微生物培养及运动自动追踪系统的制作方法

本实用新型涉及微生物监测技术领域，尤其涉及一种微生物培养及运动自动追踪系统。

背景技术：

机电一体化系统是利用计算机的信息处理和程序控制能力，完成机械运动和动作的现代机械系统。机电一体化系统的出现得益于电子技术和计算机技术的高速发展以及科技交流渗透，这一系统有机融合了电子技术的微型集成和计算机技术的精密智能等特点，促使传统工业向智能化、自动化、环保化的方向转变，大大提高了工业技术水平。我国在机电一体化系统的研究和应用经过几十年的发展，取得了重大的进展，目前在数控机床、智能制造、计算机集成制造系统和工业机器人等领域中应用广泛，是许多高新技术产业的基础。

微生物是包括细菌、真菌、病毒、立克次氏体、支原体、衣原体、螺旋体原生生物以及单细胞藻类在内的一大类微生物群体，虽然大部分微生物人类难以用肉眼分辨，但是它们种类繁多、数量庞大，与人类的关系十分密切。科学家们对微生物的研究涉及了人类生活生产的方方面面，取得许多有益的成果，例如利用产电微生物研发出生物燃料电池、改造益生菌帮助人体对抗致病菌和治疗肿瘤、运用微生物发酵技术高效生产大麻素用于癫痫、免疫性肝炎等疾病的治疗。在进行微生物研究的过程中，科研人员经常需要对微生物的生长情况进行实时的监测记录，这一过程往往耗时长、操作繁琐，而且人工操作不可避免地会增加实验结果的误差，因此需要更自动化和智能化的机械设备辅助科学研究。将机体一体化系统应用于生物学实验中一些简单重复的操作过程，不仅大大提高实验的可重复性和精确性，而且能降低研究的时间成本和经济成本，推动生物学研究向工程化、自动化的方向发展。

现有技术中，有人采用传感器检测运动的细菌载台的位置，并利用相机在检测位置对细菌进行拍照。当检测到细菌载台在相机的拍摄视野中时，控制细菌载台暂停运动并拍照，拍照完成后，控制细菌载台继续运动。然而，理论上，微生物培养需要恒温恒湿的环境，该装置需要处在专门设计的温室中才能实现其功能，然而，温室温度容易受到实验人员进出的影响，并且，温室内湿度环境会严重影响计算机以及仪器的正常运行，导致微生物培养所需的环境难以真正实现，无法精确监测微生物的生长情况。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种接近理想环境下的微生物培养及运动自动追踪系统，可以精确监测微生物的生长情况，有利于顺利地进行微生物研究。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种微生物培养及运动自动追踪系统，包括监测子系统和培养子系统；

所述监测子系统包括用于承载微生物培养皿的载物盘和用于获取培养皿内微生物的图像的图像采集元件；

所述培养子系统包括密闭的培养箱、温湿检测器、温湿控制器、加热装置及加湿装置，所述载物盘、所述图像采集元件、所述温湿检测器设于所述培养箱内，所述温湿控制器、所述加热装置及所述加湿装置设于所述培养箱外；

所述温湿控制器同时电连接所述温湿检测器、所述加热装置和所述加湿装置，用于根据所述温湿检测器实时检测到的所述培养箱内的温度和湿度控制所述加热装置和所述加湿装置的运行状态。

作为其中一种实施方式，所述培养子系统还包括热风管和止逆风扇；所述培养箱包括进风孔和出风孔，所述加热装置、加湿装置通过所述热风管同时与所述进风孔、所述出风孔连通；所述培养箱的所述进风孔、所述出风孔内侧各设有一个止逆风扇，所述进风孔侧的止逆风扇用于朝所述培养箱内抽气，所述出风孔侧的止逆风扇用于朝所述培养箱外抽气。

作为其中一种实施方式，所述培养子系统包括设于所述培养箱内的多孔的进风板，所述进风板正对并靠近所述进风孔，阻挡在所述进风孔与所述载物盘之间。

作为其中一种实施方式，所述出风孔相对于所述进风孔更靠近所述培养箱的底面。

作为其中一种实施方式，所述培养箱的至少一个侧面还设有用于打开和关闭的门。

作为其中一种实施方式，所述培养箱的侧壁还开设有供走线穿出的出线孔。

作为其中一种实施方式，所述载物盘绕其中心可转动地设于所述培养箱的底面，且所述载物盘上沿其周向间隔地开设有多个用于放置培养皿的放置槽，在所述载物盘转动的过程中，各放置槽轮流地与上方的所述图像采集元件正对。

