【生化实验室】生化实验室恒温系统的设计与实现

    【摘要】众所周知，生化实验室要使用大量的化学试剂及精密仪器，这就对实验室温度有了严格要求，因此，加强对实验室温度控制系统的设计与实现已成为生化实验工作正常开展的前提。本文针对生化实验室实施恒温设计的可行性及常用控制法进行分析，并以某实验室为例，就关键技术的实现方法进行探讨。以期通过本文的阐述为促进现代实验室温度控制技术发展，实现低碳节能提供理论参考。

目前大部分计量检定规程／校准规范对环境条件的要求，改变目前生化恒温室温度制度的建议是可行的。 

在几何量、热学、力学、电学四大计量领域中，对计量环境温度要求较高的主要是长度计量领域，即便在长度计量领域，大部分计量检定规程／校准规范对环境温度的要求是在20℃±2℃的范围内，只有少部分对温度要求较高，如JJGl46-2003《量块》检定规程，要求量块检定时的环境温度为20℃；在热学计量领域，普遍对环境温度要求不高。环境温度要求相对较高的二次仪表检定，如JJG617-1996《数字温度指示调节》检定规程，要求检定时环境温度为20℃±2.O℃；在力学计量领域，大部分计量检定要求的环境温度为20℃±5.O℃，只有少数检定项目要求环境温度为20℃±1.O℃或20℃±2.O℃，如JJG236-1994《一等标准活塞式压力真空计》检定规程，要求检定时环境温度为20℃±1.O℃；在电学计量领域，对环境温度的要求主要集中在20℃±2.O℃，部分检定项目要求环境温度条件略高，如JJGl25-2004《直流电桥》检定规程，被检对象为0.005级-0.01级时，要求检定时的环境温度为20℃±O.5℃，被检对象为0.02级时要求检定时的环境温度为20℃±1.0℃，被检对象为0.05级时要求检定时环境温度为20℃+2.O℃。 
　　

可见，如果将计量的环境温度设置为18℃和22℃，是可以满足大部分检定规程的要求的，对于少部分规程、少部分参数要求环境温度靠近20℃的，我们可以采取局部二次恒温措施实现，同样可以满足规程或参数要求的环境温度。 

生化实验室恒温系统所采用的控制方法一般有三种：位式调节法、PLC直方图控制法、智能控制法。 

位式图节法又称开关量法，就是当指标高于设定值时关闭系统，当指标低时再打开系统。这种方法被大多数的恒温恒湿实验室机组所采用，但此方法的能量消耗较大，控制上明显滞后，且备品备件价格昂贵。

PLC直方图控制法又称动态调节法。PLC单板机是比较常见的一种仪表控制方式，PLC单板机与计算机通过常规接口连接，有使用者错认为是计算机在控制实验室的指标运行，其实在PLC直方图控制法中，计算机扮演的角色只是简单的数据采集及参数修改，真正的运算控制只能通过PLC单板机来完成。 
　

在恒温实验室的控制中，此方法的控制原理是：空调压缩机连续运转（空调机组有制冷和除湿的功能），使实验室内温度及湿度指标低于实验室正常指标要求，再分别加热及加湿，最后达到加热量约等于制冷量，除湿量约等于加湿量，使实验室指标达到动态平衡。 
　　

一边制冷一边加热、一边除湿一边加湿，此种方法是通过能量的相互损耗达到指标平衡的，因此这种方法的能耗是三种控制方法中最高的。PLC单板机的运算相对简单，造成系统对外界的抗干扰能力也较差。 　

智能控制法是采用以计算机为核心的控制系统，并配备高精度传感器。此控制方式打破了传统恒温恒湿实验室采用动态平衡及静态平衡的两种高能耗运行方式，使恒温恒湿实验室真正实现节能、高效、环保及超低维护率。 

此方法采用空调变频器调节空调制冷量，在温度平衡后，空调加热量只略高于新风干扰源及实验室内各种散热及热损耗之和。计算机在线跟踪并计算需要补充热量的大小，通过加热智能模块改变电加热运行的电压，达到改变并控制电加热功率的作用，使实验室内指标不受到外界及室内干扰源的干扰，达到温度平衡，系统的温度控制波动范围在±o.2℃以内。系统既提高了精度，降低了能耗，又解决了传统恒温叵湿实验室的控制滞后问题。 

本系统硬件结构的主要研究内容可以分为四个模块：（1）输入模块：即为数字温度传感器。（2）输出模块：包括显示，报警电路，放大电路，V／I转换等。（3）单片卡几是整个系统的大脑，数据指令的调度均由此发出。（4）上位计算机；通过RS485／232串口通讯，实现上位计算机与单片机的双向信息传输，这样操作员存办公室就可以实现对实验室温度的实时掌控。 

另外单片机的外围电路：包括电源电路（用来提供5v电压源），时钟电路（单片机通过总线通讯调取时间值），报警电路（温度上下限报警）等。硬件结构框图如图1所示。 

　　图1 系统的硬件结构框图

在实际的温度控制系统设计过程中，要从上述的结构图简化出其模型图，以便于对系统进行分析。简化模型图如图2所示。 

　　图2 系统模型的简化框图

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器生产的新一代的DSl8820具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统。该器件是将半导体温敏元件、A／D转换器、存储器等做在--4很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。信号传输采用两芯电缆构成的单总线结构。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。 

通过比较发现，AT89S系列单机与AT89C系列无论在执行效率、抗干扰性，还是低功耗方面都体现了其强大的性能优势。AT89S51单片机是AT89S系列单片机中性价比最高的芯片之一，货源充足，技术资料丰富，并且存储容量大，避免频繁升级。综合上述各方面因素，在本系统中选用AT89S51单片机是比较理想的。 

通过RS485／232串口通讯，实现上位计算机与单片机的双向信息传输。Maxim公司生产的MAX485芯片是一款用于RS-485通信的低功率差分平衡器收发芯片，芯片内部集成了一个驱动器和一个接收器，符合RS-422A和RS-485通信标准。

综上所述，我们在生化实验叵温系统设计与实现过程中要根据实际情况，改变降温方法，将会节约大量的电能和水，在保障计量检测数据准确的前提下，实现“低碳”计量。