【摘要】眾所周知，生化實(shí)驗(yàn)室要使用大量的化學(xué)試劑及精密儀器，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度有了嚴(yán)格要求，因此，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已成為生化實(shí)驗(yàn)工作正常開展的前提。本文針對(duì)生化實(shí)驗(yàn)室實(shí)施恒溫設(shè)計(jì)的可行性及常用控制法進(jìn)行分析，并以某實(shí)驗(yàn)室為例，就關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討。以期通過本文的闡述為促進(jìn)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室溫度控制技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能提供理論參考。

目前大部分計(jì)量檢定規(guī)程／校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)環(huán)境條件的要求，改變目前生化恒溫室溫度制度的建議是可行的。 

在幾何量、熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)四大計(jì)量領(lǐng)域中，對(duì)計(jì)量環(huán)境溫度要求較高的主要是長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域，即便在長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域，大部分計(jì)量檢定規(guī)程／校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)環(huán)境溫度的要求是在20℃±2℃的范圍內(nèi)，只有少部分對(duì)溫度要求較高，如JJGl46-2003《量塊》檢定規(guī)程，要求量塊檢定時(shí)的環(huán)境溫度為20℃；在熱學(xué)計(jì)量領(lǐng)域，普遍對(duì)環(huán)境溫度要求不高。環(huán)境溫度要求相對(duì)較高的二次儀表檢定，如JJG617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)》檢定規(guī)程，要求檢定時(shí)環(huán)境溫度為20℃±2.O℃；在力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域，大部分計(jì)量檢定要求的環(huán)境溫度為20℃±5.O℃，只有少數(shù)檢定項(xiàng)目要求環(huán)境溫度為20℃±1.O℃或20℃±2.O℃，如JJG236-1994《一等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力真空計(jì)》檢定規(guī)程，要求檢定時(shí)環(huán)境溫度為20℃±1.O℃；在電學(xué)計(jì)量領(lǐng)域，對(duì)環(huán)境溫度的要求主要集中在20℃±2.O℃，部分檢定項(xiàng)目要求環(huán)境溫度條件略高，如JJGl25-2004《直流電橋》檢定規(guī)程，被檢對(duì)象為0.005級(jí)-0.01級(jí)時(shí)，要求檢定時(shí)的環(huán)境溫度為20℃±O.5℃，被檢對(duì)象為0.02級(jí)時(shí)要求檢定時(shí)的環(huán)境溫度為20℃±1.0℃，被檢對(duì)象為0.05級(jí)時(shí)要求檢定時(shí)環(huán)境溫度為20℃+2.O℃。 
　　

可見，如果將計(jì)量的環(huán)境溫度設(shè)置為18℃和22℃，是可以滿足大部分檢定規(guī)程的要求的，對(duì)于少部分規(guī)程、少部分參數(shù)要求環(huán)境溫度靠近20℃的，我們可以采取局部二次恒溫措施實(shí)現(xiàn)，同樣可以滿足規(guī)程或參數(shù)要求的環(huán)境溫度。 

生化實(shí)驗(yàn)室恒溫系統(tǒng)所采用的控制方法一般有三種：位式調(diào)節(jié)法、PLC直方圖控制法、智能控制法。 

位式圖節(jié)法又稱開關(guān)量法，就是當(dāng)指標(biāo)高于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，當(dāng)指標(biāo)低時(shí)再打開系統(tǒng)。這種方法被大多數(shù)的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室機(jī)組所采用，但此方法的能量消耗較大，控制上明顯滯后，且備品備件價(jià)格昂貴。

PLC直方圖控制法又稱動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)法。PLC單板機(jī)是比較常見的一種儀表控制方式，PLC單板機(jī)與計(jì)算機(jī)通過常規(guī)接口連接，有使用者錯(cuò)認(rèn)為是計(jì)算機(jī)在控制實(shí)驗(yàn)室的指標(biāo)運(yùn)行，其實(shí)在PLC直方圖控制法中，計(jì)算機(jī)扮演的角色只是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集及參數(shù)修改，真正的運(yùn)算控制只能通過PLC單板機(jī)來完成。 
　

