电热恒温培养箱的智能控温系统

来源： http://www.polyscience.com.cn/ 　类别：技术文章　更新时间：2013-12-05　阅读次

　　随着科学的进步与发展，体外培养已成为科研工作中的常用方法，其中电热恒温培养箱是一个非常重要的设备。人工体外培养需通过控制一定的温度、湿度、气体浓度等指标人工制造微生物、细胞和细菌生长繁殖的接近活体实际生存环境。培养箱的温湿度是最基本的指标，温湿度控制系统是培养箱的核心，其控制水平的高低是关系到培养箱性能的主要指标。由于恒温恒湿试验箱控制系统是一个具有多变量、非线性、大时滞、强耦合的系统，常规的控制方法对这种复杂系统的实时有效控制存在很大困难。本设计对温度控制采取 Fuzzy-PID 控制器并行工作的策略，湿度控制采取传统的 PID 控制算法，以提高培养箱控制系统的性能及质量。

　　1 FUZZY-PID 控制

　　PID 控制适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，具有结构简单，稳定性好，可靠性高等特点。PID 控制的关键是 PID 参数的整定。在实际的应用中，由于被控对象或过程机理复杂，具有非线性，时变不确定性和纯滞后性；在噪声，负载干扰等影响下，过程参数随时间以及工作环境的变化而变化，此时 PID 控制效果不理想。

　　以误差和误差变化率作为输入变量的二维模糊控制具有比例、微分控制作用，但缺少积分控制作用，控制系统达到稳态时误差大。将PID 控制引入到模糊控制器中，将模糊控制与 PID 控制结合，构成FUZZY-PID 复合控制器，就可扬长避短，既具有模糊控制的灵活、适应性强特点，又具有 PID 控制精度高特点，使系统具有较快的动态响应，较高的稳态精度。

　　电热恒温培养箱为双输入双输出系统，培养箱要求对温度信号进行高精度控制。传统 PID 控制器在工作点附近有理想线性特性，模糊控制方法无须建立被控对象数学模型，在偏离工作点的区域可改善控制的动态性能，同时对噪声也有较强的抑制能力，鲁棒性较好的特性。对温度采取 Fuzzy--PID 控制并行工作的策略，湿度控制采取传统的 PID 控制算法，温度、湿度独立控制。

　　2 系统整体设计

　　电热恒温培养箱提供体外的培养环境主要由温度、湿度两个指标衡量，属于多输入控制系统的集合体。整体设计可划分为恒温控制与恒湿控制两大核心控制系统和按键、显示、声光报警和数据存储下载辅助系统。恒温系统完成温度的闭环控制，其工作过程可概括为：MCU 系统按控制算法对采集的温度数据进行处理，输出的控制量传送到驱动电路，从而控制起加热功能的电热器的通断、以及压缩机和风扇的启停，使温度达到目标值，实现对箱体温度的控制，因此系统包含传感器检测、信号处理、MCU 控制、人机交互系统和电源等功能�？�。恒湿系统完成湿度恒定的功能，与恒温系统工作过程类似。MCU 系统按照一定的控制算法对湿度信息处理，控制输出量传送到驱动电路，在空气自然交换的基础上控制雾化器的工作，使湿度达到设定值，实现对箱体湿度的控制。

　　3 系统硬件设计单片机控制单元

　　参照单片机性价比，选用 8 位单片机。

　　温度检测单元：由于集成温度传感器抗干扰能力强，温度与输出电流线性关系好，响应速度快，信号调理电路容易实现因此本设计采用集成温度传感器。

　　湿度检测单元：湿度检测采用数字式传感器。

　　驱动控制单元：驱动控制单元采用可控硅实现被控对象的启停控制。可控硅是无触点开关，可快速接通、切断电路，功率大、体积小、效率高、稳定性好、工作可靠。

　　控制执行单元：控制执行单元包括电热管、压缩机、雾化器等。

　　人机交互单元：人机交互单元包括键盘、液晶显示、发光二极管、蜂鸣器等。

　　电源电路：系统采用 220V 交流电源供电，通过直流稳压电源电路为各功能单元提供直流稳压，包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分。为了防范交流供电系统突然断电，提高电热恒温培养箱的可靠性，配备了 8 节 2400mAh NiMH 电池串联组成的后备电源。

　　4 系统软件设计温、湿度控制系统软件设计的思路

　　单片机上电复位后，对系统进行自检与初始化。系统初始化包括的模块有：输入/输出口、RAM 中的变量、堆栈、定时器、中断、显示、ADC 等。初始化完成后进入主程序，主程序是执行调度功能的循环体，各功能�？橐宰映绦蛐问酱娲⒂芍鞒绦虻饔孟嗷ザ懒⒌魇苑奖�。主程序是软件设计的核心，所有子程序的工作状态由主程序管理。主程序判断各个状态的入口条件，条件成立就转向子程序的运行，子程序处理完对应的事务后再返回主程序。主程序在程序上电复位后，首先对各工作�？榻斜匾某跏蓟ぷ�，主要包括中断设置、外围接口的输入输出方式设置等。

　　软件设计包括监控程序和各应用程序的设计，分为总体设计和�？樯杓屏礁鼋锥巍５缛群阄屡嘌淇刂葡低车娜砑杓迫挝裰饕ㄈ缦录阜矫妫�

　　信息采集：主要包括温度、湿度测量。单片机内部的 ADC 将采集的模拟量数据转换为数字量。定时、计数器作为采样时钟。采用滑动滤波方式消除异常值，消除脉冲信号干扰，提高测量精度。

　　控制系统设计：单片机的输出控制箱体内的风扇、压缩机、电热管、雾化器，实现对箱体温湿度的控制。在一个控制周期中，使用定时、计数器定时，采用脉宽调制信号 PWM 作为输出控制信号，提高执行部件工作时间的精确度。

　　控制算法设计：对采样的温、湿度数据，单片机通过控制算法计算输出的控制量。控制算法包括 PID 控制、模糊控制、二维插值和浮点数处理等计算。

　　显示设计：主要是液晶板显示。在系统初始化时显示主界面，在运行过程中实时显示温度、湿度、运行时间和状态，当有按键操作时显示界面切换到设置界面，在数据下载过程中，显示存储设备状态、下载状态和结果。

　　按键设计：键盘采样中断方式监控，实现开关机、温湿度目标值与运行时间的设置，消除报警等功能。

　　数据存储下载设计：在每个控制周期的起始时刻，将当前温度、湿度数据写入 EPROM，当运行完成插入 USB 设备时先读取设备的剩余空间，再将 EPROM 中数据写入 USB 设备。

　　报警系统设计：当温度或湿度超过设置的数据或运行完成时，单片机输出控制信号，驱动蜂鸣器和发光二极管等进行声光报警。

　　5 结论

　　以单片机为控制芯片的温、湿度控制系统由于在温度控制上采取 Fuzzy-PID 控制器并行工作的策略，湿度控制上采取了 PID 控制算法，使得电热恒温培养箱工作稳定、可靠，实用性强可以广泛应用于医疗科学研究。能实现控温范围+5~50℃，室温 28℃到设定 36.5℃的稳定时间≤2min，恒温波动≤±0.3℃ ，相对饱和湿度达到 80% 的预期指标。