CN108410726A - 便携式厌氧菌培养箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式厌氧菌培养箱，包括箱体、单片机、控制模块、显示模块、电源电路以及设置在箱体内的温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器；控制模块、显示模块、电源电路、温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器均与单片机相连接；控制模块包括多个按键和将多个按键与单片机连接起来的连接电路。本发明提供的便携式厌氧菌培养箱，设计科学合理，操作简便，能够对箱体内的温度、湿度和CO2浓度进行精确稳定的自动控制调整，确保细菌的生长环境的各个条件维持在最合适的范围内，细菌培养成功率高，可以很好地满足实际应用的需要。
Description
技术领域
本发明属于细菌培养设备技术领域，具体涉及一种便携式厌氧菌培养箱。
背景技术
随着信息时代的发展，智能化的普及已经涉及到社会的各个领域，医疗设备的智能化已成必然趋势。培养的细菌用于研究、鉴定和应用，而早期主要利用人工方法进行细菌繁殖，即将细菌接种在培养基上使其生长繁殖。但由于细菌无处不在，整个培养过程必须按无菌操作步骤完成，否则导致结果错误或者交叉感染。另外各菌种的培养方法和培养条件也各不相同，需要特制的培养基和严格的培养温度、湿度及CO2浓度等条件。现有技术的细菌培养设备不能很好地提供上述严苛的培养条件，导致培养失败率较高。目前市场上的细菌培养箱仅满足了恒温的要求，还未达到提供合适的湿度、CO2浓度这两项条件的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的便携式厌氧菌培养箱。
为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种便携式厌氧菌培养箱，包括箱体、单片机、控制模块、显示模块、电源电路以及设置在箱体内的温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器；控制模块、显示模块、电源电路、温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器均与单片机相连接；控制模块包括多个按键和将多个按键与单片机连接起来的连接电路。
进一步地，加热器为电热丝加热器。
进一步地，显示模块为LED数码管显示屏。
进一步地，显示模块包括3个双8字数码管。
进一步地，所述温湿度传感器为STH11。
进一步地，所述CO2传感器为MH-410D。
进一步地，所述单片机为STC89C52单片机。
一种对所述的便携式厌氧菌培养箱内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时采样及调整的方法，包括采样和调整的步骤。
进一步地，采样包括以下步骤：
步骤1)计算控制参数A、B、C；A、B和C分别代表温度、湿度和二氧化碳浓度；
步骤2)设定初始值e(n-1)＝e(n-2)＝0；
步骤3)本次采样输入y(n)；
步骤4)计算e(n)和△u(n)；
步骤5)输出u(n)＝u(n-1)+△u(n)；重置e(n-2)＝e(n-1)，e(n-1)＝e(n)；
步骤6)当到达采样时刻后，转到步骤3)，进行下一次采样。
进一步地，调整包括以下步骤：
根据得到的采样信息数据，单片机根据系统误差和偏差变化率查询相应的模糊控制表，得到KP，KI，Kd三个参数的整定值进行PID运算；
增量式PID只和最近的n-2，n-1，n次误差有关，单片机只需保存三次误差即可；
增量式PID公式为：u(n)＝Kp(1+T/Ti+Td/T)en-Kp(1+2Td/T)en-1+Kp(Td/T)en-2+u(n-1)，其中u(n)，u(n-1)分别为采样时刻n，n-1时的输出值；Kp，Ti，Td分别为比例、积分和微分系数；en，en-1，en-2分别为采样时刻n，n-1，n-2时的偏差值；T为采样周期；
A＝Kp(1+T/Ti+Td/T)；B＝Kp(1+2Td/T)；C＝Kp(Td/T)；A、B和C分别代表温度、湿度和二氧化碳浓度。
本发明提供的便携式厌氧菌培养箱，设计科学合理，操作简便，能够对箱体内的温度、湿度和CO2浓度进行精确稳定的自动控制调整，确保细菌的生长环境的各个条件维持在最合适的范围内，细菌培养成功率高，可以很好地满足实际应用的需要。
附图说明
图1为本发明的电路结构框图；
图2为温湿度传感器STH11的启动传输时序图；
图3为温湿度传感器STH11的通讯复位时序图；
图4为温湿度传感器STH11的引脚接线图；