作为其中一种实施方式，所述监测子系统还包括相连的闭环步进电机和旋转台，所述载物盘固定地承载在所述旋转台上，所述闭环步进电机通过驱动所述旋转台而带动所述载物盘旋转。

作为其中一种实施方式，所述监测子系统还包括环形布置在所述培养箱底部、用于对培养皿照明的灯带，所述图像采集元件的视区中心在所述培养箱底面的正投影、所述灯带的中心在所述培养箱底面的正投影重合，且所述灯带包括多组分别在不同时刻显示不同颜色的子灯带。

作为其中一种实施方式，所述监测子系统还包括固定在所述培养箱上且悬于所述灯带上方的盖板，所述盖板包括环形的透光通道，所述灯带在所述培养箱底面的正投影包围于所述透光通道在所述培养箱底面的正投影外；所述盖板遮挡在所述灯带与所述载物盘之间，自所述灯带发出的光覆盖经过所述图像采集元件正下方的培养皿，且照射至所述图像采集元件外而不照射所述图像采集元件。

本实用新型通过温湿检测器实时检测培养箱内的温度和湿度，并利用加热装置、加湿装置根据检测结果控制加热装置和加湿装置的运行状态，搭建了可以控温控湿的培养箱，提供微生物长时间培养的稳定环境，除了必要的图像采集元件外，所有的仪器尽可能地设置在控温控湿培养箱外，可以保证所有仪器的正常运转，实验人员可以直接在培养箱外操作和活动而不会影响培养箱内的环境，可以方便地对微生物进行运动追踪和拍照等研究。

附图说明

图1为本实用新型实施例的培养箱的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的培养子系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的监测子系统的主要组成的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的培养子系统的工作原理框图；

图5为本实用新型实施例的微生物培养及运动自动追踪系统的工作原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参阅图1和图2所示，本实用新型实施例的微生物培养及运动自动追踪系统包括监测子系统1和培养子系统2以及连接二者的主控中心(图未示)，主控中心用于在培养子系统2内的环境满足要求后控制监测子系统1工作，其中，监测子系统1主要包括用于承载微生物培养皿(图未示)的载物盘11和用于获取培养皿内微生物的图像的图像采集元件12，培养子系统2主要包括密闭的培养箱20、温湿检测器21、温湿控制器22、加热装置23及加湿装置24。载物盘11、图像采集元件12、温湿检测器21设于培养箱20内，温湿控制器22、加热装置23及加湿装置24设于培养箱20外，温湿控制器22同时电连接温湿检测器21、加热装置23和加湿装置24，用于根据温湿检测器21实时检测到的培养箱20内的温度和湿度控制加热装置23和加湿装置24的运行状态。

这里，图像采集元件12即具有图像采集功能的器件/结构，例如，相机、图像传感器等具有拍照功能的电子元件或电子产品，用于正对载物盘11上的培养皿，以拍摄对应的微生物图像以便进一步研究。

用于拍摄微生物图像的图像采集元件12位于培养箱20内，这样，通过温湿检测器实时检测培养箱内的温度和湿度，并利用加热装置、加湿装置根据检测结果控制加热装置和加湿装置的运行状态，搭建了可以控温控湿的培养箱，提供微生物长时间培养的稳定环境。除了必要的图像采集元件外，所有非必须位于培养箱内的仪器均设置在控温控湿培养箱外，可以保证所有仪器的正常运转，实验人员可以直接在培养箱外操作和活动而不会影响培养箱内的环境，载物盘上方的图像采集元件可以直接对正对位置的培养皿拍照，保证培养箱的内部环境不受干扰。

具体地，如图2所示，培养子系统2还包括连接培养箱20的热风管25和安装在培养箱20内的止逆风扇26，培养箱20包括进风孔201和出风孔202，加热装置23、加湿装置24均通过热风管25同时与进风孔201、出风孔202连通，且在培养箱20的进风孔201、出风孔202内侧各设有一个止逆风扇26，进风孔201侧的止逆风扇26用于朝培养箱20内抽气，出风孔202侧的止逆风扇26用于朝培养箱20外抽气，气流可以自进风孔201进并从出风孔202出，且不会出现逆流，实现了培养箱内气体的循环流动。加热装置23可以在需要时通过调节通入热风管25的空气温度来调节培养箱20内的温度，加湿装置24可以在需要时通过调节通入热风管25的空气湿度来调节培养箱20内的湿度。

