生物酶膜反应器实时监控系统EnzymaticMembran

生物酶膜反应器实时监控系统张旭,何明霞,杨学友（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072）摘要：介绍了基于单片机PIC18F448、按照RS485总线协议构建而成的生物酶膜反应器实时监控系统，描述了该系统的组成和基本工作原理，并对系统的硬件设计和软件设计作了较为详细的说明。实际应用证明，该系统工作性能稳定可靠，解决了传统设备在生产过程中控制精度低、自动化程度差的问题，实现了测控技术与生化工程的良好结合。关键词：生物酶膜反应器；PIC18F448；实时监控；RS485总线中图分类号：TP273EnzymaticMembraneReactorReal­timeMonitoringSystemZhangXu,HeMing­xia,YangXue­you(PrecisionInstruments&TechnologyCollegeofTianjinUniversity,Tianjin,300072)Abstract:Enzymaticmembranereactorreal­timemonitoringsystembasedonthemicrocontrollerPIC18F448andRS485busisintroduced,andthestructureandprincipleofthesystemispresented,andthedesignofsoftwareandhardwareisalsodescribed.Throughactualappliedproof,thesystem’sfunctionisstableandcredible．Theproblemthattraditionalequipmentisinlowprecisionandlowautomatizationinthemanufacturingprocessissolved.Thissystemisthecombinationofthemeasurementandcontroltechnologywiththebiochemistryengineering.Keywords:Enzymaticmembranereactor；PIC18F448；Real­timemonitoring；RS485bus0引言随着生物化学工程和膜技术的不断发展，酶膜反应器成为近年来研究的一个重要领域。酶膜反应器是反应与分离耦合的装置，集产品分离、纯化和酶的回收利用于一体，可实现连续化操作[1]。由于温度和pH值对酶的活性影响较大，酶的活性对反应的速度和反应产物的品质影响较大，同时要求酶膜耦合反应器长时间连续工作，而传统的设备难以保证对温度、pH值等反应条件的控制精度，并且自动化程度差[2],因此实现对酶膜反应器内反应物的温度、pH值和体积的自动测量与控制是非常必要的。______________________本文所介绍的生物酶膜反应器实时监控系统，是以微芯公司的单片机PIC18F448作为测控电路的核心，并按照RS485总线协议而构建而成的，实现了对多个反应容器内反应环境等参数进行设定、测量、控制及记录。1系统组成及基本工作原理整个系统是由一台上位机和多个独立的酶膜反应器测控节点共同组成的实时监控网络。上位机从RS485总线上接收测量数据，发送控制指令。每个酶膜反应器主要由反应釜、膜过滤器及回流装置和控制箱构成。反应釜带有搅拌装置和附有电热管的夹套；膜过滤器及回流装置实现反应产物的析出及反应物的循环回流；控制箱的核心部分是基于PIC18F448的主控电路，实现对传感器信号的采集处理、对电热管及电磁阀等执行元件的控制和与计算机之间进行通讯。下图1为酶膜反应器的结构简图。图1酶膜反应器结构简图图中，1－反应釜，2－超滤膜，3－原液罐，4－碱液罐，6－压力表，7－搅拌装置，8－手动阀，10－蠕动泵，10、11－交流、直流电磁阀，12－电热管，13－夹套，14、15、16－温度、pH、液位传感器，17－紫外检测仪。2系统硬件设计系统硬件设计包括整个网络的物理联结结构和每个测控节点硬件构成。2.1测控网络的联结结构整个网络由一台上位机通过RS485总线实现与多个测控节点的联结。上位机的PCI插槽中安装有一块MOXA公司研制的CP­132IS型RS422/485串口卡，采用数据流向自动控制ADDC方式,具有光电隔离和浪涌保护功能，确保稳定地实现RS­485通信串口数据的传送和接收。……图2测控网络的结构框图2.2测控节点硬件构成测控节点包括中央处理单元PIC18F448，滤波放大电路，执行元件驱动电路，LED显示电路，通讯接口电路，日历时钟，数据存储，键盘设定及报警单元等。PIC18F448采用哈佛总线结构，精简指令技术，运算速度高，内部集成功能多，外接电路简单，可方便地应用于各种控制网络。