杜秋丽，有德义（济南大学泉城学院，山东烟台，265600）

组织培养室温度和湿度监控系统的设计

杜秋丽，有德义
（济南大学泉城学院，山东烟台，265600）

由于组织培养室对温度和湿度的控制要求越来越高，设计组织培养室温度和湿度的控制系统来满足当今组织培养的需要。本文设计了控制系统，通过实验验证，满足组织培养室的基本要求，达到了温度和湿度的实时监控和控制的效果。

温度；组织培养；设计

0　引言

温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。

近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好，设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计，软件设计，以及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识，以及应该注意的一些事项。

1　基本原理

利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控制，静态误差1度，超调量〈2.5%，系统温度调节时间ts〈4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃，用十进制数码显示箱内的温度。采用PID控制算法实现温度实时控制，并显示温度实际值。了解计算机控制系统的基本原理和组成；实现无线发送、接收，编码、解码校验。实现超限报警；掌握计算机控制系统的软、硬件设计与调试，实现满足指标要求的控制系统。

图1　系统总体设计框图

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使得电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

简单的说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光偶合器。光偶合器有发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。

2　温湿度采集系统设计

温度采集模块的调试主要是软件的调试。系统采用“一线总线”数字式温度传感器DS18B20，其硬件结构比较简单，总共只有三个引脚：数据、地、电源，但简单的硬件需要复杂的软件来支持。DS18B20的程序设计在前面已经叙述，要注意的是，根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行操作。

数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛的应用。下面简单介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法及其改进和PID的参数整定及其发展。

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）=r（t）-c（t）。将偏差的比例、积分和微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。采用典型的反馈式温度控制系统。

次远程温度控制的设计要达到如下目标：

（1）主系统采用键盘输入方式设定温度值并显示；

（2）利用无线电进行通信；

（3）一对多点通信，对各通信点进行编址；

（4）对温度进行控制；

（5）温度信号采集。

综合考虑上面描述的功能并结合自己的具体情况，选用如下的器件来实现：

① 选用常用的89S51单片机作为控制器；

② 选用带地址编码的编码芯片PT2262以及与之配套的解码芯片PT2272。

③ 选用发射模块F05T和接收模块J04T进行无线电通信。

④ 选用数字温度传感器DS18B20进行温度采集。

3　温湿度控制系统设计

方案一：交流电源降压后用一个电容交连到单片机，从而在单片机内部形成过零检测信号。其采用电容充放电方式产生方波，波形不够理想而且安全可靠性差。对单片机软件设计要求较高。

方案二：交流电源的通断由单片机通过光电耦合器件控制，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高。

由于硬件电路模块比较多，结构复杂，不可能第一步就进行联机调试。在进行硬件功能调试以前，先对硬件电路调试和检查。首先要检查电路板，看看电路板上的线路是否有短路或者是断路的情况，如果有则要修正它。检测各芯片的电源连接是否正确，确保连线正确后，加上电源，看电路板上元件是否有异常反应，若有，立即断开电源，再次进行电路检查，纠正错误。直到电路各器件在上电工作情况下无异常反应。确保电路设计正确后，进行分模块调试。

系统调试步骤如下：（1）控制模块与显示模块调试；（2）编码/解码模块调试；（3）编/解码模块与收/发模块联合调试；（4）驱动电路模块调试；（5）温度采集模块调试；（6）整体调试。

3.1.1技术优点

系统采用的技术有如下的优点：

（1）利用无线电进行远程双工通信，灵活、方便，而且比较经济；（2）利用AT89S51单片机的软件编程来实现大量硬件的功能，减少元件使用，减少许多干扰因素，从而增加了测量的精度；（3）采用通用编解码器PT2262/PT2272，发射效果比单片机编码解码好得多，因为通用编解码器的数据无论怎么变但每一位的脉宽是不变的，即使出现一点干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平；（4）温度采集部分采用“一线总线”数字化温度传感器DS18B20，测量精度可达到±0.5℃；（5）系统是“一对多点”控制，控制效率大大提高。

3.1.2技术缺点

采用无线电进行远程温度控制有气球优点但同时也存在着下面的缺点：

（1）系统无线电通信距离短，不适合超远距离的信号传输；（2）无线电通信距离受楼房等障碍物的影响。

所以，采用一种技术时必须充分考虑它的优点和缺点才能更好地掌握和利用它。

3.1.3提高测量精度的几项措施

1）制作电路板时注意元件布局，线与线之间的距离，尽可能减少外来的干扰

2）减少干扰源，提高测量精度；

3）通过软件提高温度的测量精度；

4）用单片机进行数据存储和运算处理，很容易实现温度自动补偿、斜率自动校正、多次测量平均等技术。

4　结论

现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。

［1］ 黄贤武，郑筱霞.传感器原理及其应用［M］ 成都：电子科技大学出版社， 2002.7

［2］ 张积东.单片机51/98开发与应用［M］，北京：北京电子工业出版社， 1994.01

［3］ Control Systems Theory with Engineering Applications［M］Boston.Basel.berlin 2001

［4］ Linear Control System Analysis and Design［M］ John J.D’azzo Constantine H.Houpis 2002.6

杜秋丽 山东烟台 研究方向：生物化学与分子生物学

Design of monitoring system of temperature and humidity in tissue culture room

Du Qiuli，You Deyi
（University of Jinan Shandong Quancheng Institute Yantai，265600）

As the control of temperature and humidity in the tissue culture room is more and more high，the control system of the temperature and humidity of the tissue culture room is designed to meet the needs of tissue culture.

temperature；tissue culture；design