Nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cáy vi khuẩn

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Mở đầu Đặt vấn đề Đà từ xa xa, cha nhận thức đợc tồn vi khuẩn, nhng loài ngời đà biết đợc nhiều tác dụng vi khuẩn gây nên Đến trình sản xuất sống, loài ngời đà tích lũy đợc nhiều kinh nghiệm quý báu biện pháp ứng dụng vi khuẩn có ích phòng tránh vi khuẩn có hại Vi khuẩn có kích thớc nhỏ bé có cấu trúc thể tơng đối đơn giản nhng chúng có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh chóng hoạt động trao đổi chất vô mạnh mẽ Vi khuẩn có khả góp phần phân giải hầu hết loại chất Trái Đất, kể chất khó phân giải, chất thờng gây độc hại đến nhóm sinh vật khác Bên cạnh khả phân giải vi khuẩn có khả tổng hợp nhiều hợp chất hữu phức tạp điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thờng Ngoài tác dụng to lớn vi khuẩn không kể đến vi khuẩn có hại, chúng gây bệnh cho ngời, cho gia súc, gia cầm, tôm cá, cho trồng, rừng, chúng làm h hại biến chất lơng thực, thực phẩm, nguyên vật liệu, hàng hóa Chúng sản sinh độc tố có độc tố độc hại Trong Y học nh chăn nuôi, trồng trọt vấn đề lớn phòng chống đợc bệnh truyền nhiễm phơng pháp đề phòng dịch bệnh lây nhiễm từ sóc vËt sang ng−êi, tõ ng−êi sang ng−êi Trong xu áp dụng rộng rÃi Điện tử, Tin học vào sống, hầu hết thiết bị có sử dụng Điện tử đà đợc hoàn thiện nhằm nâng cao chất lợng sống Đặc biệt Y học chăn nuôi, để nuôi cấy trì sống vi khn nh»m nghiªn cøu phơc vơ cho cc sèng sản xuất, đặc biệt phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học nhằm phát vi khuẩn có ích khác vi khuẩn có hại Khoa Cơ điện -1- Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 để khống chế đợc chúng, sử dụng chúng vào việc có lợi cho ngời Khi đó, tủ nuôi cấy vi khuẩn có sử dụng mạch điện tử vào điều khiển đà đời nhằm trì sống cho vi khuẩn nuôi cấy chúng nhiệt độ thời gian định Mặc dù giới có nhiều chủng loại thiết bị nuôi cấy đại, công suất lớn Song phần không hoàn toàn phù hợp với điều kiện Việt Nam Do đó, để đáp ứng phần nhu cầu với nắm bắt đợc tiến khoa học kỹ thuật đặc biệt điện tử đà đợc ứng dụng mạnh mẽ vào sống sản xuất tiến hành đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn Trong trình thực đề tài tiến hành nghiên cứu khảo sát loại tủ nuôi cấy bệnh viện Bạch Mai, khảo sát biến đổi nhiệt độ thời gian trình nuôi cấy Từ kết tiến hành xây dựng mô hình lắp ráp thực tế Với kết đà đạt đợc, khẳng định hệ thống điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy thiết kế hoàn toàn có tính khả thi ®iỊu kiƯn n−íc ta hiƯn Mơc ®Ých cđa đề tài Trên sở kiến thức đà học đợc nhà trờng kiến thức thực tế tiếp thu đợc trình thực tập mạnh dạn đề xuất, thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn lắp ráp mạnh tự động điều chỉnh nhiệt độ Mạch dùng để thay mạch điều chỉnh nhiệt độ tủ gặp cố cần sửa chữa để không làm gián đoạn thời gian nghiên cứu nhà vi sinh vật Đặc biệt, mạch dùng để lắp Nội dung đề tài Tìm hiểu khái quát đặc điểm điều kiện sống vi khuẩn, tác động môi trờng điều kiện phát triển vi khuẩn Trình bày nguyên tắc chung mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy Khoa Cơ ®iƯn -2- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Giới thiệu số sơ đồ điều khiển thực tế đợc sử dụng phụ kiện quan trọng mạch điều khiển nhiệt độ Tính toán thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn Phơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu theo phơng pháp lý thuyết - Nghiên cứu theo phơng pháp ứng dụng - Nghiên cứu theo phơng pháp chuyên gia