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基于微控制器的轨道运动振动器
摘要：本文介绍了利用微控制器控制微生物/化学研究实验室所需的各种环境条件，摇动速度和摇动液体/半固体的新方法。微控制器监视和控制环境条件，其中包括湿度，温度，并且还提供可选择的速度，轨道运动振动器的持续时间。该系统包括轨道运动产生机构，用于受控条件的外壳，用于控制环境条件的仪器，用于建立控制的反馈仪器以及为所需条件提供编程，互锁和保护的微控制器系统。这种先进的微处理器控制确保了可重复的结果和操还提供系统互锁，以便通过不允许偏离编程条件来检查或培养样品的安全措施。微控制器还通过从现场仪器获得持续反馈，确保在孵化，制冷或湿度控制中进行自我校正。因为要提供酶反应的再现性，控制系统变得重要，如液体中的通气和更快的细胞生长速率。
关键词：嵌入式系统; 湿度控制; 脉宽调制器;微控制器; 温度控制。
1.引言
本文旨在探讨一个系统的设计与微控制器控制一个封闭室内部环境的帮助。 由于微控制器的整合成本低，在各种环境条件下方便，准确，快捷的控制是可能的。
许多参数可以使用本文所述的概念进行控制，但在系统设计中，受控参数仅限于：
1.温度
2.湿度
3.旋转速度
4.门锁
5.光线要求
该系统在微控制器的帮助下控制3个参数 - 温度，湿度和速度，这使得该产品成本更低。系统中还提供门开关互锁，可以停止电机旋转，以防止任何危险。对于轨道振动，我们使用三偏心计数器平衡驱动器，由交流电机驱动。用户还可以获取当前数据并且可以绘制温度和湿度与时间的关系图。因为其成本非常低廉，微控制器的这种应用可能将促进在制药和化学领域的科学实验的广泛研究。本文描述的系统以三种模式工作，即手动模式，编程模式和维护模式，这些模式将在本文的其他部分中详细讨论。该系统可用于实验室的紧凑做成小型或可应用于工业应用中非常大的驱动器和传感器可以根据应用而编程的微控制器并且可以保持同样的改变。
2.文献调查
现在市场上有类似的产品，但市场上现有的产品或只允许通过控制用于摇动的AC电动机的速度来摇动烧瓶中的化学物质，或仅通过温度控制提供轨道振动，来测量和控制最大的两个参数，即温度和速度。此外，因为需要处理多个阶段的参数信号调节，现有大多系统使用了PLC，这使得它们昂贵且复杂。但是微控制器只需要在一个阶段进行信号调理。因此可以看出，由于使用了微控制器，本文中显示的系统具有成本效益，并且可以为两个以上的参数提供有效和精确的控制。这为潜在用户提供了执行化学过程，该过程涉及同时控制湿度，温度和摇动速度，这是市场上现有产品所不具备的。此外，我们系统中提供的不同模式在当今市场上并不容易获得。与所讨论的系统相比，大多数经济实惠的现有系统仅提供手动模式。
3.应用
医学和药物的进步需要高度准确和有效的实验室仪器。 在本文中描述的系统是高效又设计简单。 成本效益和系统技术方面的结合使其成为当今市场上具有竞争力的解决方案。 由于具有不同尺寸的可用性，该系统可用于化学研究实验室，制药实验室，微生物实验室和钢铁工业，用于不同材料的化学分析。 该系统可以促进的实验室过程是：
1.曝气：增加任何给定样品的空气含量。 该方法广泛用于充气饮料工业和酵母发酵。
2.防止保护膜形成：液体中蛋白质的含量会让表面上形成保护膜，这可能妨碍某些类型的化学分析。 通过连续或周期性地摇动，系统防止表面（不动表面）松弛过程的开始，从而避免皮肤形成。
3.剧烈混合：通常进行该过程以消除溶解的气体，散射颗粒，并均匀混合样品，例如血液样本。该系统通过提供所需的温度，湿度和所需的混合速度来促进这一点。
4.快速细胞生长速度：通过提供环境温度和湿度培养可以加速各种细菌培养。
5.生化分析：选择用户提供的不同参数设定点的便利性有助于轻松制备各种化合物。这些化合物可用于各种目的，如各种酶反应的预处理。
4.今后的适用范围
1.该系统可与其中在温度，反之亦然湿度的影响可以用一个程序模块的帮助下在微控制器来补偿在系统达到稳定的一个“预读”功能被并入和所需的参数的设定点。
2.如果舱室的环境条件和速度高于正常水平，系统还可以具有发出警报和发送短信或短信的功能，以警告管理员。