在恒溫實(shí)驗(yàn)室的控制中，此方法的控制原理是：空調(diào)壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（空調(diào)機(jī)組有制冷和除濕的功能），使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度及濕度指標(biāo)低于實(shí)驗(yàn)室正常指標(biāo)要求，再分別加熱及加濕，最后達(dá)到加熱量約等于制冷量，除濕量約等于加濕量，使實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 
　　

一邊制冷一邊加熱、一邊除濕一邊加濕，此種方法是通過能量的相互損耗達(dá)到指標(biāo)平衡的，因此這種方法的能耗是三種控制方法中最高的。PLC單板機(jī)的運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單，造成系統(tǒng)對(duì)外界的抗干擾能力也較差。 　

智能控制法是采用以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，并配備高精度傳感器。此控制方式打破了傳統(tǒng)恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室采用動(dòng)態(tài)平衡及靜態(tài)平衡的兩種高能耗運(yùn)行方式，使恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效、環(huán)保及超低維護(hù)率。 

此方法采用空調(diào)變頻器調(diào)節(jié)空調(diào)制冷量，在溫度平衡后，空調(diào)加熱量只略高于新風(fēng)干擾源及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種散熱及熱損耗之和。計(jì)算機(jī)在線跟蹤并計(jì)算需要補(bǔ)充熱量的大小，通過加熱智能模塊改變電加熱運(yùn)行的電壓，達(dá)到改變并控制電加熱功率的作用，使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指標(biāo)不受到外界及室內(nèi)干擾源的干擾，達(dá)到溫度平衡，系統(tǒng)的溫度控制波動(dòng)范圍在±o.2℃以內(nèi)。系統(tǒng)既提高了精度，降低了能耗，又解決了傳統(tǒng)恒溫叵濕實(shí)驗(yàn)室的控制滯后問題。 

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的主要研究?jī)?nèi)容可以分為四個(gè)模塊：（1）輸入模塊：即為數(shù)字溫度傳感器。（2）輸出模塊：包括顯示，報(bào)警電路，放大電路，V／I轉(zhuǎn)換等。（3）單片卡幾是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，數(shù)據(jù)指令的調(diào)度均由此發(fā)出。（4）上位計(jì)算機(jī)；通過RS485／232串口通訊，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的雙向信息傳輸，這樣操作員存辦公室就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度的實(shí)時(shí)掌控。 

另外單片機(jī)的外圍電路：包括電源電路（用來提供5v電壓源），時(shí)鐘電路（單片機(jī)通過總線通訊調(diào)取時(shí)間值），報(bào)警電路（溫度上下限報(bào)警）等。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 

　　圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

在實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要從上述的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化出其模型圖，以便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。簡(jiǎn)化模型圖如圖2所示。 

　　圖2 系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化框圖

美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器生產(chǎn)的新一代的DSl8820具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)。該器件是將半導(dǎo)體溫敏元件、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在--4很小的集成電路芯片上，傳感器直接輸出的就是溫度信號(hào)數(shù)字值。信號(hào)傳輸采用兩芯電纜構(gòu)成的單總線結(jié)構(gòu)。微控制器通過對(duì)器件的尋址，就可以讀取某一個(gè)傳感器的溫度值，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)采集系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。 

通過比較發(fā)現(xiàn)，AT89S系列單機(jī)與AT89C系列無論在執(zhí)行效率、抗干擾性，還是低功耗方面都體現(xiàn)了其強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)。AT89S51單片機(jī)是AT89S系列單片機(jī)中性價(jià)比最高的芯片之一，貨源充足，技術(shù)資料豐富，并且存儲(chǔ)容量大，避免頻繁升級(jí)。綜合上述各方面因素，在本系統(tǒng)中選用AT89S51單片機(jī)是比較理想的。 

通過RS485／232串口通訊，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的雙向信息傳輸。Maxim公司生產(chǎn)的MAX485芯片是一款用于RS-485通信的低功率差分平衡器收發(fā)芯片，芯片內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，符合RS-422A和RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，我們?cè)谏瘜?shí)驗(yàn)叵溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中要根據(jù)實(shí)際情況，改變降溫方法，將會(huì)節(jié)約大量的電能和水，在保障計(jì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，實(shí)現(xiàn)“低碳”計(jì)量。