Chơng Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống vi khuẩn tác động môi trờng phát triển vi khuẩn Khoa Cơ điện -3- Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 1.1 Khái niệm chung Xung quanh ta sinh vật lớn mà nhìn thấy đợc có sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển vi Ngời ta gäi chóng lµ vi khn Vi khn sèng ë khắp nơi Trái Đất: từ đỉnh núi cao tận đáy biển sâu, không khí, đất, hầm mỏ, sông ngòi, ao hồ, da, phận thể ngời, động vật, thực vật, sản phẩm lơng thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa nơi mà điều kiện sống tởng chừng nh phức tạp khắc nhiệt mà thấy có phát triển vi khuẩn Chẳng hạn nh vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng sống đợc dới đáy đại dơng, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm nhiệt độ thờng xuyên vào khoảng 30C Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát triển cách bình thờng nhiệt độ khoảng từ 85 900C Vi khuẩn Thiobacillus ferroxidans phát triển dung dịch mỏ sắt có độ pH = - Vi khuẩn Streptococcus faecalis lại phát triển tốt môi trờng có độ PH = 10 - 11 Vi khuẩn a mặn thuộc chi Halobacterium, Halococcus phát triển đợc dung dịch bÃo hòa muối (32% NaCl) Có vi khuẩn có khả đồng hóa dầu mỏ, phenol, khí thiên nhiên Ngời ta đà làm thí nghiệm tính toán đợc 1gam đất lấy tầng canh tác thờng có khoảng từ - 22 tØ vi khuÈn, 0.5 - 14 triƯu x¹ khn, - 50 triƯu vi nÊm, 10 - 30 nghìn vi tảo 1m3 không khÝ ë phÝa trªn chng gia sóc th−êng cã tõ - triệu vi sinh vật, đờng phố có khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nhng đặc biệt mặt biển có khoảng từ - vi sinh vật sinh sống mà Đặc biệt kể từ đầu thập kỷ 70 kỷ XX ngời ta đà bắt đầu thực thành công thao tác di truyền vi khuẩn Đó việc chuyÓn mét gen hay mét nhãm gen tõ mét vi khuẩn hay tế bào vi khuẩn bậc cao (nh Khoa Cơ điện -4- Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tèt nghiƯp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 ngời, động vật, thực vật) sang tế bào vi khuẩn khác Vi khuẩn mang gen tái tổ hợp nhiều đà mang lại lợi ích to lớn sản sinh quy mô công nghiệp sản phẩm trớc cha đợc tạo thành vi khuẩn 1.2 Đặc điểm chung cđa vi khn 1.2.1 KÝch th−íc nhá bÐ M¾t ngời khó thấy đợc rõ vật có kích thớc nhỏ khoảng 1mm Vậy mà vi khuẩn thờng đợc đo b»ng micromet ChÝnh v× vi khn cã kÝch th−íc nhá bé diện tích bề mặt vi khuẩn lớn Chẳng hạn nh số lợng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt 6m2 1.2.2 HÊp thu nhiỊu, chun hãa nhanh Vi khn cã kÝch th−íc nhá bÐ nhÊt sinh giíi nhng lợng hấp thu chuyển hóa chúng vợt xa sinh vật bậc cao Chẳng h¹n nh− vi khn Lactic giê cã thĨ phân giải lợng đờng Lactozơ nặng 1000 - 10000 lần khối lợng chúng Nếu tính số l O2 mà mg chất khô thể vi khuẩn tiêu hao mô mô rễ thực vật 0.5 - 4, tổ chức gan thận động vật 10 - 20, ë vi khuÈn thuéc chi Pseudomonas lµ 1200, ë vi khuẩn thuộc chi Azotobacter 2000 Năng lực chuyển hãa sinh hãa m¹nh mÏ cđa vi sinh vËt dÉn đến tác dụng lớn lao chúng thiên nhiên nh hoạt động sống ngời 1.2.3 Sinh trởng nhanh, phát triển mạnh So với sinh vật khác vi sinh vật nói chung vi khuẩn nói riêng có tốc độ sinh trởng sinh sôi nảy nở cực lớn Chẳng hạn nh vi khuẩn Escherichia coli điều kiện thích hợp khoảng 12 - 20 phút lại phân chia lần Nếu lấy thời gian hệ 20 phút phân chia lần, 24 phân chia 72 lần, từ tế bào ban đầu sinh ì 1021 tế bào tơng đơng với khoảng 4722 Tuy nhiên thực tế tạo đợc điều kiện sinh trởng lý tởng nh đợc số lợng vi Khoa Cơ điện -5- Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 khuẩn thu