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恒溫恒濕培養(yǎng)箱智能控制系統(tǒng)研究
喆圖工程師對恒溫恒濕培養(yǎng)箱智能控制系統(tǒng)有所研究，以下是幾點(diǎn)研究內(nèi)容：
1、體外培養(yǎng)技術(shù)
體外培養(yǎng)技術(shù)是科研工作的重要手段，被醫(yī)療等多種學(xué)科所利用，培養(yǎng)箱是主要的使用設(shè)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(biāo)人工制造微生物、細(xì)胞和細(xì)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zui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)。由于恒溫恒濕試驗箱控制系統(tǒng)是一個具有多變量、非線性、大時滯、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，常規(guī)的控制方法對這種復(fù)雜系統(tǒng)的實時有效控制存在很大困難。本設(shè)計對溫度控制采取 Fuzzy-PID 控制養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的性能及質(zhì)量。
1 FUZZY-PID 控制
PID 控制適用于可建立數(shù)學(xué)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(diǎn)。PID 控制的關(guān)鍵是 PID 參數(shù)的整定。在實際的應(yīng)用中，由于被控對象或過程機(jī)理復(fù)雜，具有非線性，時變不確定性和純滯后性；在噪聲，負(fù)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(dá)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(fù)合控制器，就可揚(yáng)長避短，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)具有較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的穩(wěn)態(tài)精度。
恒溫恒濕培養(yǎng)箱為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，培養(yǎng)箱要求對溫度信號進(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，模糊控制方法無須建立被控對象數(shù)學(xué)模型，在偏離工作點(diǎn)的區(qū)域可改善控制的動態(tài)性能，同時對噪聲也有較強(qiáng)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(dú)立控制。
2、系統(tǒng)整體設(shè)計
恒溫恒濕培養(yǎng)箱提供體外的培養(yǎng)環(huán)境主要由溫度、濕度兩個指標(biāo)衡量，屬于多輸入控制系統(tǒng)的集合體。整體設(shè)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(jìn)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(jī)和風(fēng)扇的啟停，使溫度達(dá)到目標(biāo)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(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(chǔ)上控制霧化器的工作，使?jié)穸冗_(dá)到設(shè)定值，實現(xiàn)對箱體濕度的控制。
3、系統(tǒng)硬件設(shè)計
單片機(jī)控制單元：參照單片機(jī)性價比，選用 8 位單片機(jī)。
溫度檢測單元：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，信號調(diào)理電路容易實現(xiàn)因此本設(shè)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)被控對象的啟停控制。可控硅是無觸點(diǎn)開關(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，提高恒溫恒濕培養(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
溫、濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的思路為：單片機(jī)上電復(fù)位后，對系統(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(yùn)行，子程序處理完對應(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)計包括監(jiān)控程序和各應(yīng)用程序的設(shè)計，分為總體設(shè)計和模塊設(shè)計兩個階段。恒溫恒濕培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計任務(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、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(shè)計：單片機(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)行部件工作時間的度。
控制算法設(shè)計：對采樣的溫、濕度數(shù)據(jù)，單片機(jī)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(diǎn)數(shù)處理等計算。
顯示設(shè)計：主要是液晶板顯示。在系統(tǒng)初始化時顯示主界面，在運(yùn)行過程中實時顯示溫度、濕度、運(yùn)行時間和狀態(tài)，當(dāng)有按鍵操作時顯示界面切換到設(shè)置界面，在數(shù)據(jù)下載過程中，顯示存儲設(shè)備狀態(tài)、下載狀態(tài)和結(jié)果。
按鍵設(shè)計：鍵盤采樣中斷方式監(jiān)控，實現(xiàn)開關(guān)機(jī)、溫濕度目標(biāo)值與運(yùn)行時間的設(shè)置，消除報警等功能。
數(shù)據(jù)存儲下載設(shè)計：在每個控制周期的起始時刻，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。
報警系統(tǒng)設(shè)計：當(dāng)溫度或濕度超過設(shè)置的數(shù)據(jù)或運(yùn)行完成時，單片機(jī)輸出控制信號，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管等進(jìn)行聲光報警。
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，使得恒溫恒濕培養(yǎng)箱工作穩(wěn)定、可靠，實用性強(qiáng)可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療科學(xué)研究。能實現(xiàn)控溫范圍+5~50℃，室溫 28℃到設(shè)定 36.5℃的穩(wěn)定時間≤2min，恒溫波動≤±0.3℃ ，相對飽和濕度達(dá)到 80% 的預(yù)期指標(biāo)。