图5为加湿器和加热器连接在一起的电路图；
图6为加热器的控制电路引脚接线图；
图7为加湿器的控制电路引脚接线图；
图8为CO2供应设备的结构示意图；
图9为CO2浓度采样及控制电路图；
图10为复位电路与起振电路图；
图11为按键电路图；
图12为数码管显示电路图；
图13为电源电路图；
图14为采样过程流程图；
图15为PID运算示意图；
图中，1-厌氧培养箱；2-混合气体钢瓶；3-压力表；4-三通阀；5-缓冲瓶；6-真空泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图13所示，便携式厌氧菌培养箱，包括箱体、STC89C52单片机、控制模块、显示模块、电源电路以及设置在箱体内的温湿度传感器STH11、CO2传感器MH-410D、加热器和加湿器。控制模块、显示模块、电源电路、温湿度传感器STH11、CO2传感器MH-410D、加热器和加湿器均与STC89C52单片机相连接。加热器为电热丝加热器。显示模块为LED数码管显示屏。控制模块包括多个按键和将多个按键与STC89C52单片机连接起来的连接电路。LED数码管成本较低，对于显示数字较为合适，且采用动态扫描法与单片机相连时，占用的单片机口线少，编写显示相关驱动程序也相对容易。显示模块读取数据，通过3个双8字数码管分别显示当前温度、湿度和CO2浓度。
温湿度传感器STH11实时测量箱体内的温度值和湿度值，CO2传感器MH-410D实时测量箱体内的CO2浓度值，并将这些测量值发送到STC89C52单片机，然后在LED数码管显示屏上显示出来。
通过控制模块的多个按键向STC89C52单片机发送指令设定箱体内温度值、湿度值和CO2浓度，范围分别为0℃～50℃、95％和5％，设定各项值误差保持在±0.5℃和±0.5％。因为本培养箱需要的按键并不多，所以选择独立式按键接口设计。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线状态。按键检测模块是实现用户设定温度的部分，设定温度在0℃～50℃之间。其中S1为温度提升键，S2为温度降低键，S3为确认键，S4和S5无键值。
采用控制模块的按键进行输入控制，对3项目标值进行设定。通过温湿度传感器STH11采集温、湿度信息，CO2传感器MH-410D采集CO2浓度信息，经STC89C52单片机处理，对温湿度、CO2的控制电路进行调控，实时将数值分别显现在LED数码管显示屏上。
温湿度传感器STH11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。应用专利的工业COMS过程微加工技术确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比较高等优点。
SHT11采用两线双向串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面都做了优化处理。
(1)串行时钟输入SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
(2)串行数据DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
利用温湿度传感器STH11进行温湿度检测的方法包括如下步骤：
启动传感器：首先选择工单电压后将传感器通电，上电速率不低于1V/ms。通电话传感器需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。
发送命令：用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平DATA翻转为高电平。
后续命令包含三个地址位(目前只支持“000”)，和五个命令位。SHT11会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平(ACK位)。在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA(恢复高电平)。
表1 STH11命令集
测量时序(RH和T)：发布一组测量命令(‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T)后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30％的变化。SHT11通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。uC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效(例如：对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义)。