đợc 1ml dịch nuôi cấy thờng đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào 1.2.4 Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị Năng lực thích ứng vi khuẩn vợt xa so với động vật thực vật Trong trình tiến hóa lâu dài vi khuẩn đà tạo cho chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng đợc điều kiện sống bất lỵi Sù thÝch øng cđa vi khn nhiỊu v−ỵt xa trí tởng tợng ngời Phần lớn vi khuẩn giữ nguyên sức sống nhiệt độ nitơ lỏng (-1960C), chí nhiệt độ hidr« láng (-2530C), mét sè vi khn cã thĨ sinh tr−ëng ë nhiƯt ®é 2500C, thËm chÝ 3000C Mét sè vi khn cã thĨ thÝch nghi víi nång ®é 32% NaCl Vi khuÈn Thiobaccillus thioxidans cã thÓ sinh tr−ëng ë pH = 0.5 vi khuÈn Thiobacillus denitrificans l¹i thích hợp với điều kiện phát triển pH = 10,7 Vi khuẩn Micrococus radidurans chịu đợc cờng ®é bøc x¹ tíi 750.000 rad Vi khn rÊt dƠ phát sinh biến dị thờng đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trờng sống Tần số biến dị thờng 10- 5- 10-10 1.2.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi khuẩn phân bố khắp nơi Trái Đất Chúng có mặt thể ngời, ®éng vËt, thùc vËt, ®Êt, n−íc, kh«ng khí, đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi núi cao, từ nớc ngầm nớc biển Trong đờng ruột ngời số lợng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao chúng đạt tới số lợng 1010 - 1011/g phân, gấp 100 - 1000 lần số lợng vi khuẩn Escherichia coli độ sâu 10000m Đông Thái Bình Dơng nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo có áp suất cao ngời ta phát thấy có khoảng triệu đến 10 tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu vi khuẩn lu huỳnh 1.3 Điều kiện sinh sống vi khuẩn Khoa Cơ điện -6- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Điều kiện sinh sống vi khuẩn chất dinh dỡng nguồn thức ăn chúng 1.3.1 Thành phần tế bào chất dinh dỡng vi khuẩn Các chất dinh dỡng vi khuẩn chất đợc vi khuẩn hấp thụ từ môi trờng xung quanh đợc chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho trình tổng hợp tạo thành phần tế bào để cung cấp cho trình trao đổi lợng Quá trình hấp thụ chất dinh dỡng để thỏa mÃn nhu cầu sinh trởng phát triển vi khuẩn Không phải thành phần môi trờng nuôi cấy vi khuẩn đợc coi chất dinh dỡng Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nhng làm nhiệm vụ bảo đảm điều kiện thÝch hỵp vỊ thÕ oxy hãa - khư, vỊ pH, áp suất thẩm thấu, cân ion Chất dinh dỡng phải hợp chất có tham gia vào trình trao đổi chất nội bào Thành phần hóa học tế bào vi khuẩn định nhu cầu dinh dỡng chúng Thành phần hóa học cấu tạo nguyên tố C, H, O, N, nguyên tố khoáng đa lợng nguyên tố khoáng vi lợng Chỉ riêng nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na ®· chiÕm ®Õn 98% khối lợng khô tế bào vi khuẩn E.coli Lợng chứa nguyên tố vi khuẩn khác không giống điều kiện nuôi cấy khác nhau, giai đoạn khác nhau, lợng chứa nguyên tố loài vi khuẩn không giống Trong tế bào vi khuẩn hợp chất đợc chia thành: nớc muối khoáng, chất hữu + Nớc muối khoáng Nớc chiếm đến 70 - 90% khối lợng thể vi khuẩn Tất phản ứng xảy tế bào vi khuẩn đòi hỏi có tồn nớc Yêu cầu vi khuẩn nớc đợc biểu thị cách định lợng độ hoạt động nớc (ký hiệu aw) môi trờng Độ hoạt động nớc đợc gọi nớc (ký hiệu pw): Khoa Cơ điện -7- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 aw = p p0 Trong p áp lực dung dịch, p0 áp lực nớc Chẳng hạn nh− n−íc nguyªn chÊt cã aw = 1, n−íc biĨn có aw = 0.980, máu ngời có aw= 0.995 Phần nớc tham gia vào trình trao đổi chất vi khuẩn đợc gọi nớc tự Đa phần nớc tế bào vi khuẩn tồn dạng nớc tự Nớc kết hợp