PIC18F448的突出特点有：内部集成10­bit、8­channelA/D转换模块；内部集成USART通讯模块，支持RS485通讯协议；内部集成MSSP通讯模块，具有IIC、SPI通讯接口；16K­byteFLASH存储器，768­byteRAM存储器，256­byte数据EEPROM存储器；内置看门狗电路等[3]。温度、pH、液位传感器分别将反应釜内反应物的温度、pH值、体积信息转换成4­20mA电流信号，经过处理电路进行滤波放大转换成0­5V电压信号，称重传感器、紫外检测仪分别将反应得到的产物的重量、蛋白质吸光度信息直接转换成电压信号，经过滤波放大转换成0­5V信号，以上五路信号再通过PIC18F448的AD转换通道进行模数转换，得到的数字量再经过处理，按照模糊控制理论，通过I/O口、芯片MC1413来控制固态继电器、VMOS场效应管，以驱动电热管、电磁阀实现对反应条件的控制，然后将相应的温度值、pH值、体积值数据以SPI模式发送到芯片MAX7221驱动数码管进行显示，同时将上面的五个信息数据存储并通过RS485总线发送到上位机进行显示处理。同时，测控电路可以通过两种方式实现对反应物的温度、pH值和体积数值大小的设定，一种是通过控制面板上的按键进行设定，另一种是通过接受上位机发送的数据进行设定。测控节点的硬件结构框图如下图3所示，其中MAX1487为RS485串口通讯驱动芯片，PCF8583为日历时钟，AT24C256为片外EEPROM存储器。图3测控节点的结构框图测控节点的传感器信号转换接口电路部分如图4PIC18F448传感器放大滤波继电器VMOS管MC1413按键设定ADCI/OINTUSARTMAX1487上位机SPIMAX7221LEDAT24C256PCF8583故障报警上位机串口卡MAX1487PIC18F448#1#2MAX1487MAX1487PIC18F448PIC18F448#nRS485总线所示，图中T/V/pH表示温度、液位、pH传感器输出的电流信号，经过处理电路后进入PIC18F448的AD转换通道AIN0进行模数转换，M1/X1、M2/X2表示称重传感器、紫外检测仪输出的差分电压信号，经过处理电路后进入AIN1通道进行模数转换。图4传感器信号转换接口电路3系统软件设计系统软件设计包括PIC18F448的汇编程序设计和上位机监控界面程序设计。3.1PIC18F448的汇编程序设计单片机PIC18F448是电路的核心智能单元，通过执行汇编程序实现处理、控制、驱动及通讯等功能。整个汇编程序包括主程序和中断程序，采用模块化设计，主程序中顺序调用读EEPROM子程序、RS485初始化子程序、AD转换子程序、控制子程序、LED显示子程序等若干个功能模块；中断程序中包含读串口数据子程序、写串口数据子程序、按键设定子程序等功能模块[4]。以下的图5、图6分别为PIC18F448的主程序和中断程序流程图。图5主程序流程图图6中断程序流程图3.2监控界面程序设计上位机监控界面程序设计采用VB语言编制，通过RS485总线实现与各个测控节点的通讯，主要完成向节点发送温度、pH值和体积等环境参数的设定值，显示温度、pH值、体积、产物重量和吸光度的实际测量值并绘制成曲线，同时记录反应过程中诸如加原液量、加酶量、反应时间等数据，主界面如图7。图7上位机监控界面4实际应用结果监控系统在运行中对反应釜内反应物的温度、pH值和体积等参数的实际控制效果如图8­1、8­2、8­3所示，系统达到稳定后，控制精度：温度，±0.3℃；pH开始主程序入口从片内EEPROM读出设定值AD转换程序LED显示程序控制程序INT中断使能中断入口接收中断？RS485初始化，接收中断使能INT中断？本节点？全局中断禁止接收数据？接收设定数据N发送测量数据全局中断使能NN返回按键设定程序N值，±0.1；体积，±0.2L，达到了项目预期的指标要求：温度，±0.5℃；pH值，±0.2；体积，±0.5L。图8­1温度曲线图图8­2pH值曲线图图8­3体积曲线图5结束语基于PIC18F448和RS485总线的生物酶膜反应器实时监控系统，实现了对生物化工反应生产过程的自动化监测与控制，整个系统实时性好、精确度高，网络通信畅通、可靠，上位机远程监控、数据处理方便快捷，工作性能良好，同时具有较强的适应性和扩展性，发展前景广阔。参考文献[1]姜忠义.酶膜反应器研究和应用进展[J].石油化工，2002，31(6)：479­482[2]乔文.酪蛋白鳞酸肽连续制备工艺开发[D].天津，天津大学化工学院，2003[3]Microchip,PIC18FXX8DataSheet[DB].MicrochipTechnologyinc.,2002[4]彭树生，庄志洪，赵惠昌，PIC单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002