jì)數(shù)器定時(shí)，采用脈寬調(diào)制信號(hào) PWM 作為輸出控制信號(hào)，提高執(zhí)行部件工作時(shí)間的精確度。

　　控制算法設(shè)計(jì)：對(duì)采樣的溫、濕度數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)控制算法計(jì)算輸出的控制量�？刂扑惴ò�括 PID 控制、模糊控制、二維插值和浮點(diǎn)數(shù)處理等計(jì)算。

　　顯示設(shè)計(jì)：主要是液晶板顯示。在系統(tǒng)初始化時(shí)顯示主界面，在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度、運(yùn)行時(shí)間和狀態(tài)，當(dāng)有按鍵操作時(shí)顯示界面切換到設(shè)置界面，在數(shù)據(jù)下載過(guò)程中，顯示存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)、下載狀態(tài)和結(jié)果。

　　按鍵設(shè)計(jì)：鍵盤采樣中斷方式監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)、溫濕度目標(biāo)值與運(yùn)行時(shí)間的設(shè)置，消除報(bào)警等功能。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下載設(shè)計(jì)：在每個(gè)控制周期的起始時(shí)刻，將當(dāng)前溫度、濕度數(shù)據(jù)寫入 EPROM，當(dāng)運(yùn)行完成插入 USB 設(shè)備時(shí)先讀取設(shè)備的剩余空間，再將 EPROM 中數(shù)據(jù)寫入 USB 設(shè)備。

　　報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)：當(dāng)溫度或濕度超過(guò)設(shè)置的數(shù)據(jù)或運(yùn)行完成時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管等進(jìn)行聲光報(bào)警。

　　5 結(jié)論

　　以單片機(jī)為控制芯片的溫、濕度控制系統(tǒng)由于在溫度控制上采取 Fuzzy-PID 控制器并行工作的策略，濕度控制上采取了 PID 控制算法，使得電熱恒溫培養(yǎng)箱工作穩(wěn)定、可靠，實(shí)用性強(qiáng)可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療科學(xué)研究。能實(shí)現(xiàn)控溫范圍+5~50℃，室溫 28℃到設(shè)定 36.5℃的穩(wěn)定時(shí)間≤2min，恒溫波動(dòng)≤±0.3℃ ，相對(duì)飽和濕度達(dá)到 80% 的預(yù)期指標(biāo)。