phần nớc liên kết với hợp chất hữu cao phân tử tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon ) Nớc liên kết khả hòa tan lu động Muối khoáng chiếm khoảng - 5% khối lợng khô tế bào Chúng thờng tồn dới dạng muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua Trong tế bào chúng thờng dạng ion Dạng cation chẳng hạn nh Mg2+, Ca2+, K+, Na+ Dạng anion chẳng hạn nh HPO42-, SO42-, HCO3-, Cl- Các ion tế bào vi khuẩn tồn tỉ lệ định nhằm trì độ pH lực thẩm thấu thích hợp cho loại vi khuẩn + Chất hữu Chất hữu tế bào vi khuẩn chủ yếu cấu tạo nguyên tố C, H, O, N, P, S Riªng nguyªn tè C, H, O, N ®· chiÕm tíi 90 - 97% toàn chất khô tế bào Đó nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axit nucleic, lipit, hidrat cacbon Trong tế bào vi khuẩn hợp chất đại phân tử thờng chiếm tới 96% khối lợng khô, chất đơn phân tử chiếm có 3.5% ion vô chiếm có 1% Dới bảng tổng kết thành phần hóa học cđa mét tÕ bµo vi khn nhµ khoa häc F.C.Neidhardt tổng kết năm 1987 Bảng 1.1 Phân tử Khoa Cơ điện % Khối lợng -8- Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tèt nghiƯp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 khô (1) Nớc - Tổng số đại phân tử 96 24.609.802 khoảng 2500 Protein 55 2.350.000 kho¶ng 1850 Polisaccarit 4.300 (2) Lipit 9.1 22.000.000 (3) AND 3.1 2.1 ARN 20.5 255.500 khoảng 660 Tổng số đơn phân tử 3.5 khoảng 350 Axit amin tiền thể 0.5 khoảng 100 khoảng 50 0.5 khoảng 200 18 Đờng tiền thể Nucleotit tiền thể Các ion vô vơ Tổng cộng 100 Trong đó: (1) khối lợng khô tế bào vi khuẩn E.coli sinh trởng mạnh 2.8 ì 10 13 g; (2) Pepidoglican glicogen; (3) loại photpholipit, loại có nhiều nhóm khác phụ thuộc vào thành phần axit béo 1.3.2 Nguồn thức ăn cacbon vi khuẩn Đối với vi khuẩn nguồn cacbon đợc cung cấp chất vô (CO2, NaHCO3, CaCO3 ) chất hữu Giá trị dinh dỡng khả hấp thụ nguồn thức ăn cacbon khác phụ thuộc vào yếu tố: thành phần hóa học tính chất sinh lí nguồn thức ăn này, hai đặc điểm sinh lí loại vi khuẩn Ngời ta thờng sử dụng đờng để làm thức ăn cacbon nuôi cấy phần lớn vi khuẩn dị dỡng Cần ý đờng đơn nhiệt độ cao bị chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi đờng cháy khó hấp thụ Trong môi trờng kiềm sau khử trùng đờng dễ bị axit hóa làm biến đổi pH môi trờng Để tránh tợng khử trùng môi trờng chứa đờng ngời ta thờng hấp áp lực 0.5 atm (112.50C) trì 30 phút Với loại đờng đơn tốt nên sử dụng phơng pháp hấp gián Khoa Cơ điện -9- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 đoạn lọc riêng dung dịch đờng (thờng dùng nồng độ 20%) nến lọc màng lọc vi khuẩn sau dùng thao tác vô trùng để bổ sung vào môi trờng đà khử trùng Khi chế tạo môi trờng chứa tinh bột trớc hết phải hồ hóa tinh bét ë nhiƯt ®é 60 - 700C sau ®ã ®un s«i råi míi ®−a ®i khư trïng ë nåi hấp áp lực Xenlulozơ đợc đa vào môi trờng nuôi cấy, vi khuẩn phân giải Xenlulozơ dới dạng giấy lọc, loại bột Xenlulozơ Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ Để làm nguồn cacbon nuôi cấy số loại vi khuẩn phải thông khí mạnh ®Ĩ cho tõng giät nhá cã thĨ tiÕp xóc ®−ỵc với thành tế bào vi khuẩn Để nuôi cấy loại vi khuẩn ngời ta thờng dùng nồng độ đờng 0.5 - 0.2% Hầu hết vi khuẩn đồng hóa đợc loại đờng dạng đồng phân D Các chất hữu chứa C N (pepton, nớc thịt, nớc chiết ngô, nớc chiết đại mạch, nớc chiết giá đậu ) sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N vi khuẩn Phạm vi đồng hóa nguồn thức ¨n cacbon cđa tõng loµi vi khn thĨ rÊt khác nhau: có thực nghiệm cho thấy loài vi khuẩn Pseudomonas cepacia đồng hóa 90 loại nguồn thức ăn cacbon khác