電熱恒溫培養(yǎng)箱的智能控溫系統(tǒng)

　　隨著科學的進步與發(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)箱是一個非常重要的設備。人工體外培養(yǎng)需通過控制一定的溫度、濕度、氣體濃度等指標人工制造微生物、細胞和細菌生長繁殖的接近活體實際生存環(huán)境。培養(yǎng)箱的溫濕度是最基本的指標，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系到培養(yǎng)箱性能的主要指標。由于恒溫恒濕試驗箱控制系統(tǒng)是一個具有多變量、非線性、大時滯、強耦合的系統(tǒng)，常規(guī)的控制方法對這種復雜系統(tǒng)的實時有效控制存在很大困難。本設計對溫度控制采取 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)學模型的確定性控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高等特點。PID 控制的關鍵是 PID 參數(shù)的整定。在實際的應用中，由于被控對象或過程機理復雜，具有非線性，時變不確定性和純滯后性；在噪聲，負載干擾等影響下，過程參數(shù)隨時間以及工作環(huán)境的變化而變化，此時 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)達到穩(wěn)態(tài)時誤差大。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 復合控制器，就可揚長避短，既具有模糊控制的靈活、適應性強特點，又具有 PID 控制精度高特點，使系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應，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)箱要求對溫度信號進行高精度控制。傳統(tǒng) PID 控制器在工作點附近有理想線性特性，模糊控制方法無須建立被控對象數(shù)學模型，在偏離工作點的區(qū)域可改善控制的動態(tài)性能，同時對噪聲也有較強的抑制能力，魯棒性較好的特性。對溫度采取 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、濕度獨立控制。

　　2 系統(tǒng)整體設計

　　電熱恒溫培養(yǎng)箱提供體外的培養(yǎng)環(huán)境主要由溫度、濕度兩個指標衡量，屬于多輸入控制系統(tǒng)的集合體。整體設計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、聲光報警和數(shù)據(jù)存儲下載輔助系統(tǒng)。恒溫系統(tǒng)完成溫度的閉環(huán)控制，其工作過程可概括為：MCU 系統(tǒng)按控制算法對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理，輸出的控制量傳送到驅(qū)動電路，從而控制起加熱功能的電熱器的通斷、以及壓縮機和風扇的啟停，使溫度達到目標值，實現(xiàn)對箱體溫度的控制，因此系統(tǒng)包含傳感器檢測、信號處理、MCU 控制、人機交互系統(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)工作過程類似。MCU 系統(tǒng)按照一定的控制算法對濕度信息處理，控制輸出量傳送到驅(qū)動電路，在空氣自然交換的基礎上控制霧化器的工作，使?jié)穸冗_到設定值，實現(xiàn)對箱體濕度的控制。

　　3 系統(tǒng)硬件設計單片機控制單元

　　參照單片機性價比，選用 8 位單片機。

　　溫度檢測單元：由于集成溫度傳感器抗干擾能力強，溫度與輸出電流線性關系好，響應速度快，信號調(diào)理電路容易實現(xiàn)因此本設計采用集成溫度傳感器。

　　濕度檢測單元：濕度檢測采用數(shù)字式傳感器。

　　驅(qū)動控制單元：驅(qū)動控制單元采用可控硅實現(xiàn)被控對象的啟�？刂��？煽毓枋菬o觸點開關，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、霧化器等。

　　人機交互單元：人機交互單元包括鍵盤、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)軟件設計溫、濕度控制系統(tǒng)軟件設計的思路

　　單片機上電復位后，對系統(tǒng)進行自檢與初始化。系統(tǒng)初始化包括的模塊有：輸入/輸出口、RAM 中的變量、堆棧、定時器、中斷、顯示、ADC 等。初始化完成后進入主程序，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由主程序調(diào)用相互獨立調(diào)試方便。主程序是軟件設計的核心，所有子程序的工作狀態(tài)由主程序管理。主程序判斷各個狀態(tài)的入口條件，條件成立就轉(zhuǎn)向子程序的運行，子程序處理完對應的事務后再返回主程序。主程序在程序上電復位后，首先對各工作模塊進行必要的初始化工作，主要包括中斷設置、外圍接口的輸入輸出方式設置等。

　　軟件設計包括監(jiān)控程序和各應用程序的設計，分為總體設計和模塊設計兩個階段。電熱恒溫培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的軟件設計任務主要包括如下幾方面：

　　信息采集：主要包括溫度、濕度測量。單片機內(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、計數(shù)器作為采樣時鐘。采用滑動濾波方式消除異常值，消除脈沖信號干擾，提高測量精度。

　　控制系統(tǒng)設計：單片機的輸出控制箱體內(nèi)的風扇、壓縮機、電熱管、霧化器，實現(xiàn)對箱體溫濕度的控制。在一個控制周期中，使用定時、計數(shù)器定時，采用脈寬調(diào)制信號 PWM 作為輸出控制信號，提高執(zhí)行部件工作時間的精確度。

　　控制算法設計：對采樣的溫、濕度數(shù)據(jù)，單片機通過控制算法計算輸出的控制量。控制算法包括 PID 控制、模糊控制、二維插值和浮點數(shù)處理等計算。

　　顯示設計：主要是液晶板顯示。在系統(tǒng)初始化時顯示主界面，在運行過程中實時顯示溫度、濕度、運行時間和狀態(tài)，當有按鍵操作時顯示界面切換到設置界面，在數(shù)據(jù)下載過程中，顯示存儲設備狀態(tài)、下載狀態(tài)和結(jié)果。

　　按鍵設計：鍵盤采樣中斷方式監(jiān)控，實現(xiàn)開關機、溫濕度目標值與運行時間的設置，消除報警等功能。

　　數(shù)據(jù)存儲下載設計：在每個控制周期的起始時刻，將當前溫度、濕度數(shù)據(jù)寫入 EPROM，當運行完成插入 USB 設備時先讀取設備的剩余空間，再將 EPROM 中數(shù)據(jù)寫入 USB 設備。

　　報警系統(tǒng)設計：當溫度或濕度超過設置的數(shù)據(jù)或運行完成時，單片機輸出控制信號，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管等進行聲光報警。

　　5 結(jié)論

　　以單片機為控制芯片的溫、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，實用性強可以廣泛應用于醫(yī)療科學研究。能實現(xiàn)控溫范圍+5~50℃，室溫 28℃到設定 36.5℃的穩(wěn)定時間≤2min，恒溫波動≤±0.3℃ ，相對飽和濕度達到 80% 的預期指標。