基于微生物培养的高精度低成本温控仪研制

2014-05-16苗凤娟陶佰睿刘统凯吴凌斌

实验室研究与探索 2014年5期

关键词：液晶屏电路设计键盘

苗凤娟，王喆，陶佰睿，刘统凯，吴凌斌

（齐齐哈尔大学电子与通信工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

基于微生物培养的高精度低成本温控仪研制

苗凤娟，王喆，陶佰睿，刘统凯，吴凌斌

（齐齐哈尔大学电子与通信工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

基于模块化结构设计，采用STC89C52RC单片机、DS18B20温度传感器、PTC加热器和TEC1-12706半导体制冷片，通过6、9、12 V不同的电压和脉宽调制技术，运用模糊控制算法，实时比较采集到的环境温度值与预设温度阈值关系，智能调节，能快速达到恒温状态，操作简单方便。基于硬件软件化思路，简化复杂电路，降低经济成本，便于维护。实验测试表明，恒温控制精度±0.1℃。

微生物培养;智能温控系统;单片机;PTC加热器;半导体制冷片

0 引言

温度是工业生产和科学实验中重要的参数之一［1］，特别是在细胞培养等项目中［2］。温度过低细胞生长缓慢，甚至停止生长;温度过高会导致细胞变质甚至死亡［3］。因此，温度控制热台在微生物的培养研究中有重要的作用。现有的温度控制仪热台大多只进行加热或制冷控制［4-5］，而且对于精度的控制很多时候也无法满足人们的要求［6］，个别温度控制系统由于价格较高、操作复杂等原因又限制了在中小企业生产实际中的应用［7-8］。使用传统调节器容易引起系统超调和振荡以及系统参数的变化［9-10］，这种随机产生的和不可准确预计的变化，增加了高精度温度控制的难度。而ARM、DSP在普通的控制系统中，很多接口功能都没有应用，造成资源浪费，同时增加了成本［11］。

本文根据实际需求，基于降低成本，提高精确度方面出发，硬件电路大部分通过软件来实现，大大降低经济成本，通过键盘设定温度同采集的DS18B20温度进行比较，设计了基于单片机的微生物培养的温控仪热台。当温差超过±2℃，控制半导体快速升温或降温，智能精确性、实时性的满足生产和科研、教学的需要［12］，符合当今智能系统低成本比、精确度、操作简单容易维护的发展趋势［13］。

1 温度控制系统设计及工作原理

该温控仪热台由单片机控制、温度控制、矩阵键盘电路设置、温度显示模块构成。系统设计框图如图1所示。

图1 总体框图

2 系统硬件构成及电路设计

硬件系统由以STC89C52RC单片机为核心的最小系统、温度控制系统、矩阵键盘电路和液晶显示电路构成。

选用TEC1-12706制冷片、PTC加热片实现高精度温度控制。传统的Pt100成本高，受温度变化大，精度一般［14］，而PTC加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势［15-16］。可以放在空气中干烧、置于液体的缸体底部或与固体介质接触，本文采用金属介质接触工作，传导热量。

当PTC加热片两端加上不同的电压时，PTC加热片稳定后的温度也不相同，经过测量，如表1所示。

表1 PTC所加电压与表面平衡温度

2.1 稳压电路的设计

该设计中用到了5、6、9与12 V直流电压，其中5、6、9 V直流电压都是通过不同的稳压芯片由12 V直流电压稳压得来。由于单片机、液晶屏和DS18B20芯片需要5 V电压供电。在5 V电路中，选用LM7805稳压芯片，分别在输入端相连470、100 μF极性电容，起到滤波的作用。2个 0.33、0.1 μF 非极性电容，防止电路产生自激震荡现象。在6、9 V电路中分别选用L7806CP、L7809CP芯片，只进行滤波处理，在输入端连2个100 μF电容，为PTC加热提供直流电压。

2.2 单片机最小系统电路设计

当RST管脚保持10 ms以上高电平时单片机选择复位，设计了2种复位方式:上电自动复位和手动复位。上电自动复位主要是通过10 μF极性电容的作用复位;手动复位是指通过手动按下按键达到复位的效果，手动复位平时用不到，但是当程序跑飞时，通过该按键可以使系统复位，程序从第一条指令开始执行。

2.3 温度控制系统电路设计

温度控制系统由温度采集电路、制冷电路和加热电路组成。在本设计中采取DS18B20独立供电方式。由于51系列单片机的输出电流能力有限，无法直接驱动制冷芯片，所以在制冷电路中用到继电器模块。

