基于ARM9嵌入式生物发酵数字控制系统设计.PDF

第２６卷第１期 镇 江 高 专 学 报 Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．１ ２０１３年１月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅ Ｊａｎ．，２０１３ 基于ＡＲＭ９嵌入式生物发酵数字控制系统设计 孙雪蕾，党丽峰，张迎春，陈　蓉 （镇江高等职业技术学校 机电工程系，江苏镇江　２１２０１６） 摘　要：温度不仅影响发酵过程中的酶反应，而且影响细菌的生长和产物的产生。采用模糊ＰＩＤ控制对温度进行 控制，具有鲁棒性强，动态响应好，超调量小，控制精度高等优点。采用ＡＲＭ９微处理器作为核心控制器，在嵌入式 Ｌｉｎｕｘ系统下，利用Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ制作ＧＵＩ图形用户界面，在ＬＣＤ上显示，系统可靠性高。 关键词：模糊ＰＩＤ；ＡＲＭ９；嵌入式Ｌｉｎｕｘ；生物发酵 中图分类号：ＴＰ２７３．５　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　 　　文章编号：１００８－８１４８（２０１３）０１－００７６－０４ 　　发酵过程本身复杂，涉及微生物细胞生长代谢， １　数字控制系统硬件设计 是一非线性的时变系统，影响因素的参数相关性较 高，控制难度大，对过程控制的精度要求越来越高。 生物发酵数字控制系统硬件结构如图１所示。 发酵生产过程的参数测量、操作监视成为提高过程 主机模块由嵌入式微处理器 Ｓ３Ｃ２４１０Ａ，扩展 控制精度的关键。 Ｉ／Ｏ口、扩展存储器、电源、时钟电路等组成。 温度不仅影响微生物生长过程中的酶反应，而 信号采集通道模块由传感器电路、信号调理电 且对于细菌的生长和产物的生成都有很大的影响。 路、Ａ／Ｄ转换器等组成。 一方面，温度升高，反应速度加快，生长代谢加速，产 输出控制通道由Ｄ／Ａ转换器、数字 Ｉ／Ｏ口、执 物生成提前。另一方面，若温度过高，酶容易失去活 行器等组成。 性，菌体容易衰老，影响产物生成。 人机交互部分由键盘和ＬＣＤ组成。数字控制 实际发酵过程控制中存在时变性、非线性与模 系统对生物发酵过程中的温度、ＰＨ值、溶解氧浓度 型不确定性， 等参数数据实时采集并进行数据分析、显示、打印、 ＰＩＤ不能很好地控制。 将模糊控制和ＰＩＤ控制结合起来，既能发挥模 存盘、报警等。 糊控制鲁棒性强，动态响应好、上升时间快、超调量 Ｓ３Ｃ２４１０内部有丰富的硬件资源，拥有ＭＭＵ虚 小等特点，又能发挥ＰＩＤ控制较高的动态跟踪品质 拟存储器管理、ＬＣＤ控制器（支持 ＳＴＮ＆ＴＦＴ）、支持 ［１］ 和稳定精度等优点。 ＮＡＮＤＦｌａｓｈ系统引导、系统管理器等 。 同时，将嵌入式技术应用到发酵监控系统中，利 ２　发酵过程温度变量的模糊ＰＩＤ控制 用上位机对实时数据监控，利用下位机对底层数据 采集，由ＡＲＭ９微处理器控制完成，在嵌入式 Ｌｉｎｕｘ 影响发酵温度的主要因素有： 操作系统下，利用Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ制作 ＧＵＩ图形用户 １）产热因素。主要包括生物热（Ｑ ）、搅拌热 生物 ［１］ （Ｑ ）等。 界面 ，在ＬＣＤ上显示。