3.该系统可以用水或油浴引入。 这可以通过引入具有用于循环流体的泵的隔热容器（容器）来实现。
4.可编程光合光阵列/紫外杀菌灯的增加将在微生物实验室中得到额外的应用。
5.引入用于插入惰性或必需气体的充气口可以在机械/微生物/化学实验室中进行不同的实验。
6.可以使用真空室代替湿度控制来模拟真空条件下的空间。 这提供了开展各种空间相关应用研究的可能性。
5.系统概述
该系统的基本功能是控制称为轨道运动振动器的腔室中的温度，湿度和速度。 图1说明了系统的原理图：
图1：系统原理图
该系统由温度传感模块，湿度传感模块，电机速度控制模块，微控制器，LCD显示屏和键盘组成。在用于加热目的的系统的实验装置中，使用加热线圈，并且为了冷却目的，使用压缩机。出于加湿的目的，使用空气泵并且使用除湿蒸发器。脉宽调制用于控制电机的速度。系统工作在三种模式，即手动模式，编程模式和维护模式。在手动模式下，给出参数的设定点，并控制参数以达到设定点。当达到设定点后，过程结束。在编程模式中，步骤的数量在开始时会给出。每个步骤都具有指定时间参数的唯一设定点。按下START键后，系统会控制每一步的参数。该过程仅在每个步骤完成后结束。维护模式用于抵消开头的任何错误这个过程。
5.1温度传感器
本项目使用的温度传感器为LM35，比例系数为0.1 V / ℃，不需要任何外部校准或微调，在室温下保持 /- 0.4 ℃的精度，在0 ℃至 100 ℃的范围内能保持 / - 0.8 ℃精度，其电源仅消耗60微安，并具有低自热能力。传感器自热使静止空气温度升高不到0.1 ℃。 传感器电路也是密封的，不会被氧化。 LM35用于实验室应用，对于工业应用，可以使用任何其他更合适的温度传感器。
5.2湿度传感器
使用的湿度传感器是SY HS 220。该传感器模块随时可用且非常经济。 该模块具有将输出调节为合适形式的电路。 传感器模块的增益可以通过电阻罐调节。 传感器提供30％RH至90％RH范围内的湿度信息。 传感器模块非常紧凑，因此可以轻松地将传感器放置在系统中。 除了上述优点之外，传感器模块的电流消耗也非常低（低于0.3mA）。 所有这些优点使SY HS 220成为该系统的合适选择。
5.3微控制器
微控制器是系统的核心。考虑用于该系统的各种控制器是8051， PIC，AVR，ARM等8051没有内部ADC和内部PWM通道，并且也相对较慢。 PIC速度较慢，ARM相对较贵，而且该软件在互联网上也不容易获得。 AVR AT Mega 8535微控制器是一款高性能，低功耗8位微控制器，带有4个输入/输出端口。它具有先进的RISC架构，具有130个强大的指令集。它有两个8位定时器和一个16位定时器和4个PWM通道。微控制器有512字节的EEPROM。微控制器具有内置的8通道10位ADC，用于将信号调理电路上的模拟输出转换为数字形式。整个数据处理是在微控制器的帮助下完成的。它还负责连接到系统的各种设备的同步。键盘的复位引脚直接提供给微控制器的RESET引脚。
微控制器内部模块的配置：微控制器AT-MEGA 8535提供了使用汇编语言和C语言对控制器进行编程的功能。 对于该系统的配置环境时，可使用C语言进行配置。
5.3.1模数转换器
AVR At-Mega 8535具有内置10位ADC，用于将来自传感器的模拟信号转换为数字输出。 通过使用ADMUX寄存器中的ADLAR位，ADC可配置为8位ADC。 ADC模块有3个寄存器，用于配置ADC：
- ADC数据寄存器（ADCL和ADCH）
- ADMUX（ADC多路复用器选择寄存器）
- ADCSRA（ADC控制和状态寄存器）
5.3.2脉冲宽度调制器
通过使用脉冲宽度调制器（PWM）可以保持给定负载的稳定速度。通过改变施加到电动机的脉冲宽度，可以增加或减少提供给电动机的功率量，从而增加或减小速度。 AT Mega 8535有3个定时器可用作波发生器。使用内置PWM的优势在于它提供了根据需要对时间段和占空比进行编程的选项。定时器2在本系统中用作PWM。定时器/计数器控制寄存器2（TCCR2）用于此目的。 TCCR2设置为0x69，以便为快速PWM模式设置所有所需的位。 PWM产生的波被给予光隔离器，然后是反相器，它从LM358 [作为输入，然后到RC滤波器，它对波进行平均和积分，并给出与给定速度相对应的直流电压电平。由用户。该电压被提供给变频驱动器（VFD），其产生对应于电压电平的频率，并且频率被给予AC电动机。
