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智能化微藻培养箱初步设计

[导读]为满足国内外在可再生能源领域、CO2减排及天然产物开发等诸多重要领域微藻研发的需要,因此设计开发一套能对光质和CO2进行精确控制的微藻智能培养系统,对于微藻的高效培养具有十分重要的意义。

0 简介

微藻智能培养系统由一个箱体组成,外部需要供电、供水及供应气体(CO2),内部由一个嵌入式系统为核心,构成一个可实现温度、湿度、光强(光质)、气体浓度可实时监测与控制,并可实现友好人机交互的智能化系统。其中,箱体分为位于顶部的嵌入式控制器层与分列三层的培养抽屉,抽屉与抽屉之间采用隔板分离,每层抽屉构成单独的培养空间,可对一种藻类进行培养试验。隔板可向上下移动5CM/10CM,这样空间可根据不同藻类的生长条件进行合理的光强调配利用。


1 主控模块:MCU 采用NXP 公司的ARM7 处理器LPC2214,其可靠的运行速度、丰富的系统资源、应用外设以及标准的各类接口,可方便实现各类输入信号与输出信号的采集与控制。RTOS(实时操作系统)采用源码开放的UCOS-II,其具有可移植性、可固化、可裁剪性、占先式等特点,可实现实时性强、可靠性高的多任务调度。


2 电源模块:培养箱的整体电源采用外接的220V/50Hz交流电压,首先通过AC/DC的变换器变换,将AC电压转换到12V与5V的直流电压,用于智能化系统的电源供应。再通过开关电源芯片将5V电压转换为3.3V与1.8V电压输出,以方便控制芯片与外设的电源驱动。


3 监测模块:监测模块包括温度监测、湿度监测、光强检测以及CO2浓度监测各部分。其中温度监测传感器采用18B02专用芯片,其与MCU通过单总线连接,由于MCU本身没有带单总线接口,故通过GPIO进行单总线模拟。湿度监测传感器拟采用CHM-02器件,其输出电压信号可通过A/D转换器与MCU相连。光强监测采用光敏传感器,其输出电压信号可通过A/D转换器与MCU相连。CO2浓度监测采用CMD2010型器件,其输出电压信号可通过A/D转换器与MCU相连。



4 控制模块:控制模块包括温度控制、湿度控制、光强温度控制和CO2浓度控制部分。其中温度控制采用压缩机与蒸发器结合的方式,MCU通过GPIO接口实现开关量控制,实现压缩机与蒸发器的开关开度控制,从而调节箱体内的温度。为了实现电路散热功能,还需要进行电扇的开关控制。湿度控制采用超声波加湿器,MCU通过GPIO对加湿器开关进行控制,可对箱体湿度进行调节。CO2浓度控制采用控制钢瓶盛装高压CO2开关闸门进行调节。而对光源的光强与光质的控制,是通过对藻类生长曲线的调用,直接对GPIO进行开关输出驱动来实现的;而对于光周期的控制,必须要结合实时时钟完成,实时时钟芯片采用NXP公司的PCF8563,与MCU通过I2C总线进行通讯。


5 人机交互模块:人机交互模块包括键盘部分与液晶显示部分。键盘采用4*4阵列,需要8根I/O口线与MCU进行交互,可分别设置0~9十个数字键和F1~F6六个功能键,方便用户操作。液晶一般分为段码式LCD、点阵式LCD、TFT LCD以及触摸屏等,考虑到本培养箱的性价比,故采用信利公司的160*160的点阵式液晶模块,其自身带驱动电路,但不带汉字字库。LPC2114实现软字库功能。



6 存储模块:嵌入式系统的存储模块包括程序存储与数据存储两部分,而本系统中采用LPC2114内置的FLASH作为程序存储器,而外扩一片K9F2G08的NAND FLASH作为数据存储器。此外,系统还扩展一片24C08的E2PROM作为参数存储器,以方便各种藻类生长曲线参数的存储与调用。


7 通讯模块:为了提高培养箱的使用灵活性,故本培养箱带有RS232串行通讯接口,可方便与计算机进行数据通讯。计算机配有专门的设置软件,可将不同藻类的生长曲线数据下载到培养箱中,以方便培养箱的智能化调节;同时,培养箱的实验数据也可方便地通过串口上传到计算机中,以便后期的数据进一步分析与挖掘。



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