nhau, vi khuẩn sinh metan đồng hóa đợc CO2 vài loại hợp chất chứa 1C 2C Với vi khuẩn dị dỡng nguồn thức ăn cacbon làm hai chức năng: nguồn dinh dỡng nguồn lợng Nhất vi khuẩn gây bệnh sống máu, tổ chức ruột ngời động vật muốn sinh trởng đợc nguồn cacbon hữu cần phải đợc cung cấp lợng nhỏ CO2 phát triển đợc 1.3.3 Nguồn thức ăn nitơ vi khuẩn Khoa Cơ điện - 10 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Từ chân số đến chân 14 chân 25 chân tín hiệu số để đa vào LED hiển thị số hàng chục Từ chân số 15 đến chân số 18 chân số 22 đến chân số 24 chân tín hiệu số để đa vào LED hiển thị số hàng trăm Chân số 19: đa tín hiệu hiển thị số hàng nghìn Chân số 20: đa tín hiệu số vào LED hiển thị tín hiệu đo âm Chân số 21: chân nối đất tín hiệu số hình 3.14 Sơ đồ cấu tạo ICL 7107 Chân số 26: chân nối với âm nguồn cung cấp -5V (U-CC) Chân số 27: chân lấy tín hiệu vào khâu tích phân Khoa Cơ điện - 78 - Trờng ĐHNNI-H Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Chân số 28 kết hợp với chân số 27 tạo thành mạch tích phân (INTEGRATOR) Chân số 29 chân đa tín hiệu vào mạch tự động trở không (AUTO ZERO) Chân số 30: tín hiệu tơng tự có cực tính âm đa vào mạch AD Chân số 31: tín hiệu tơng tự có cực tính dơng đa vào mạch AD Chân số 32: tín hiệu nối đất (GND) Chân số 33: nối với tụ C2 Chân số 34: chân hiƯu chØnh (REF) nèi víi ch©n 33 qua tơ C2 Chân số 35: chân hiệu chỉnh (REF) mức thấp (LOW) Chân số 36: chân hiệu chỉnh (REF) mức cao (HIGH) Chân số 37: không sử dụng Chân số 38, 39, 40: chân tạo thành mạch tạo dao động 3.3.5.2 Bộ hiển thị Với u điểm bật nh đà trình bày chơng điều kiện kinh tế sử dụng đèn LED có anôt chung hiển thị chữ số mầu đỏ 3.3.5.3 Sơ đồ nguyên lý đo lờng hiển thị dùng vi mạch ICL7107 Sơ đồ nguyên lý đo lờng hiển thị dùng vi mạch ICL7107 nh hình 3.14 Hoạt động sơ đồ nh sau: tín hiệu cần đo đợc đa vào chân 31, 30 điện áp chiều biến đổi từ ữ 9V , tín hiệu đợc chuyển vào mạch điện tử ICL7107, đợc lấy tích phân kết hợp với R1, C1 chân 27, 28 khoảng thời gian chẳng hạn từ ữ t1 , ta có: t1 U = U A ∫ U v dt = − Uv t1 R1C1 Víi R1 = 470 K ; C1 = 0, 22 F Khoa Cơ điện - 79 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý hiển thị LED dùng vi mạch ICL7107 Sau lấy tích phân tín hiệu vào Ud Utp đợc đa vào so sánh, tuỳ theo mức độ tín hiệu vào mà so sánh cho tín hiệu so sánh vào Khoa Cơ điện - 80 - Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 cổng AND mở cho xung nhịp vào, mạch đếm hoạt động dung lợng mạch hết Mạch điều khiển điều khiển mạch điện tử hoạt động đa tín hiệu điện áp chuẩn vào mạch tích phân để lấy tích phân Uchuẩn khoảng thời gian từ ữ t2 là: U = t2 U U chuan dt = c t2 + U A = ∫ R×C RC Do Uchuẩn có cực tính ngợc với Uv nên sau khoảng thời gian t2, Uchuẩn=0V điện áp so sánh USS=0, cổng AND đóng lại, lúc tín hiệu đếm đợc mạch tín hiệu số tơng ứng với tín hiệu điện áp đa vào Uv Tín hiệu số đợc đa qua giải mà vào thị LED kết nhiệt độ cần đo tơng ứng với chữ số hiển thị thiết bị hiển thị LED Để hạn chế dòng vào LED chúng tiến hành tính tiến hành tính toán nh sau: Do đặc điểm vi mạch ICL7107 là: + Tín hiệu điện áp vào từ: ữ 20V + Tín hiệu điện áp từ: 1,999mV ữ 1,999V + Dòng điện làm việc: 100A + Nguồn cung cấp cho vi mạch là: 5V đặc điểm hiển thị LED hiển thị ánh sáng màu đỏ là: + Dòng điện cấp cho sáng từ: 5mA ữ 20mA + Nguồn cung cấp cho đèn là: 5V Nh vậy, LED sáng cần điện trở hạn dòng là: R= 5V 1,999V = 150Ω , chän R = 150Ω 20mA − 100μA Mặt khác, để so sánh nhiệt độ đặt nhiệt độ đo cảm biết cách trực quan, đề tài có sử dụng hai