用CRC数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平，来中止通讯。
在测量和通讯结束后，SHT11自动转入休眠模式。
注：为保证自身温升低于0.1℃，SHT11的激活时间不要超过10％(例如，对应12bit精度测量，每秒最多进行2次测量)。
通讯复位时序：如果与SHT11通讯中断，下列信号时序可以复位串口：当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。
CRC-8校验：数字信号的整个传输过程由8bit校验来确保。任何错误数据将被检测到并清除。
输出转换为物理量：相对湿度：为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用如下公式1修正输出数值：RHlinear＝c1+c2·SORH+c3·SORH 2
表2 湿度转换系数
湿度传感器相对湿度的温度补偿：实际测量温度与25℃(～77℉)相差较大时，应考虑湿度传感器的温度修正系数：RHtrue＝(T℃-25)·(t1+t2·SORH)+RHlinear
表3 温度补偿系数
温度：由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出转换为温度值：Temperature＝d1+d2·SOT
表4 温度转换系数
| SOT | d2[℃] | d2[℉] |
| 14bit | 0.01 | 0.018 |
| 12bit | 0.04 | 0.072 |
加热器和加湿器的控制电路中采用过零双向可控的硅型光耦MOC3041M，集合了过零触发、过零检测、光电隔离等功能，避免输入和输出的通道同时控制双向可控硅触发的缺陷。利用STC89C52单片机的接口，通过三极管放大输出电流，对SSR的直流控制端直接操作，达到控制加热器和加湿器的目的。
加湿器为超声波加湿器。超声波加湿器工作时，控制阀将水箱内的水通过净水器净化后，注入雾化池。换能器将高频电能转换为机械振动，把雾化池内的水处理为超微粒子的雾气，雾气在风机(风扇)产生的气流作用下吹入箱内，完成了为空气加湿的任务。
电源电路：单片机通过加湿器控制电路接通220V电源后，旋转电位器W1使它的触点接通，220V市电电压通过熔断器FU输入后，第一路通过双向晶闸管为加热器电路供电；第二路通过变压器T降压输出72V,12V两种交流电压。其中，72V交流电压经桥式整流器整流，C1滤波后产生72V左右直流电压，不仅为换能器D和振荡管Q6供电，而且通过R12限流使指示灯D1发光，表明电源电路已工作；12V交流电压经桥式整流堆整流，再经C7滤波后，为直流风扇电机供电。
喷雾控制：当电位器W1的开关触点接通，并且容器内的水位正常时，C1两端的电压通过S3,R7使Q5导通，由Q5的e极输出的电压经R10,R11加到振荡管Q6的b极，使Q6在L1,L2,C3等组成的电感三点式振荡器起振，产生的脉冲电压使换能片D产生高频振动，最终将水盒内的水雾化，在风扇电机的配合下吹向室内，实现加湿的目的。
调节电位器W1可改变振荡管Q6的b极电流，也就可以改变振荡器输入信号的放大倍数，控制了换能器D的振荡幅度，实现加湿强弱的控制。
W2是可调电阻，用于设置最大雾量和整机功率的。
加热电路：需要使用热雾加湿时，单片机通过加热器控制电路接通热雾/冷雾开关S4,C1两端电压通过R13为光电耦合器N内的发光管供电，发光管开始发光，使N内部的光敏管受光照后导通。光敏管导通后，它输出的电压通过R15限流，使双向触发二极管D3导通，为双向晶闸管T1的G极提供触发信号，使T1导通。T1导通后，为加热器EH供电，使其开始为水雾加热。
T1的导通程度还受EH的漏电流控制。EH属于PTC型加热器，当排气管排出的水雾量大时，EH的漏电流也会增大，为T1提供的触发电压增大，T1导通加强，为EH提供的工作电压增大，使EH的加热温度升高，从而使加热器喷出的水雾温度升高。反之，控制过程相反。
无水保护：无水保护是由水位探头S3完成。加水后，水位开关S3接通，振荡器、加热器可以工作；若水位过低，S3断开，不仅使Q5截止，致使振荡器、换能器停止工作，而且使Q4截止，使加热器停止工作，避免了换能器、加热器等元件损坏，实现无水保护。
MH-410D传感器利用NDIR原理对CO2进行探测，具备模拟电压信号和串口通信功能、高灵敏度和标准输出与数字输出的特点。
MH-410D传感器的各项参数设置为：
