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主题：【第六届原创】【自设计自组装】控制器and检测软件——用于发酵

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发表于：2012/10/03 13:56:31 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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生命可续板块，欢迎大家来参加原创大赛！！

顺便做个宣传：
主题：【第五届原创大赛】生命科学赛区首次亮相，赛事火热进行中，丰厚奖品摆在眼前，赶快加入吧！

http://bbs.instrument.com.cn/Toptopic.asp?ForumID=487&ThreadID=633

http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20120829/4214736/

生命可续板块都是默默无闻的，论坛里很少有坛友过来浏览帖子，发表帖子。但是在论坛上还是有不少爱好生命科学的朋友支持者生命科学板块。在此谢谢大家的支持！！

生命科学领域是21世纪的朝阳产业。它涵盖了很多专业领域。
在这一章，我们主要讲述生物发酵这一块。
微生物发酵过程属于缓慢的、不可逆的生化反应过程，一系列的分解代谢和合成代谢引起了发酵过程中温度、pH、溶解氧浓度的变化。一般情况下，发酵微生物对环境条件特别敏感，一旦超出了限制，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢副产物的形成，严重时甚至可能造成代谢产物改变、菌种死亡。因为生物发酵具有非线性、时变性和滞后等特点，属于不确定过程的复杂系统，我们不能准确建立其数学模型和传递函数。因此发酵过程中必须严格控制温度、pH、溶氧、搅拌电机转速等发酵条件，并对发酵数据实时有效采集和存储。这就需要更为先进的监控系统来控制生物发酵这种的复杂反应过程。

写在前面————
设计了一款新的基于溶氧反馈补料的发酵控制器，在控制过程中使用了单片机和应用了BP神经网络算法。当发酵控制器应用于发酵过程中时，溶解氧的波动明显的降低。结果表明，发酵控制器可以根据发酵情况做出精确计算，当溶氧高于某一设定值的时候开始补加高浓度的补料培养基，显示出了细胞的增长和培养基的利用之间有紧密的关系。

一开始，分批-补料发酵技术主要是基于补料培养基的添加来实现的，而现在主要是依靠自动控制器控制下的补料策略，控制器控制下的补料策略是基于在线的各种复杂算法支配下的控制。

发酵参数控制

相比新的发酵控制器，以前用的发酵控制器存在一些缺点），因此我们做了很多的改进。新的发酵控制器增加了很多检测控制模块，其中表现在：

1、转速经过控制器参与调控，可以大大降低劳动力，避免了人工调节和检测；

2、自动补加C和N源，将以前的按照补料次数对应的补料浓度直接转化为每次补料浓度，即以前的控制器的控制策略是基于补料次数（如补C三次后补N两次），而现在的控制器是直接同时补加C和N源，且碳源和氮源的浓度比（C/N）已经优化过了；

3、发酵阶段的衔接，将以前的手动操作转化为控制器自动检测信号后直接进入下一个发酵阶段；

4、上位机（检测收集信号软件），将数据信号进行采集，并在软件中直接显示出来，可以用来实时监控发酵过程中发酵液传质情况和菌体生长情况，同时还可以直接将采集到的发酵过程中动态数据用来绘制曲线图，从而直观的对发酵情况实时监测。

该帖子作者被版主 zhang8826857加 10积分， 2经验，加分理由：大力鼓励原创作品

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市场上有单一的温度控制器也有复杂点的控制器
参见下图

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2012/10/3 14:09:58 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

控制系统工作原理

1 研究思路与方法

在控制方式上我们选用基于反馈形式的在线控制。由于神经网络控制系统具有很强的自适应性和自学习能力、强大的非线性映射能力、鲁棒性和容错能力，控制精度高，所以控制算法的核心选用基于人工神经网络的控制(ANN-Based Control)的“误差逆传播算法”BP神经网络算法。单片机成本低廉，体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，灵活性高等特点，非常适合用于设计专用控制器。

2 设计方案

为了提高发酵过程的自动化水平，增加发酵产物产量，改善发酵工艺，该发酵控制系统主要完成以下功能：
1) 发酵过程自动化，即按照工艺要求控制蠕动泵分别补充碳源和氮源、调整搅拌转速，同时当达到发酵要求后，自动切换到下一个阶段；
2) 当脱离上位机后，下位机也能够实现简单控制，增加系统的稳定性；
3) 对发酵环境敏感因素，即温度T、溶解氧DO、搅拌转速v、酸碱度pH的实时采集，现场和远程显示，Excel文件记录，以及这些数据的历史曲线回顾。

上位机采用工控计算机，可以直接发出操控命令，显示和保存各种信号数值（转速、温度、 pH和溶氧等），同时实现智能运算。下位机实现主要工作任务包括以下两个方面：
1) 获取发酵设备运行状况，对发酵环境敏感因素，温度T、溶解氧DO、搅拌转速v、酸碱度pH的实时采集，控制现场显示；
2) 按一定的协议，与上位机进行交互通信，即分析并执行上位机的操作动作命令、参数设置和上传实时发酵罐运行参数到上位机，当脱离上位机后，下位机也能够实现简单控制。

2 控制系统硬件设计

在本设计中该单片机接受上位机的控制指令，并直接控制连接在发酵罐的执行器；然后再和上位机进行通讯（见图5.1、5.2、5.3、5.4）。系统核心MCU：Silicon Lab公司开发的C8051F340芯片，属于完全集成的混合信号片上系统(System on Chip，SoC)型芯片。其工作电压为2.7 V-3.6V，具有40个I/O口线，带模拟的多路器和USB通讯。