微生物培养箱温湿度的控制技术

  这种基于单片机的温湿度控制模式，还能轻松实现系统的自检，保证了系统的安全和稳定运行。尤其是在一些环境相对恶劣（高温）的情况下，为了尽最大可能避免单片机出现运行问题，可以在硬件设计上安装报警装置或看门狗电路。当单片机运行荷载超过上限后，这些应急保护设施启动，以此来实现了对单片机的保护。正是基于这种运行特点，单片机在微生物培养箱温湿度控制中也得到了更广泛的应用。此外，单片机的制作成本相对低廉，即便是发生故障或损坏也能重新更换，不可能影响正常的温湿度控制。当然，单片机作为核心控制器，也存在一定的不足，例如编程采用高级的C语言和汇编语言，对于技术人员的专业能力提出了较高要求，如果技术人员不能精通编程，有很大的可能性在系统出现故障后无法及时作出调整，影响微生物培养工作质量。其次，单片机要比较长时间的开发调试，开发周期相对较长，加上单片机自身工作性能不够稳定，也轻易造成在受到外界干扰的情况下，对温湿度控制的精确性达不到要求。

  微生物学在医学卫生、生物工程、工业发酵等领域有广泛应用，在研究微生物结构、功能和生长环境时，都需要借助于微生物培养箱这种设备。温度和湿度是影响微生物存活的两大关键因素，因此在利用微生物培养箱进行微生物培养和观察时，必须要做到对温度、湿度的灵敏调控，以保证微生物实验研究工作的顺利完成。文章首先介绍了两种微生物培养箱温湿度控制算法，随后就如何从技术层面实现温湿度的有效控制进行了分析。

  微生物学的发展，对微生物培养箱的温湿度控制提出了更加严格的要求。传统的温湿度操控方法对硬件设备要求比较高，且不能够实现温度、湿度的自动调控。基于程序语言、传感技术和自动化控制的新型温湿度控制技术，能够准确的通过前端传感器反馈得到的温湿度信号，做出及时、动态的调整，还可以保证参数进度，更好的满足了现阶段微生物培养的要求。随着智能化、信息化技术的逐渐发展，微生物培养箱温湿度控制技术也会慢慢的成熟，为微生物学的发展提供必要的支持。

  [1]刘德胜，王征，魏强.基于模糊蚁群算法的微生物培养箱温湿度控制研究[J].自动化技术与应用，2016，35（8）：30-32.

  [2]戚红卷，史云，陈应亚，等.一种便携式微生物培养箱的研制及效果验证[J].军事医学，2016，40（3）：245-247.

  控制器是微生物培养箱温湿度调控的核心设备，科学选用控制器也成为提高温湿度控制性能的一种有效方法。目前来说，微生物培养箱所选用的温湿度控制器大致上可以分为两大类，一种是单片机（单片微型控制器），一种是PLC（可编程逻辑控制器）。这两种控制器的应用领域不相同，且各有自己的优缺点。

  PID控制器是一种典型的反馈回路控制装置，前端数据采集器将收集到的信号传递到控制单元中，与控制单元内部数据库存储信息作比较，然后将两者之间的差值作为新的输入值，控制完成参数的调整。就目前来看，市场上70%左右的微生物培养箱，都是采用这种传统PID控制算法。这种算法的应用优点是具有较强的自适应能力，能够最终靠技术人员编写的调控指令，对不相同的型号、参数的微生物培养箱做出动态的调整，来提升了经济利用价值。但是随着新技术的应用，这种基于传统算法的控制技术，也逐渐暴露出一些缺陷，例如信息化程度不高，尤其是在一些温湿度要求精度较高的条件下，传统PID算法由于精度达不到要求，而难以满足微生物培养的需要。

  从整体结构上来看，微生物培养箱的功能模块最重要的包含上位机（控制单元）、显示模块、报警模块、数据采集模块等，详细情况如图1所示。

  为了保证温湿度控制效果，微生物培养箱采用3级控制管理系统：终端上位机能轻松实现人机交互，技术人员可以直接将编写好的程序语言输入到终端上位机，以便于根据培养箱温湿度控制要求，进行动态的功能调整。同时，终端上位机之下又连接多台专门用于数据处理的分上位机。由于微生物培养箱内部温湿度始终处于动态变化过程，因此温湿度参数变化产生的数据较多，多台上位机一起进行数据处理，一来能减轻数据筛选、整理压力，二来也可以有效的进行结果比对，避免了无关或错误信息对终端上位机调控指令的干扰。培养箱能够接收和上传温湿度信号，同时还设置有报警装置。系统人能根据微生物培养需要，设定温度和湿度的上下限，当培养箱内温度、湿度低于或超过极值后，报警装置启动，提醒技术人员手动调整参数。

  微生物对于培养箱内环境变化的敏感程度较高，尤其是那些具有较高科研价值或经济价值的微生物，如果因为温湿度控制不当导致微生物大量死亡或科研工作失败，将会造成严重的损失。因此，在传统PID控制算法的基础上，近年来技术人员致力于进行技术改良，克服传统PID控制算法的缺陷。智能PID控制算法结合了近年来蓬勃发展的人工智能技术，其应用优势主要体现在三个方面：其一是融入了模糊算法，可以更加便捷、自动的调整控制变量，温度、湿度值的精确性满足微生物培养要求；其二是对硬件设备的要求降低，无形中降低了技术成本；第三是可以利用智能控制实现外部硬件设备的联动，除了可以应用于微生物培养外，还可以应用到其他控制环境中。

  随着微生物培养箱对温度和湿度控制要求的不断提高，温湿度控制所采用的技术也在进行不间断的革新。近年来，我国工业自动化水平的提升为进行微生物培养箱温湿度控制提供了必要的技术支持，在原有算法控制的基础上，还新增加了远程监控、网络通讯等功能，这些都为实现微生物培养箱温湿度的控制产生了积极帮助。

  （1）单片机。单片机可以用C语言或汇编语言进行算法编写，根据程序员录入的程序指令来完成对温湿度的动态控制。前端的传感装置将信号反馈到单片机的处理单元中，通过对比实际值和标准值之间的差距，从而有单片机发出调控指令，将微生物培养箱内的温湿度调整到最佳值。以单片机作为控制器的优势在于可以适用于多种控制算法，且技术人员能够准确的通过控制需要，在控制系统中额外加设电路，提高了整个系统的联动性。

  （2）PLC。PLC被认为是一种集成化的单片机成品，其拥有自己独特的编程语言，可对数字量或模拟量进行控制。在控制过程中，PLC通过控制算法对培育箱内的温湿度进行控制。与此同时，PLC有很多配套产品来增强控制管理系统的控制性能。比如，西门子PLC有其配套的触摸屏和功能扩展模块，有配套的与上位机进行通信的硬件和通信协议支持。相比于单片机，采用PLC作为微生物培养箱温湿度控制管理系统的控制器，有利于控制管理系统功能拓展，开发周期相对较短，能够批量生产控制管理系统，控制算法编写也相对简单，并且，其控制稳定性和可靠性较高，不易受到控制外因的干扰。