模拟电压输出：Vout输出电压范围(0.4～2V)，对应气体浓度(0～满量程)。将传感器Vin端接5V，GND端接电源地，Vout端接ADC的输入端。传感器经过预热时间后从Vout端输出表征气体浓度的电压值，0.4～2.0V代表气体浓度值0～满量程。当自检发现故障时，传感器输出电压为0V。
串口输出(UART)：串口输出包括硬件连接和软件设置
硬件连接将传感器的Vin-GND-RXD-TXD分别接至5V-GND-TXD-RXD。(用户端须使用TTL电平)。探测器可以直接通过传感器的UART接口读出气体浓度值，不需要计算。
软件设置将串口波特率设置为9600，数据位设置为8位，停止位设置为1位、奇偶校验位设置为无。
表5 协议命令接口列表及含义
工作时，MH-410D的引脚1接+5V，引脚5接地。
引脚2和3分别接入单片机的TXD和RXD接口，单片机可以直接通过传感器MH-410D的UART接口读出气体浓度值，不需要计算，然后将测量结果送到LED显示当前CO2浓度；
引脚4为模拟电压输出引脚，经过预热时间后输出表征CO2浓度的电压值，电压范围0.4～2V对应CO2浓度0～5％量程，与继电器相连控制CO2设备通气，用户可通过R4设置多档极限值，当监测到CO2浓度高于设定值时，引脚4输出高电平关闭CO2设备，反之输出低电平驱动CO2设备；并且发生故障时，引脚4输出电压为0V，可连接蜂鸣器监测工作状态。箱体内设置有厌氧指示剂。
表6 MH-410D引脚定义说明表
CO2供应设备由通过气体管道依次连接的混合气体(CO2:H2:N2＝1:1:8)钢瓶、三通阀、缓冲瓶和真空泵组成，连接在钢瓶与三通阀之间的气体管道上连接有压力表，三通阀通过气体管道与箱体相连接。真空泵泵出厌氧培养箱箱体中的空气，当空气含量降低时，其中的O2浓度也随之降低，此时可以通过厌氧指示剂观测O2浓度，达到指定要求时开启三通阀，通入混合气体，注意缓慢打开混合气体钢瓶的阀门，尽可能让厌氧培养箱内压力与大气压保持一致。
单片机的复位依靠外部电路来实现的。时钟电路工作后,只要单片机的复(RST)脚上出现24个时钟振荡脉冲(也就是2个机器周期)以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。因此,要想保证单片机能够可靠的复位,在应用系统的电路设计中,就要使RST引脚保持10ns以上的高电平,使52单片机能循环到复位状态。当单片机复位后,也就是RST从高电平变成低电平后,52单片机就从0000H地址开始执行程序。
表7 复位以后MCS-51单片机的复位状态表
复位以后，P0口～P3口输出为高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将07H写入栈指针SP，同时将程序计数器PC和其他特殊功能寄存器SFR清0，但复位并不影响单片机内部RAM状态。
晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲即单片机的工作速度(比如12M晶振，单片机工作速度就是每秒12M)当然单片机的工作频率是有范围的，否则超出范围单片机工作状态将会不稳定。
单片机XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振)，作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2的作用是稳定振荡频率和快速起振。根据经典电路选择参数，本电路选用晶振12MHz，C1＝C2＝33PF。其中晶振周期(或外部时钟信号周期)为最小的时序单位。
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。52单片机虽然使用时间早、应用范围广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是52单片机容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。
此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。
一种对便携式厌氧菌培养箱内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时采样及调整的方法，包括采样和调整的步骤。
如图14所示，通过单片机对箱体内的温度、湿度和二氧化碳浓度三个参数进行实时采样的方法包括以下步骤：
步骤1)计算控制参数A、B、C；A、B和C分别代表温度、湿度和二氧化碳浓度；
步骤2)设定初始值e(n-1)＝e(n-2)＝0；
步骤3)本次采样输入y(n)；
步骤4)计算e(n)和△u(n)；