ICL7107 với sơ đồ nguyên lý giống nh hình 3.14 Để thị nhiệt độ đặt nhiệt độ thực tế tủ nuôi cấy vi khuẩn cách đồng thời 3.3.6 Nguồn nuôi cho mạch điều khiển tủ nuôi cấy vi khuẩn Khoa Cơ điện - 81 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Tất khối mạch điều khiển đo lờng cần phải cung cấp nguồn nuôi cho chúng Các mạch khuếch đại thuật toán đợc sử dụng mạch điều khiển làm việc điện áp lỡng cực lớn 15V , nhng đề tài thiết kế dùng nguồn nuôi lỡng cực có điện áp 9V , nguồn nuôi cho hiển thị 5V Yêu cầu nguồn nuôi là: nguồn nuôi phải có tính ổn định cao điện áp lới xoay chiều thay đổi tải thay đổi Chất lợng điện áp nguồn nuôi phải ổn định phẳng Cấu trúc nguồn nuôi: gồm có biến áp có điểm giữa, cầu chỉnh lu Diode làm nhiệm vụ chỉnh lu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Giá trị trung bình điện áp chỉnh lu đợc xác định theo biểu thøc sau: Ud = 2 ×U π Trong đó: U2 giá trị điện áp thứ cấp máy biến áp(MBA) Với giá trị điện áp cần cung cấp cho nguồn nuôi mạch điều khiển 9V 5V nên ta có dải điện áp làm việc khoảng 9V 10%V 5V 10% Xét trờng hợp điện áp chỉnh lu là: U d = 9V + × 10 10 = 9,9V , U d = 5V + × = 5,5V 100 100 Khi ta có điện áp thứ cấp MBA là: U2 = 9,9 ì 5,5 ì = 11V ,U = = 6V 2 2 Chọn Diode chỉnh lu loại 2N4004 có thông số kü tht lµ: UD = 400V, ID = 1A Víi giá trị điện áp qua chỉnh lu đợc điện áp chiều nhng chất lợng điện áp thấp không phẳng cha thể cung cấp cho mạch điều khiển đợc Do để nâng cao chất lợng điện áp chỉnh lu đề tài chỉnh lu lấy điện áp 9V sử dụng hai IC ổn áp 7809 7909, chỉnh lu lấy điện áp 5V sử dụng hai IC ổn ¸p 7805 vµ 7905, ngoµi ë tr−íc vµ sau IC có mắc thêm tụ điện Khoa Cơ điện - 82 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 nhằm nâng cao tính phẳng cho điện áp Sơ đồ khối nguồn nh hình 3.15a, 3.15b sau: Hình 3.15a Sơ đồ nguồn nuôi cho điện áp 9V Hình 3.15b Sơ đồ nguồn nuôi cho điện áp ±5V Theo kinh nghiƯm ng−êi ta th−êng chän tơ C1 = C3 = 1000 μ F / 25VDC nh»m cải thiện điện áp vào IC ổn áp Còn tụ C2 = C4 = 100 μ F / 25VDC nh»m cải thiện điện áp nguồn nuôi Máy biến áp: vừa có nhiệm vụ cách ly điện áp vừa làm nhiệm vụ hạ điện áp xuống mức yêu cầu Đối với nguồn nuôi sử dụng hai MBA có điểm có điện áp thứ cấp 12V 6V, nguồn cung cấp cho mạch tạo xung ca ®ång bé chóng t«i sư dơng mét MBA cã ®iƯn áp thứ cấp 9V xoay chiều 3.3.7.Mạch điều khiển tự động nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn * Sơ đồ nguyên lý mạch tự động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn nh hình 3.16 sau: Khoa Cơ điện - 83 - Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tèt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Hình 3.16 Sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ Khoa Cơ điện - 84 - Trờng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 * Nguyên lý hoạt động mạch nh sau: ban đầu tủ cha làm việc, đặt nhiệt độ cho tủ điều chØnh VR3,VR4 CÊp ngn ®iƯn 220V xoay chiỊu cho tđ, cầu chỉnh lu cho điện chiều đợc ổn ¸p b»ng hai IC ỉn ¸p 7809 vµ 7909, cÊp nguồn cho mạch điều khiển Do cảm biến đợc đặt tủ nên nhiệt độ thực tủ đợc cảm biến nhiệt độ LM335 cảm nhận chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tơng ứng 10mV/0C Tín hiệu điện áp qua khâu so sánh khuếch đại thuật toán U3A(TL084) cho tín hiệu thích hợp để so sánh với tín hiệu điện áp đặt (tơng ứng với nhiệt độ đặt) Sai lệch nhiệt độ đặt với nhiệt độ thực tủ đo đợc nhờ cảm biến đợc đa đến khâu so sánh thứ hai U2A(TL082) để so sánh với tín hiệu xung ca đồng đợc tạo từ mạch tạo tín hiệu điện áp xung ca đồng