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基于单片机的微生物发酵控制器的设计

研究背景

1、微生物发酵是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。

2、生物发酵过程属于缓慢的不可逆的生化反应过程，一系列分解代谢和合成代谢引起了发酵罐中温度、PH、溶解氧浓度的变化。一般发酵微生物对环境条件很敏感，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产物的形成，严重时可能造成代谢产物改变、菌种死亡。

3、生物发酵具有非线性、时变性和大滞后等的特点，属于不确定过程的复杂系统，不能准确建立数学模型和传递函数，此前使用的采用PID工业控制算法的通用控制器已不能进行准确控制。

控制系统工作原理

1.研究思路及方法

控制方式上选用基于反馈形式的在线控制。事实和理论证明在线控制反应迅速，对发酵过程中被控系统动力学特性的变化和其它影响因子变化的适应性强。

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算法。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。

单片机——

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

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——

采用上、下位机的方式构建系统。

上位机采用工控机，可以直接发出操控命令，显示和保存各种信号数值（温度、pH、溶氧），同时实现智能算法的运算。

下位机是单片机平台。下位机主要获取发酵设备状况，实现数据采集并直接控制设备。

上下位机通过RS-232C或者USB进行通讯

下位机硬件设计

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，其内部集成了多种功能模块，功能强大，工作稳定可靠。工作电压2.7 V-3.6V，40个I/O口线，所有口均耐5V电压，4个通用16位计数器/定时器，10位200 kbps的单端/差分ADC，带模拟多路器和USB通讯。

D/A模块：选用由美国MAXIN公司推出的高性能D/A转换器Max536。片内集成了4路独立的，可同步控制的12位高精度双缓冲数模转换器。使用3线串行接口进行数据交换，节省了单片机I/O口使用。选用DIP16脚封装, 体积小。将电压输出转换为 4-20mA的标准控制电流。

供电模块：220V交流电经过变压、整流、滤波、稳压为5V和3.3V直流电。

Fermentation Controller based on an on-line operating system

Hardware design of fermentation control system

The fermentation controller (Silicon Labs) recorded fermentation parameters such as stirring speed, pH, temperature, dissolved oxygen and feeding rate. In this fermentation controller, on-line monitoring by direct-drive actuators was achieved through the control commands issued by the D/A conversion. And stirring speedand feeding ratewere then analyzed and controlled by preset control algorithms on base of an independent variable, DO.