步骤5)输出u(n)＝u(n-1)+△u(n)；重置e(n-2)＝e(n-1)，e(n-1)＝e(n)；
步骤6)当到达采样时刻后，转到步骤3)，进行下一次采样。
如图15所示，对箱体内的温度、湿度和二氧化碳浓度三个参数进行实时自动控制调整的方法包括以下步骤：
根据得到的采样信息数据，单片机根据系统误差(偏差＝给定值-反馈值)和偏差变化率(当前周期偏差-上周期偏差)查询相应的模糊控制表，得到KP，KI，Kd三个参数的整定值进行PID运算。
增量式PID只和最近的n-2，n-1，n次误差有关，单片机只需保存三次误差即可；而位置式PID：u(n)＝Kpe(n)+Ki∑k i＝0e(i)+Kd[e(n)-e(n-1)]需要对误差累积，增加了单片机负担。
增量式PID公式：u(n)＝Kp(1+T/Ti+Td/T)en-Kp(1+2Td/T)en-1+Kp(Td/T)en-2+u(n-1)，其中u(n)，u(n-1)分别为采样时刻n，n-1时的输出值；Kp，Ti，Td分别为比例、积分和微分系数；en，en-1，en-2分别为采样时刻n，n-1，n-2时的偏差值；T为采样周期。
A＝Kp(1+T/Ti+Td/T)；B＝Kp(1+2Td/T)；C＝Kp(Td/T)。
本发明提供的便携式厌氧菌培养箱，设计科学合理，操作简便，能够对箱体内的温度、湿度和CO2浓度进行精确稳定的自动控制调整，确保细菌的生长环境的各个条件维持在最合适的范围内，细菌培养成功率高，可以很好地满足实际应用的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种便携式厌氧菌培养箱，其特征在于，包括箱体、单片机、控制模块、显示模块、电源电路以及设置在箱体内的温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器；控制模块、显示模块、电源电路、温湿度传感器、CO2传感器、加热器和加湿器均与单片机相连接；控制模块包括多个按键和将多个按键与单片机连接起来的连接电路。
2.根据权利要求1所述的便携式培养箱，其特征在于，加热器为电热丝加热器。
3.根据权利要求1所述的便携式培养箱，其特征在于，显示模块为LED数码管显示屏。
4.根据权利要求1所述的便携式培养箱，其特征在于，显示模块包括3个双8字数码管。
5.根据权利要求1所述的便携式培养箱，其特征在于，所述温湿度传感器为STH11。
6.根据权利要求1-5所述的便携式培养箱，其特征在于，所述CO2传感器为MH-410D。
7.根据权利要求1-6所述的便携式厌氧菌培养箱，其特征在于，所述单片机为STC89C52单片机。
8.一种对权利要求1-7任一项所述的便携式厌氧菌培养箱内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时采样及调整的方法，其特征在于，包括采样和调整的步骤。
9.根据权利要求1-8所述的便携式厌氧菌培养箱内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时采样及调整的方法，其特征在于，采样包括以下步骤：
步骤1)计算控制参数A、B、C；A、B和C分别代表温度、湿度和二氧化碳浓度；
步骤2)设定初始值e(n-1)＝e(n-2)＝0；
步骤3)本次采样输入y(n)；
步骤4)计算e(n)和△u(n)；
步骤5)输出u(n)＝u(n-1)+△u(n)；重置e(n-2)＝e(n-1)，e(n-1)＝e(n)；
步骤6)当到达采样时刻后，转到步骤3)，进行下一次采样。
10.根据权利要求1-8所述的便携式厌氧菌培养箱内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时采样及调整的方法，其特征在于，调整包括以下步骤：
根据得到的采样信息数据，单片机根据系统误差和偏差变化率查询相应的模糊控制表，得到KP，KI，Kd三个参数的整定值进行PID运算；
增量式PID只和最近的n-2，n-1，n次误差有关，单片机只需保存三次误差即可；
增量式PID公式为：u(n)＝Kp(1+T/Ti+Td/T)en-Kp(1+2Td/T)en-1+Kp(Td/T)en-2+u(n-1)，其中u(n)，u(n-1)分别为采样时刻n，n-1时的输出值；Kp，Ti，Td分别为比例、积分和微分系数；en，en-1，en-2分别为采样时刻n，n-1，n-2时的偏差值；T为采样周期；
A＝Kp(1+T/Ti+Td/T)；B＝Kp(1+2Td/T)；C＝Kp(Td/T)；A、B和C分别代表温度、湿度和二氧化碳浓度。
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