cho tín hiệu dạng xung chữ nhật, sau đợc chuyển thành xung nhọn qua mạch vi phân R4- C2, xung nhọn có xung dơng âm, qua Diode (D2) đợc xung nhọn dơng cuộn sơ cấp máy biến áp có xung cảm øng sang thø cÊp ®Ĩ ®iỊu khiĨn Triac Khi nhiƯt độ thực tủ thay đổi xung nhọn mở Triac với góc mở tơng ứng để thay đổi điện áp đặt vào tạo nhiệt kết nhiệt độ thay đổi theo Khi nhiệt độ thực tủ mà cảm biến nhận đợc gần nhiệt độ đặt mạch điều khiển điều khiển góc kích lớn, làm cho Triac bị khoá, không cấp điện áp cho sợi đốt, lúc lợng nhiệt cấp cho buồng đốt tăng quán tính đến lúc lợng nhiệt buồng đốt giảm dao động quanh nhiệt độ đặt Khi lợng nhiệt độ tủ giảm nhỏ nhiệt độ đặt mạch ®iỊu khiĨn l¹i ®iỊu khiĨn ®Ĩ Triac më víi gãc kích nhỏ, điện áp cấp cho tạo nhiệt tăng cho ®Õn nhiƯt ®é bng ®èt b»ng nhiƯt độ đặt trình lại lặp lại 3.3.8 Sơ đồ mạch in *Sơ đồ mạch in khối đo lờng hiển thị: Hình 3.17: Trong đó: J1,J2,J3,J4,J5,J6 chân cắm LED thanh; J7 chân đa tín hiệu cần đo; J8 chân đa nguồn cấp 5V ; R1 = = R21 = R = 150 điện trở hạn dòng cho LED, dây vàng dây nối Khoa Cơ điện - 85 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Hình 3.17 * Sơ đồ mạch in mạch điều khiển: Hình 3.18 Khoa Cơ điện - 86 - Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tèt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Hình 3.18 kết luận kiến nghị Qua thời gian thực tập hoàn thành đề tài tốt nghiệp đà gặp nhiều khó khăn thời gian hạn chế nhng với nỗ lực Khoa Cơ điện - 87 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 thân với giúp đỡ, bảo tận tình thầy, cô giáo, cô (chú) anh (chị) làm việc phòng Vật t Thiết bị Y tế thuộc bệnh viện Bạch Mai Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt giúp đỡ quý báu thầy Phạm Việt Sơn đến đề tài Nghiên cứu thiết kế mạch tự động ®iỊu khiĨn nhiƯt ®é tđ nu«i cÊy vi khn” ®· hoàn thành Từ kết đà đạt đợc mạch dạn đa số kết luận kiến nghị sau: Kết luận - Đà nghiên cứu thiết kế thành công tự động điều chỉnh nhiệt độ cho tủ nuôi cấy vi khuẩn theo yêu cầu thực tế - Đà áp dụng tốt kiến thức đà học kiến thức thực tế vào việc thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ - Từ kiến thức học tập đợc nhà trờng kiến thức thực tế đà trực tiếp tính toán, thiết kế lắp ráp mạch điện tử Qua đà củng cố thêm kiến thức, kỹ khả t giải vấn đề chuyên môn - Qua đề tài đà tiến hành nghiên cứu kỹ vi khuẩn thấy đợc u nhợc điểm với sống ngời sản xuất nh nghiên cứu khoa học - Trong đề tài thiết kế sử dụng cảm biến LM335 ®Ĩ ®o nhiƯt ®é tđ nu«i cÊy vi khn Đây phơng pháp đơn giản có độ xác cao đặc biệt độ nhạy tơng đối cao đảm bảo tốt cho việc điều khiển - Đề tài có thiết kế mạch đo thị số sử dụng vi mạch ICL7107 để tiện cho việc theo dõi điều khiển nhiệt độ 2.Kiến nghị Đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao Đặc biệt nông nghiệp nh ngành Chăn nuôi Thú y Bảo vệ Thực vật cần có tủ kiểu để nghiên cứu thí nghiệm Chính lợi ích to lớn mà đề tài cần phải Khoa Cơ điện - 88 - Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tèt nghiƯp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 đợc tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện để đa vào sản xuất nhằm nội địa hoá trang thiết bị Đề tài sử dụng linh kiện điện tử để thiết kế mạch ®iỊu khiĨn nhiƯt ®é, nÕu cã thĨ sư dơng vi điều khiển để thiết kế điều khiển mạch đơn giản xác Khoa Cơ ®iƯn - 89 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Mục lục Trang Mở đầu .1 Đặt vấn đề Mơc ®Ých cđa ®Ị tµi Nội dung đề tài Ph−¬ng pháp nghiên cứu Chơng 1: tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống vi khuẩn tác động môi trờng phát triển vi khuẩn .3 1.1 Kh¸i niƯm chung 1.2 Đặc điểm chung vi khuÈn .5 1.2.1 KÝch th−íc nhá bÐ 1.2.2 HÊp thu nhiỊu, chun hãa nhanh 1.2.3 Sinh tr−ëng nhanh, phát triển mạnh 1.2.4 Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị 1.2.