文 献 综 述

一、选题的背景及依据

发酵是食品、医药等许多行业的一个关键生产过程，溶解氧是微生物发酵过程中一个至关重要的参数。对溶解氧的在线监测及数据采集是对整个发酵过程进行监控和研究的必备手段，发酵过程的自动控制必然要求对溶解氧进行有效的在线控制。目前大多数生物反应器都采用通用仪表对溶解氧及其相关参数进行监测，在无特殊要求的生产场合通用仪表一般能满足需要。但在对测量精度和抗干扰能力的要求较高时，尤其是在需要对溶解氧进行研究和在线控制时，通用仪表往往表现出多方面的不足。

文中以微生物发酵控制系统为应用背景，在已有的微生物发酵处理系统的基础上，对其控制方案进行了改进，提出了以STM32为控制核心，过程控制板，现场执行机构的方案代替了原来的IPC，PLC和现场执行机构三层结构的控制方案。研制在微生物发酵控制系统中完成对PH，溶氧度在线监测和控制。

二、控制原理

对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。对这些参数进行精确实时在线测量是实现溶解氧自动控制的一个基本前提。

微生物发酵是一个长期连续的过程，目前普遍采用的极谱式溶氧传感器时间常数较大， 并且需要定期校准，因此控制器的输入通道使用AD7714比较合适。此器件是AD公司为低频高精度应用设计的一种高性能A/D调理和转换器件，它采用先进的Σ-Δ技术实现24位无误码的高分辨率，前端配以内置增益可编程运算放大器和数字滤波器，提供完备而灵活的校准功能， 能够与多种传感器直接连接，与微机的接口简单为设计抗干扰能力强、性能优良、功能灵活、 能够长时间稳定运行的现场仪表提供了有利条件，是测量溶解氧这样微弱低频电信号的理想模数转换器件。

通常对搅拌式发酵罐中溶解氧的控制是通过调节搅拌电机的转速和通气量来实现的， 在绝大多数情况下，12位D/A芯片足以满足搅拌电机转速的控制要求。由于溶氧变化缓慢，对电磁阀进行脉宽调制可以实现对通气量精确连续的调节。实际控制器针对微生物发酵罐而设计，用AD7714和STM32对溶解氧、搅拌电机转速和发酵过程中的重要参数pH值进行在线检测，并将测量数据实时上传给PC。PC给单片机回送相应的控制量，再由STM32通过数模芯TLC5618调节搅拌电机转速，通过开通或关闭电磁阀调节通气量实现对溶解氧的自动控制。

以在发酵罐中的真菌发酵过程为实验研究对象，对真菌在发酵过程中的氧消耗量进行全过程的测量与控制， 所用传感器是由 METTLER TOLEDO 公司生产的 InPro 6000serials 传感器。仪器溶解氧分辨率0.1%，测量精度#177;1%，控制精度 ≤ 5%。考虑实际使用过程中的繁杂性，如需要定时校准、某些条件下要进行极化处理等，因此设计了自动校准和极化程序开始采样信号START，FPGA送出HOLD信号通知DSP将数据总线和地址总线挂起，FPGA 接到 DSP 应答信号HOLDA 后开始采样控制，当场同步信号为低电平且在奇场时，行采样计数器自动清零。输出信号有： 控制像素采样模块有效行计数使能信号COUNTEN；一帧图像采集完毕后， 产生FULL中断信号，把总线控制权交给DSP。当DSP向采样控制器发出采集一帧图像的命令后， 采样控制器产生一个 HOLD信号，把DSP的数据总线和地址总线挂起，获得总线控制权。收到 DSP 的应答信号后，采样控制器需要判断图像扫描是否处在偶场结束后，奇场开始前。否则， 等到下一个奇场的到来才开始采样，以保证采集到的图像是完整的。当奇、偶场的无效行采样进行时，有效行计数使能信号一直保持低电平，禁止像素采样开始。无效行计数结束，有效行计数开始，有效行计数使能信号变为高电平，像素采样控制模块开始工作。当有效行计数结束时，行采样控制产生一个中断信号，把总线控制权交给DSP。当下一帧图像到来时， 行采样计数器重新开始工作。