微型生物反应器测控系统的研究与设计的开题报告

微型生物反应器测控系统的研究与设计的开题报告一、选题背景及意义微型生物反应器（MicrobialReactor，MR）是一种新型的微型生物学实验装置，因其实验占用低，技术难度低，方便快捷等特点，逐渐在微生物发酵学、代谢工程、微生物学等领域得到广泛应用。而MR的测控系统则是实现对其进行准确、稳定的控制，对MR实验的开展至关重要。本选题的研究目标是设计、开发一种基于单片机的MR测控系统，并通过该系统的建立，实现对MR的同步监测、实时控制，从而开拓建立MR实验领域中自动化、智能化方面的研究方向，使MR在微生物学及代谢工程等领域得到广泛的应用。二、国内外研究现状目前，针对MR测控系统的研究，尚属于发展的初期阶段，国内外学者主要从两个方面展开了研究：1.自动测控系统的建立：常见的测控系统有电机驱动和气动控制两种，其中电机驱动压力控制精度高，能够实现高精度的控制，而气动控制适用于标准化程度较低的研究中，常用于气体和溶液的输送和控制。2.数据分析及模型建立：传统的数据分析方法主要是基于时间序列分析和方差分析，普遍存在需要人工干预、时间耗费长等缺点。近年来，基于机器学习的模型应用得到越来越广泛，该模型充分利用了各种因素之间的高复杂度联系，提高了数据分析的效率和准确性。以上两种研究方法的结合，可以提高测控系统的控制精度和实时监控能力，有望为MR的实验研究提供更加优秀的数据支撑和技术支持。三、研究内容和方案1.MR测控系统的设计方案本研究的测控系统设计方案如下：（1）硬件平台采用STM32单片机，具有性能高、功耗低、低成本等优势。（2）测量部分采用传感器进行数据采集，包括发酵罐温度（T）、pH值、溶氧度（DO）、液面高度以及压强等参数。（3）控制部分采用电机驱动控制，动力和驱动换档采用气动控制，控制算法采用PID控制算法。2.MR测控系统实现方案实现方案包括：基本功能实现、数据处理和输出等三个方面。（1）基本功能包括：数据采集、数据显示、数据存储、运动控制等。（2）数据处理和输出：将采集的数据进行数据预处理、数据处理和结果输出，使用MATLAB进行数据分析和模型建立。（3）实现系统可视化：使用LabVIEW或QT框架实现MR的可视化和操作接口，提高系统的易用性和操作性。四、预期的研究成果1.建立一套稳定的MR测控系统，使得MR实验能够更具可重复性和准确性。2.通过数据分析模型的建立，分析微生物反应特性，并对相关参数进行快速、准确的预测。3.提出在MR领域中提高实验自动化、智能化的技术措施，为其他相关领域的技术发展做出贡献。五、拟采用的研究方法和实验方法1.研究方法：采用理论分析、实验数据和模拟仿真三者相结合的方法，同时结合机器学习的方法对数据进行分析和处理。2.实验方法：利用生物反应器进行发酵实验，对系统的数据采集、数据处理、数据分析及控制功能进行评估和优化。六、进度安排1.前期算法研究：2021年10月-2022年1月2.MR测控系统的建立：2022年2月-2022年6月3.数据处理和模型建立：2022年6月-2023年1月4.实验数据采集、数据处理和分析：2023年2月-2024年1月5.结束论文撰写及论文答辩：2024年1月-2024年5月七、参考文献[1]YuD,ChenL,SunW,etal.AMicrobialFuelCell-BasedBiosensorwithHighSensitivityforMethyleneBlueDetection[J].Sensors(Basel),2018,18(10):3330.[2]DuttaP,MitraK,PalA.Animprovedmethodforthecontinuousfermentationofjerusalemartichoke(HelianthustuberosusL.)bylocalisolateBacillussp.ISTVK9andelucidationofmetabolicpathwayforbioethanolproduction[J].JIndMicrobiolBiotechnol,2019,46(11):1555-1573.[3]LahiveC,HetheringtonCR,KatsiadakiI,etal.Theeffectofenvironmentallyrelevantconcentrationsofamixtureofpharmaceuticalsandpersonalcareproductsonthemetabolicacti