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều 1.3 §iỊu kiƯn sinh sèng cña vi khuÈn 1.3.1 Thành phần tế bào chất dinh dỡng vi khuẩn 1.3.2 Nguồn thức ăn cacbon vi khuẩn 1.3.3 Nguồn thức ăn nit¬ cđa vi khn 10 1.3.4 Nguồn thức ăn khoáng vi khuẩn 11 1.4 Tác động môi trờng ®iỊu kiƯn ph¸t triĨn cđa vi khn 12 1.4.1 Cơ chế tác dụng yếu tố môi trờng lên vi khuẩn 13 1.4.2 Tác động c¸c yÕu tè vËt lý 14 1.4.3 Tác động yếu tố hóa học 16 1.4.4 Tác động c¸c yÕu tè sinh häc 17 Khoa Cơ điện - 90 - Trờng ĐHNNI-H Nội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B¸o c¸o tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 1.5 Kết luận .17 Ch−¬ng 2: giíi thiƯu chung vỊ tù ®éng ®iỊu khiĨn nhiƯt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn đợc sử dơng hiƯn 18 2.1 Nguyªn lý cÊu t¹o chung 19 2.2 Nguyên lý làm việc chung 20 2.2.1 Bng t¹o nhiƯt 22 2.2.2 Khèi t¹o nhiƯt 22 2.2.3 Mạch điều khiển 22 2.2.3.1 Mạch điều khiển thiết bị khí .22 2.2.3.2 Mạch điều khiển thiết bị bán dẫn 23 2.2.4 Mạch đo lờng 26 2.2.4.1 Khâu chuyển đổi khuếch đại tín hiệu 27 2.2.4.2 Mạch thị sè .27 2.2.5 Cảm biến nhiệt độ 32 2.2.5.1 Khèng chÕ nhiƯt ®é b»ng nhiƯt kÕ 34 2.2.5.2 Khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiƯt ®é Pt100 38 2.2.5.3 Khống chế nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu 40 2.2.5.4 Khống chế nhiệt độ cảm biến vi mạch LM335 44 2.3 Khuếch đại thuật toán so sánh khuếch đại tín hiệu 46 2.4 Triac dùng mạch động lực .50 2.5 Giới thiệu sơ đồ nguyên lý số tủ nuôi cấy vi khuẩn đợc sử dụng 53 2.5.1 Tñ Galenkamp (Anh) 53 2.5.2 Tñ Model 101-A1(Trung Quèc) 55 2.5.3 Tủ TC200M (Liên Xô) 56 Chơng 3: Thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuÈn 59 Khoa Cơ điện - 91 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 3.1 nhiệm vơ cđa thiÕt kÕ 60 3.2 Sơ đồ khối chức cña tõng khèi 60 3.3 TÝnh toán thiết kế phân tích nguyên lý hoạt động cña tõng khèi 61 3.3.1 Mạch điều khiển 61 3.3.1.1 M¹ch ®éng lùc 61 3.3.1.2 Mạch so sánh 64 3.3.1.3 Mạch tạo xung điều khiển góc më 65 3.3.1.4 M¹ch t¹o xung ca đồng 68 3.3.2 Bé c¶m biÕn 71 3.3.3 Thiết kế mạch chuyển đổi khuyếch đại 73 3.3.4 Mạch tạo tín hiÖu chuÈn 75 3.3.5 Mạch đo lờng hiển thị 76 3.3.5.1 Vi m¹ch ICL7107 77 3.3.5.2 Bé hiĨn thÞ 79 3.3.5.3 Sơ đồ nguyên lý đo lờng hiển thị dïng vi m¹ch ICL7107 79 3.3.6 Nguồn nuôi cho mạch ®iỊu khiĨn tđ nu«i cÊy vi khn 81 3.3.7.Mạch điều khiển tự động nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn 83 3.3.8 Sơ đồ mạch in 85 kÕt luËn kiến nghị 87 KÕt luËn 88 2.KiÕn nghÞ .88 Tài liệu tham khảo Khoa Cơ điện - 92 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... mẽ vào sống sản xuất tiến hành đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn Trong trình thực đề tài tiến hành nghiên cứu khảo sát loại tủ nuôi cấy bệnh vi? ??n... số sơ đồ điều khiển thực tế đợc sử dụng phụ kiện quan trọng mạch điều khiển nhiệt độ Tính toán thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn Phơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu theo phơng... lên nhiệt độ tủ lớn nhiệt độ đặt đến thời điểm nhiệt độ tủ lại giảm xuống thấp dao động quanh giá trị nhiệt độ đặt Sau đến thời điểm nhiệt độ tủ lại hạ thấp nhiệt độ đặt hệ thống điều khiển nhiệt