【摘 要】明确阐述了当前我国高校生物专业实验对于实验箱的使用情况，对生物实验箱使用过程中的问题进行分析，提出一种符合当前高校生物专业形势，适用于高校实验室使用人工气候实验箱。
【关键词】人工气候箱；高校生物实验
二十世纪九十年代以来，细胞生物学、分子生物学、药理学等的研究领域都有了一定的进步。生物学技术也逐渐渗透到了我们生活的方方面面。作为一门意义重大、极富发展潜力的学科，各高校也在教育部规划下推动生物专业的开设，培养更多的生物专业技术人才。
生物学作为理论与实验性极强的学科，实验在对学生的培养计划中尤为重要。在实验的设备中，对于控制植物生长环境的设备逐渐由功能较为单一的实验箱向控制较为复杂的人工气候室发展。高校作为科研的前沿，在对学生的培养过程中，构建大型的人工气候室，其投入的资金与维护的费用较为巨大，所以，对于高校生物实验室中对于植物生长环境的模拟最有效的方法便是使用人工气候箱。
目前，实验室使用的常规人工气候箱能够精确的实现对温度，湿度，光照的组合控制，且性能较为稳定。对于一些智能人工气候箱，操作也极为方便，且响应速度较快。但是常规的人工气候箱用于高校实验室，体积太大，并不方便实验的过程中的操作，且功能参数较为简单，大部分只是对气候条件的部分模拟。在结构上气候箱的作用，多层的人工气候箱只是使用单一的光源，无法满足对不同光源需求的要求。
本文设计了一种能广泛应用于高校实验室的人工气候箱。采用多参数化控制，使得人工气候箱不仅能够进行单一条件的对比试验，还可以进行多环境因素的综合实验。在结构上使气候箱的采用多间隔藏，实现人工气候箱一箱多用的特点。
1.仪器的设计制作
1.1人工气候箱系统的整体设计
本文人工气候箱相关技术指标：
公称容积：1.5立方米
温度控制范围：0℃～50℃
温度波动性允许：±1℃
温度均匀性允许：±3℃
湿度控制范围：50%～90%RH
湿度波动允许性：±3RH
湿度均匀性误差：±5RH
光照度：0～300（Lx±2）
气压：70MPa～103MPa
工作电源：AC220±20V、50Hz
工作时间：连续
工作环境：室内
图1 人工气候箱
为了使气候箱实现其特定的功能，整体系统包括箱体，内部设备箱和外部电气设备箱。箱体的主要作用是将内外环境隔离，通过使用保温材料，对箱体内部环境的保温。内部设备箱主要安装加湿器，加热器等一系列实现气候箱功能的设备，使气候箱的使用空间达到最大化；外部电气设备箱主要安装真空泵，交换阀等电气设备，实现对气候箱整体的运转。（见图1）
1.2温度控制部分
在实验箱的温度控制系统中，采用加热与降温分别控制的方法。在加热系统中，使用两种结构不同的加热管，一种是放置在水箱中通过提高水温，与加湿系统形成加温加湿系统；另一种是采用表面焊接散热片的电热管，通过加热空气，从而改变实验箱的温度。通过风机形成箱内的微循环，使整个实验箱内的温度提高。在降温系统中，采用压缩机制冷的方法，降低实验箱的内部温度。通过将加热与降温分别控制，使实验箱内的温度调节更加迅速，精确。
1.3湿度控制部分
设备为了配合湿度与温度的不同要求，采用分散降温，低温加热，加湿系统相互独立的方法。使加热或加湿在不同要求下的操作需求更易于实现。现设计的新型加热加湿循环系统，改变了以往培养箱局部温湿度过高的现象。满足了对实验箱内湿度温度均匀的要求。升温、加湿、空气循环使用四个SUNON SF11025AT工业风扇固定在安装板上，在安装板的前面安装设备架，放置水箱。在上面两个风扇前固定水帘板（水帘板为植物纤维材质，具有极强的吸水性，波浪皱褶的表面增大了与空气的接触面积，形成薄薄的水膜，使水分充分蒸发），利用水泵将水箱内的水抽到水帘板的上端淋下，使水帘板表面形成水膜，在风扇的作用下，加速水分的蒸发；在水帘板的阻挡作用下，减缓风扇产生的风速，在实验箱内形成循环的自然风环境。模拟了植物所需升、降温相对缓慢，湿度均匀的大自然环境。
采用超声波雾化器，在循环系统的作用下，辅助加湿。超声波加湿器是利用超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化，机械共振变化再传输到与其接触的液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用气候箱的作用，由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波，而张力波的波头飞散，使液体雾化，通过雾化量增加与积累形成雾气环境。
1-加热管 2-设备架 3-水箱 4-水帘板 5-水箱加热器
6-超声波雾化器 7-风扇安装板 8-风扇
图2 内部设备箱部分设备安装示意图
1.4光照控制部分
图3 白炽灯光谱（色温=2855，Ra=100）
