基于PC与C8051F340单片机的微生物发酵监控系统设计

传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2011年第30卷第6期基于PC与C8051F340单片机的微生物发酵监控系统设计*曹嘉，伍星，徐惠芳，康海（西北大学化工学院，陕西西安710069）摘要：针对大肠杆菌发酵重组类人胶原蛋白控制要求高的特点，设计制造了一种高性能控制系统。

该控制系统由基于PC的上位机与基于C8051F340单片机的下位机组成，实现了对发酵参数的实时在线采集、存储和利用神经网络智能算法的准确控制。

实验证明：系统运行稳定可靠，故障率低，较人工控制和通用控制器发酵产物湿重分别提高约32．6%和76．7%，且产量稳定波动小，充分满足发酵控制的需求。

关键词：发酵控制器；单片机；神经网络；Matlab；LabVIEW中图分类号：TP273．5文献标识码：A文章编号：1000—9787（2011）06—0074—03Design of fermentation monitoring and control systembased on PC and C8051F340MCU*CAO Jia，WU Xing，XU Hui-fang，KANG Hai（School of Chemical Engineering，Northwest University，Xi’an710069，China）Abstract：A high-performance control system for E．coli recombinant human collagen is designed andmanufactured to meet the high control requirements．The control system is composed of host PC and lowercomputer based on C8051F340MCU．The fermentation parameters can be real-time online collected，stored andprecisely controlled by using neural network intelligent algorithm．It is proved that the control system can workstably，reliably and the failure rate is low．Compared with manual control and general-purpose controller，the wetweight of fermentation product is approximately increased by35%，76．7%respectively and fluctuation is small．It can meet the control requirements very well．Key words：fermentation controller；MCU；neural network；Matlab；LabVIEW0引言利用基因工程技术将人体胶原蛋白基因进行特定重组、修饰后转化于大肠杆菌内，并将该工程菌在一定条件下进行培养发酵，最终得到的类人胶原蛋白产物在食品工业、生物和医药工业中均有广泛应用。

该生化过程是一个耗氧产热的不可逆过程，而且大肠杆菌对环境条件特别敏感，一旦发酵参数超出规定的限制，就可能造成代谢产物改变、菌种死亡，对生产造成极大的影响［1，2］。

因此需要对发酵参数，特别是对温度、pH、溶解氧等进行在线数据采集和储存，并按照工艺要求控制的非常精确，这对控制系统提出更高要求。

而生物发酵属于不确定过程，不能准确建立数学模型和传递函数，因此，目前使用的采用PID工业控制算法的通用控制器已不能进行准确控制，而采用泛布尔代数等其它算法的控制效果也很一般［3］，虽然实验时人工控制较为准确，但受人为因素影响大在大批量生产时人工控制就不切实际了。

无法有效对数据实时采集和存储也是目前控制器的缺点。

本设计在通用计算机PC上构建了方便操作的人机控制界面，利用计算机进行数据实时采集和存储，应用了基于人工神经网络模型的智能控制算法，控制精度高，能充分满足发酵的控制需求。

1控制系统工作原理针对西北大学化工学院生物工程研究室生产类人胶原蛋白的发酵罐设计了该控制系统。

发酵罐由瑞士比欧生物工程公司生产，属于机械搅拌发酵装置，容量12．8L。

在发酵罐上装配有温度、溶氧、pH值等的检测传感器和尾气分析仪。

该发酵控制器主要完成以下任务：发酵实时数据（温度、溶解氧、搅拌转速等模拟量）的采集和记录；按照工艺要求或者随动控制蠕动泵分别补充碳氮、调整搅拌转速以调整溶氧量浓度、冷却加热开关的开启。

收稿日期：2011—04—18*基金项目：国家自然科学基金资助项目（20476085，20606026）；国家“863”计划资助项目（2006AA02Z246）47第6期曹嘉，等：基于PC与C8051F340单片机的微生物发酵监控系统设计本设计采用上、下位机的方式构建系统。

上位机采用普通PC机，人机交互界面由NI公司的LabVIEW编写而成，智能算法由MathWorks公司的Matlab编写，两者混合编程。

在上位机上可以直接发出操控命令，显示和保存各种信号数值（pH，温度等），同时实现智能算法。

下位机采用单片机，系统核心MCU是Silicon Lab公司生产的C8051F340单片机。

下位机主要获取发酵设备状况，实现数据采集并直接控制设备。

两者通过RS—232C或者USB进行通信。

工作时，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。

下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。

当上位机长时间无指令时（上、下位机通信中断，上位机故障等原因未工作），下位机识别后可进行监测和独立执行简单控制，从而加强系统运行稳定性。

因此，这种设计优于不能独立运行的采集卡。

2系统硬件设计根据本发酵的特点设计出如图1的系统硬件结构图［3］。

上位机使用主板支持RS—232和USB通信个人计算机（PC）。

下位机系统核心MCU为Silicon Lab公司开发的C8051F340芯片，属于完全集成的混合信号片上系统（sys-tem on chip，SoC）型芯片，其内部集成了多种功能模块，功能强大，工作稳定可靠。