5.4显示
显示设备使用户能够进行参数设置并提供对过程参数的连续监控。 20times;4 LCD用于此目的。 微控制器控制初始化和输出到LCD的数据。 PORTC用作LCD的数据端口，编号为5到7的PORTA引脚用作LCD的控制引脚。 LCD或我们系统的显示如图6所示。
5.5键盘为用户提供键盘以进行所需的参数设置，并允许为各种目的设置不同的设定点。 系统的键盘是：·RESET· INCREMENT· DECREMENT· HOLD ·START / STOP · SELECT
5.6继电器
固态继电器用于打开和关闭系统的各个组件。 固态继电器（SSR）是一种在施加外部电压时切换状态的电子开关装置。 SSR具有控制较大负载电流或电压的小控制信号。 它包括一个响应适当输入（控制信号）的传感器，一个将电源切换到负载电路的固态电子开关设备，以及使控制信号能够在没有机械部件的情况下激活该开关的耦合机构。 寿命很长，因为没有活动部件可以磨损，也没有接触坑或积碳，也没有机械磨损。 无论使用频率如何，输出电阻都保持不变。 可以给3-32V作为继电器的输入，输出为5A-330V AC。
6.测试
系统的以下模块分别进行了测试：x LM35 x SY HS 220 x键盘x显示x PWM模块x继电器x整个系统测试：
1.通过记录各种温度的信号电压来测试LM35的信号调理。 表1显示了LM 35的测试结果，图7显示了图表：
2.湿度传感器的信号调节测试：表2显示了信号调节电路湿度传感器的结果，图8显示了图表。
3. LCD测试：当引脚号为0时，显示屏全黑。 2给出 5V及其接地连接。 显示“LABORATORY SHAKER”的简单程序是成功的。、
4.键盘测试：成功检查键检测，正确完成键谴责。 使用键盘增加和减少参数的简单程序是成功的。
5.测试PWM进入电机的信号调理：成功检查微控制器产生的PWM输出。 6N137即光耦合器IC，CD40106，LM358和RC滤波器在单独和一起检查时产生所需的输出
6. PCB上继电器的测试：各个端口的继电器引脚分别设置为高，以检查加热器，压缩机或风扇等所有负载是否正在运行。
7.整个系统测试的结果：为了测试目的，制作了一个测试面板，其中包含所有组件，即LM35和SY HS 220的信号调理块以及PWM到电机的信号调理块组装在一起，如图9所示 系统按系统概述部分所述进行组装。 所有参数设定点均使用系统键盘一次性提供给系统，并在系统的LCD显示屏上可见。 记录达到设定点的温度和湿度变化。 比较设定点和电流值，并相应地增加和减少温度和湿度。
该图是针对温度和湿度的设定点大于当前温度和湿度的条件绘制的。 用于传感目的的LM35和SY HA 220可提供准确的读数，如图10所示。
7.结论
设计的系统能够根据用户的要求产生受控环境。 被监测和控制的参数是温度，湿度和摇动速度。 温度传感器LM35和湿度传感器SY HS 220成功连接为输入。 该系统还可以根据需要正确地驱动电机，加热器，压缩机，蒸发器和气泵。 制造的整个系统具有成本效益，并且能够立即响应任何类型的变化。 通过结合门打开警报使系统安全，这防止在门打开时系统的操作。 因此，系统以非常经济的价格成功地提供了各种微生物实验室和制药实验室所需的必要功能。
8.致谢
如果没有Parag Pathak先生的大力支持，这个系统会耗费大量的辛苦和时间。 我的团队成员Ekta Ghonge，Prajakta Kale和Shivani Mattoo全心全意为成功开发该系统做出了贡献。 MKSSS康明斯女子工程学院的工作人员也提供了宝贵的指导。 正是由于这些有价值的实体的共同努力，该项目才得以成功开发。
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1引言
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