摘 要:本研究设计制作了一种针对生物实验室中无菌培养基的温度测量系统以及相应的报警系统。包括整体方案,硬件电路以及软件设计,并给出了参考的产品外观建议。该数字温度测量系统的外部电路简单,具备低成本易使用的特点。
1 引言
在生物实验室配制无菌培养基时,经常需要向培养基中加入各种有机试剂, 如抗菌素等, 很多加入的有机物在超过一定温度时会失活或分解, 因此, 需要在培养基经过高温灭菌后,降温到 50℃以下,在无菌条件下加入不耐热的物质[1]。尤其是配制固体培养基时,这些易失温物质需要在50℃以下40℃以上(琼脂的凝固点)时加入。由于培养皿一般密封, 不可直接测量其内温度, 目前,生物实验室中通常的做法是用手触摸装有培养基的容器外壁,把经高温灭菌后培养基的温度降到用手可忍受温度时,判断为加入的合适温度。这种方法存在着精确度低、可重复性差, 操作者需要多次触摸高温物体,容易对操作者造成一定伤害等缺点。现在,市场上有多种温度测量实验设备[2,3,4],但目前还没有针对无菌培养基的温度测量实验设备和相关研究的报道。本研究设计制作了一种适用于生物实验室的一种可提示无菌培养基温度的实验设备。
2 设计方案
2.1 元件选择
本设计为测温系统,传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件, 利用热敏电阻等期间的感温效应, 将随被测物体温度变化而变化的电流或者电压采集过来,进行 A/D 转换,送入单片机进行数据处理,这种设计的优点是价格较为低廉, 但需要后续信号处理电路, 软件设计也较麻烦,且存在可靠性差,精度低等缺点[4]。本设计采用温度传感器 DS18B2 来进行温度测量,直接采用测温芯片,简化数据传输与处理的过程。DS18B20 温度传感器具有测温灵敏度高等特点, 且其独特的一线接口,只需要一条口线通信,简化了分布式温度传感应用。其应用简单无需外部元件, 可用数据总线供电, 电压范围为3.0V 至5.5V 无需备用电源,测量温度范围为-55℃至+125℃,精度为± 0.5℃。完全满足产品温度范围以及精度要求。
单片机选用AT89C52,AT89C52 是一个低电压,高性能 C M O S 8 位单片机, 供电电压与温度传感器DS18B20 相匹配,可选用5v 电压。
2.2 硬件设计方案
本设计希望系统测量温度到达 50℃红灯亮,一直亮到40℃,红灯灭,50℃时蜂鸣器发出 3 声 2hz 高频鸣叫,提醒实验人员可以使用培养基,40℃时蜂鸣器再次发生3 声 1hz 较低频的鸣叫,提醒实验人员琼脂已经开始凝固。温度一直由 led 显示屏显示。
根据系统功能要求, 构造图 1 所示的系统原理结 构 框:
DS18B20 与 AT89C8052 单片机连接只需将D S 1 8 B 2 0 信号线与单片机的一个 I / O 线相连, 将DS18B20 的单总线与单片机的P2.0 口相连,P2 口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口。DS18B20可以通过2 种方式供电:外加电源方式和寄生电源方式[2]。由于温度高于100℃使用寄生电源时,DS18B20 在这种温度下表现出的漏电流比较大, 通讯可能无法进行, 且外加电源方式下 DS18B20 抗干扰性能较强[3],故本本设计采用外加电源形式。
2.2.2 显示电路
LED 显示分为静态显示和动态显示两种,这里选用动态显示,减少了显示器驱动芯片的使用数量,从而降低成本,减小产品体积。CH452 是数码管动态显示驱动芯片,具有 BCD 译码功能,内置时钟振荡电路,可以直接驱动 0 . 5 英寸至 1 英寸的共阴数码管, 段驱动引脚 SEG6～SEG0 分别对应数码管的段 G～段 A,段驱动引脚 SEG7 对应数码管的小数点, 字驱动引脚 DIG4～DIG0 分别连接4个数码管的阴极,CH452A 对数码管采用动态扫描驱动,AT89C52 的 P2 接口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I / O 口, 可直接连接CH452A 芯片,单片机只要给出二进制数 BCD 码,由CH452A 将其译码后直接驱动数码管显示。CH452A的段驱动引脚串接电阻 RP1(270 Ω),用以限制和均衡段驱动电流。
2.2.3 复位操作
复位操作可以使单片机初始化,也可以使死机状态下的单片机重新启动。该设计采用的是上电自动复位加手动复位, 按下键后, R S T 端产生高电平, 单片机复位, 这样就不用在重启单片机电源, 就可以实现复位。见图 4。
2.2.4 报警电路
系统中的报警电路由两部分组成, 一部分是由发光二极管和限流电阻组成,与单片机的 P1.2 端口连接; 另一部分由蜂鸣器与限流电阻组成, 与单片机的P1.3 端口相连。 P1 端口也是一个带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口。具体报警时间根据需要不同由软件编程控制。
3 软件设计
本系统主程序流程图和 DS18B20 温度采集程序流程图如图 5,图 6 所示,在使用 PL/M、C 等高级语言进行系统程序设计时,对 DS18B20 的操作部分使用汇编语言.
4 产品外观设计
产品的外观设计与使用方法如图7。由于培养皿是密封的, 不可直接测量其内部温度, 所以产品制成鼠标垫大小的薄板, 只要将锥形瓶等器皿放到产品上, 然后就可在led 显示屏上读取温度。由于产品设计外部电路简单,故测温模块不需要占用很大体积,小巧便携,制作成本也较低, 操作简单, 使用方便。
5 数据测试
将盛有 8 0 ℃热水的烧杯放到本产品上, 插人温度计, 等待热水降温, 比较温度计实测温度和产品显示器的示数。实验重复五次。在80℃- 室温(25℃左右)范围内,温度计实测温度和显示器温度误差为± 0.5℃。报警灯和蜂鸣器在设定温度都能正常工作。产品可满足实验室要求。
6 结束语
本设计具有读数方便,测温范围广,测温精度高,数字显示, 适用范围宽等特点, 可以广泛应用于生物实验室各类烧杯、烧瓶等温度测量, 只需改变软件编程, 即可改变警报温度, 调节到实验要求的不同温度范围, 具有广泛的应用前景。
参考文献:
[1] J. 萨姆布鲁克,D.W.拉塞尔(黄培堂等译).分子克隆实验指南(第三版)[M].科学出版社(北京),2002.
[2] 钟晓伟,宋蛰存.基于单片机的实验室温湿度控制系统设计[J].林业机械与土木设备,2010(1):39-42.
[3] 肖前军.基于DS18B20 的水温控制系统[J].技术交流,2009(4):58-59。
[4] 李海玲,王航宇.基于AT89C51 &DS18B20 的数字温度计设计[J].国外电子元器件,2008(11):82-84.
作者简介: 李今心(1 9 9 0 -)，女，本科在读，研究方向：检测技术与自动化装置。