工作电压2．7 3．6V，40个I/O口线，所有口均耐5V电压，4个通用16位计数器/定时器10位200kbps的单端/差分ADC，带模拟多路器和USB通信。

该单片机接受上位机的控制指令，并直接控制操作发酵罐的执行器；同时经调整电路将传感器进来的模拟信号送入了单片机内部的10位特殊寄存器ADC，转换为相应的数字信号，完成数据采集；再和上位机进行通信。

图1系统硬件结构图Fig1Structure diagram of system hardware 本系统加入液晶显示模块，该模块是深圳拓普微电子有限公司的LM24064K系列产品，内置240ˑ64点阵的图形显示模块和RA8803控制器。

模块不仅可以显示单一的文本、图形，而且可以实现双图层的合成显示和四阶灰度的效果。

该显示模块具有单电源供电，白色LED背光，内嵌简体中文字库，自定义字符等特点。

模块与单片机采用8位I/O接口方式并行通信。

该模块是工业制成品，只需连接硬件并编写相应软件即可使用。

当上位机缺失和故障时，可通过显示模块调试/显示所采集的数据，了解系统运行状态。

由于MCU不包含D/A功能，需外接该功能模块。

这里选用由美国MAXIN公司推出的高性能D/A转换器MAX536。

它在片内集成了4路独立的，可同步控制的12位高精度双缓冲数模转换器。

使用三线串行接口进行数据交换，节省了单片机I/O口使用。

选用DIP16脚封装，体积小。

但由于转换后的输出是电压，需要增加转换电路将电压转换为4 20mA的标准电流。

本设计采用RS—232C和USB与上位机串行通信。

但是由于单片机串口TTL电平与标准的RS—232C信号电平范围不一致，所以要进行串行通信的时候，首先要将TTL电平信号转换为符合RS-232C规范的电平信号。

本系统采用Max232电平转换芯片。

USB通信无需附加外设，但需要对上、下位机分别编写驱动程序。

为有效消除干扰，输入输出之间加入光耦原件。

光耦是利用光电耦合来沟通被切断的电路通道，不会受到外界干扰。

因此，可以切断MCU与外界的直接联系，防止干扰的进入，保证MCU的正常运行。

由于单片机输出能力有限，设计采用固体继电器来控制蠕动泵等执行器，这样可大大减轻单片机I/O口的输出压力。

为了合理布置各模块和方便操作，设计了主板和底板两块印刷电路板，并用排线连接。

其中主板包括液晶显示屏、按键、串行通信等模块，其余模块放置在底板上［4］。

3系统软件设计3．1上位机上位机用于对整个发酵过程的监控操作，如完成系统参数设定、无扰手动/自动切换、数据存储、历史/实时曲线显示、智能算法的调用等功能。

这些功能主要是在微软Windows XP操作系统的平台上通过人机交互界面来实现，本文使用LabVIEW构建人机交互的图形界面并完成数据存储、实时曲线显示等功能。

而控制算法则是通过计算功能强大的Matlab来完成，使用Matlab神经网络工具包编写算法函数。

根据文献［5］的论述结合本发酵，选用4输入1输出的BP神经网络模型，再通过已有的实验发酵控制数据，确定最佳控制条件下该模型有3层，节点分别是4，18，1，通过软件模拟训练好网络。

采用com组件技术，通过Matlab将神经网络算法生成可以被LabVIEW调用的组件。

再使用ActiveX技术调用生成的com组件，即完成Matlab和LabVIEW混合编程，实现了在LabVIEW中植入了高级智能算法，使得整个系统具有高度智能化，处理能力大大提高。

57传感器与微系统第30卷最后将所有上位机软件程序一同打包成exe文件，只需在PC上位机双击运行该文件即可运行控制系统软件，这样上位机可以不必安装Matlab和LabVIEW，放宽了该控制系统中上位机的硬件、软件要求。

在上位机软件中巧妙使用了LabVIEW强大的数据采集、虚拟显示功能、友好的人机界面特点和Matlab快速的矩阵运算的能力、方便构建神经网络智能算法的特点，可谓互补长短。

同时，LabVIEW容易实现与单片机进行通信，良好地形成了与下位机数据交换通道。

3．2下位机下位机软件代码是用新华龙电子Silicon Laboratories IDE软件编写实现，其软件语言使用C语言，系统软件设计主要包括程序初始化、主程序、中断服务子程序、采集程序、液晶显示屏显示程序等。