加热装置将加热模块的正引脚与继电器模块的COMMON端相连;负引脚接地。该加热电路中一共使用了3个继电器模块，这一设计可在不同的情况下选择6、9、12 V电压的直流电源为PTC加热片进行供电，使系统更加智能化、节能化［11］。

2.4 矩阵键盘/液晶显示电路设计

(1)矩阵键盘电路设计。该矩阵键盘的工作过程中单片机上电后I/O口默认为高电平。将P1.4口置为低电平，然后检测P1.0～P1.3的输入值，如果检测到P1.0为低电平，说明S1键被按下。通过检测P1.0～P1.3的输入值可是识别出其余的按键。

(2)液晶显示电路设计。选取了LCD1602液晶屏作为显示电路，通过改变与VL引脚相连的电阻大小可以调节屏幕的对比度，根据多次试验，选择阻值为4.7 kΩ的电阻，可以保证字体清晰。

3 系统软件设计

系统的应用软件用C语言编写，各部分子程序采用模块化设计，这样便于软件的升级和维护。系统软件实现自动检测、闭环控制、文件管理功能。总流程如图2所示。

3.1 系统初始化程序设计

系统初始化主要指液晶屏的初始化。系统上电后，液晶屏输出字符提示，当从键盘输入设定的温度值后，单片机会随即采集环境温度，并显示在液晶屏上。液晶初始化流程如图3所示。

3.2 温度采集电路程序设计

由DS18B20温度传感器实现温度采集功能，该芯片实时采集局部环境温度，并通过“一线总线”的方式与单片机进行数据通信，单片机对采集到的环境温度和预设的温度值进行数据分析后，以不同的方式进行制冷或加热处理［11］。

图2 软件设计总流程图

图3 液晶屏初始化流程图

当实际温度超出设定温度2℃以上时，启动加热或制冷装置。高效的控制算法对整个系统起到关键作用，模糊控制技术是基于模仿人的思维方式，对模糊信息提供一种控制机制［12］。系统利用双输入单输出的模糊控制模式，在进行C编程时，建立二维数组模糊查表法，在预设定的控制范围内，宏定义2个量化因子e，ec，通过查询二维数组表，得出需要的加热时间。温度调节程序流程如图4所示。

3.3 矩阵键盘/液晶显示程序设计

在对按键进行检测时进行消抖处理，避免由于意外因素导致的错误检测，设计通过二次确认的方法进行消抖处理。当按键释放后即进行按键事件的处理，在液晶屏上显示数据时，首先需要确认从哪个位置开始显示矩阵液晶屏，通过向液晶写入不同指针地址来改变字符的显示位置，数据指针可以配置为自动加1，避免了对指针地址的重复操作。在确定了字符在液晶上的显示位置后，只需要通过调用for循环函数向液晶屏发送需要显示的数据。液晶屏程序设计见图5。

图4 温度调节程序流程图

图5 矩阵键盘/液晶屏程序设计

4 实验数据

实验采用红外热成像仪对实验结果进行测试，温控系统从10～55℃每隔5℃进行测试，记录一次温度数据，然后重复10次取平均值，如表2所示。

从表2可以看出，在10～55℃范围内，温控系统的误差为0.1℃，达到设计要求。

5 结语

本文研制的显微镜温控仪热台，高精度、低成本是本系统的一个突出优点，而具温度稳定性好、加热制冷迅速，并且抗干扰能力强，扩展方便，智能节能化，方便控制等特点，控制精度±0.1℃，能够满足微生物培养的要求，在科研和实际生产中具有很好的推广和应用价值。根据不同用户对性能和成本的需求，该温控系统还可以在人机界面等方面做进一步改进。

表2 温控仪温控静态误差实验结果 ℃

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Research of High Precision and Low Cost Temperature Controller for Microbial Culture

MIAO Feng-juan，WANG Zhe，TAO Bai-rui，LIU Tong-kai，WU Ling-bin
(Electronic and Communication Engineering College，Qiqihar University，Qiqihar 161000，China)

To meet the purpose of high precision and low cost，and easy to user operation，this paper uses cheap STC89C52RC microcontroller，DS18B20 temperature sensor，PTC heater and TEC1-12706 semiconductor refrigeration piece，to designed a low cost micro-operation platform of intelligent temperature control system.Through the 6，9，12 V three different voltages pulse width modulation technology，and fuzzy control algorithm，the system can compare the realtime environment temperature to the preset temperature threshold，and intelligently regulate microscope micro operation platform to quickly reach a state of constant temperature.Temperature control precision is ±0.1 ℃.The system has certain value of application and popularization.

microbial culture;intelligent temperature control system;single-chip microprocessor;PTC heater;semiconductor refrigeration slices

TP 273+.4

1006－7167(2014)05－0049－04