光照作为生物生长的必须条件，在生物培养实验中极其重要。通过查阅相关资料，安装白炽灯与日光灯更加接近的实现对于自然阳光的模拟。白炽灯与日光的发光原理截然不同。白炽灯是基于黑体热辐射产生白光的发光原理（最接近自然界中太阳的发光原理），产生连续的光谱；荧光灯利用紫外线激发红绿蓝三色荧光粉来生产白光，利用各不同颜色的荧光粉来填充光谱图中不同波长的颜色。当培养不同的生物时，可根据该生物对于光照的要求，做出相应的光照强度设定。
图4 荧光灯光谱（色温= 6804，Ra=80.4）
1.5气体环境控制部分
现有大气环境中空气成分大致相同，由于生物（植物）实验需要改变空气中的一些气体成分，而影响植物生长的主要因素便是氧气与二氧化碳。所以，在实验箱外配备了二氧化碳和氧气的储气瓶，在管路中安装单向阀和减压阀，使从储气瓶中的气体安全的到达实验箱内，利用电磁换向阀和电子阀等电子气动元件，接入电子控制系统中，完成对气体的定量控制。由于氧气在通过管路进入实验箱内时，浓度较高，在使用的过程中极易发生危险，所以，将导气管在实验箱进口处安装了气体混合器，使氧气快速混合进入实验箱内，避免发生事故。 1.6气压控制部分
实验箱可进行一般的生物（植物）培养研究，也可以模拟高原负压环境，使生物研究实验的领域扩展到更高的层次。实验箱的整体是采用密封结构，在需要打开的箱门与箱体之间，特殊的密封措施。在实验箱的上部预留了管路界面，在实验箱外部，通过管路界面连接安装螺杆式真空泵，利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转完成吸气和排气。加装了气压传感器，完成对实验箱内的气压的检测，在控制面板上，通过气压调节按钮，设定所需的气压值，在微电脑控制系统的处理下，使真空泵完成工作。
1.7传感器检测部分
在传感系统中，温度和湿度的检测选用Sensirion公司的SHT11温湿度传感器。SHT11传感器同时产生温度、相对湿度信号，经过内部电路的放大，送到A/D转换器进行模数转换、校准和纠错，再通过二线串行接口将温度值和相对湿度值送至单片机PIC16F877A，最后利用单片机完成非线性补偿和温度补偿。
1.8人机交换部分
人机交换部分的功能是初始温度值的设定与参数值的显示。针对不同的温度需求，设置一个初始输入设置，使系统箱体以设置的温度作为控制目标值。显示的参数值包括设置的初始值和经过补偿计算得到的温湿度值。
2.系统的设计
在硬件设计上完全采用模块化设计思想，选用通用IC芯片，所有电气连线采用接插方式，并实现强弱电完全的电气隔离，以保证系统安装方便，运行可靠、维护简单；人工气候箱的控制采用8位微处理器（MPC）做控制器，完成对气候参数的检测与调节，在整个系统处于下机位的地位；中央控制计算机有通用PC机实现，存储专家数据库以及显示运行状态、打印运行参数分析结果；中央控制器与下机位的通讯采用成熟的RS232接口标准。
对于单片机控制系统的总体设计，按照易于维护、实时性、可测试性、准确性、可靠性的思想。在电路上多采用较为成熟的技术，例如：执行PID控制器的CPU芯片选用ATMEL公司标准型单片机AT89C51，内含4KB可重复编程Flash存储器，可进行1000次擦写操作。A/D转换器件采用好用，精度较高的TLC2543，温度传感器采用在工业中应用最广的铂电阻传感器PT100，在测温范围内化学物理特性稳定。选用MC-2型电容式湿敏传感器。这种湿敏原件尺寸小、响应快、线性度好、温度系数小、有良好的稳定性。在硬件设计中尽量提高每一部分的精确度和整个系统的可靠性，例如采用复位电路恢复等。
图2为下机位控制电路原理图。从图中可以看出，在单片机控制系统里，信号的传递过程是：检测――A/D转换――数字滤波――标度转换――温度值，再把温度值分别送往显示电路、上机位，并经PID算法处理输出。
图5 下机位控制电路原理图
三、结论
本文所设计的人工气候箱，采用AT89C51作为主控器件，将温湿度传感器、光照传感器、气压传感器等结合在一起，控制并显示箱体内的各个参数值，使气候箱能够精确完成所需的功能。采用干热、湿热，超声波加湿器辅助加湿的方法，解决了气候箱局部温湿度过高的问题。作为高校的实验设备，更加方便实验的操作，以及一些对比实验的完成。
参考文献：
[1]陈玉娟.《探讨提高生物技术专业大实验教学效果》，长春理工大学学报，2013，第26卷第8期
[2]吴金华.《人工气候箱的研究现状综述》，机电技术，2012，第6期
[3]杨军.《一种便携式细胞培养箱的研制》，传感器与微系统，2012年 第31卷 第2期
[4]许伦辉.《小型人工气候室控制系统设计》，微机算机信息，2004年 第2卷 第5期
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