结合图4所示，本实用新型相应地也提供了一种微生物培养及运动自动追踪方法：

当系统工作时，温湿检测器21实时检测培养箱20内的温度和湿度；

当温湿检测器21检测到培养箱20内的温度和/或湿度条件不符合实验要求时，温湿控制器22则控制加热装置23和/或加湿装置24运行；此时，加热装置23和/或加湿装置24则通过通入热风管25的空气来对应调节培养箱20内的温度和/或湿度环境，以符合实验要求；

当培养箱20内的温度和湿度符合要求时，加热装置23、加湿装置24停止工作，则主控中心发出控制指令，指示监测子系统1可以开始工作，图像采集元件12可以进行下一步的获取载物盘11上的培养皿内微生物的图像的动作。

培养箱20设计为大致呈长方体结构，其至少一个侧面还设有用于打开和关闭的门204，可以通过该门204将培养皿放入载物盘11或从载物盘11取出，培养箱20的侧壁还开设有出线孔203，出线孔203可用于供各种走线穿出。

如图2所示，培养箱20为俯视状态，进风孔201远离培养箱20的门204而更靠近培养箱20的背面，且出风孔202相对于进风孔201更靠近培养箱20的底面，使得自顶部通入的热空气自上而下依次充满培养箱20后从下方的出风孔202排出，实现培养箱20内的温度均一的空气环境。

更进一步地，本实施例的培养子系统2包括设于培养箱20内的多孔的进风板27，进风板27正对并靠近进风孔201，阻挡在进风孔201与载物盘11之间。优选该进风板27的四周都与培养箱20的内壁接触，将培养箱20分隔为左右两个腔体部分。多孔的进风板27中，气孔阵列地布置在进风板27上。自进风孔201进入培养箱20的空气，通过进风板27后气流更加均匀平稳，从而可以保证培养箱20内的空气环境充盈且气流平缓，最大限度地降低对于微生物的影响。

如图3所示，监测子系统1除了包括载物盘11和图像采集元件12外，还包括底座13、相连的闭环步进电机14和旋转台15、灯带16。底座13固定在培养箱20的底面上，也可以与培养箱20的底面一体成型，图像采集元件12通过支架固定在底座13上，载物盘11呈圆盘状，载物盘11上沿其周向间隔地开设有多个(本实施例以6个为例)用于放置培养皿的放置槽110，这些放置槽110的中心布置在与载物盘11同心的圆上，载物盘11绕其中心可转动地设于培养箱20的底面，且在载物盘11转动的过程中，各放置槽110轮流地与上方的图像采集元件12正对，也就是说，图像采集元件12的视区中心在载物盘11上的正投影位于各放置槽110的中心所在的圆上。结合图5所示，载物盘11旋转的过程中，当其中一个培养皿转动至图像采集元件12正下方的位置时，载物盘11停止转动，图像采集元件12对培养皿内的微生物拍照，拍照完成，载物盘11继续转动，直至下一个培养皿转动至图像采集元件12正下方的位置，载物盘11停止转动，图像采集元件12再次拍照......，如此往复。上一次拍照完成后，培养皿会停留在培养箱内继续培养一段时间，然后再次进行拍照记录，以对生长状况进行对比检测。

为实现载物盘11的精确旋转和定位，以便精确地保证图像采集元件12与载物盘11的工作协调性(载物盘11转动停止则拍照，拍照完成则载物盘11继续转动)，又考虑到如果采用两相步进电机，需要霍尔传感器对旋转转台的位置进行矫正，灵敏度不高。本实施例的监测子系统1还具有相连的闭环步进电机14和旋转台15，主控中心连接闭环步进电机14以控制闭环步进电机14工作，载物盘11固定地承载在旋转台15上，闭环步进电机14通过驱动旋转台15而带动载物盘11旋转和暂停。

在微生物培养及运动自动追踪方法中，当监测子系统1工作时，闭环步进电机14接收来自主控中心的计算机程序的命令驱动旋转台15工作，实现载物盘11按照固定的速度和时间间隔进行旋转，由于闭环步进电机14自带用于对输出进行修正的反馈电路，载物盘11每转动360°，主控中心根据载物盘11的定位位置确定与转子位置相适应的相位转换，从而对闭环步进电机14的转动进行校正。例如，闭环步进电机14按照程序设定的步数转动后停止，其间，载物盘11带动其中一个培养皿转动至图像采集元件12正下方，主控中心控制图像采集元件12拍照，拍照完毕后，闭环步进电机14再次转动，如此反复，完成载物盘11上六个培养皿内的实验对象的记录后，主控中心根据闭环步进电机14的位置反馈信息确定与转子位置相适应的相位转换，并根据反馈信息对闭环步进电机14的下一步动作进行校正，以使载物盘11的下一圈转动定位不会出现偏差，保证闭环步进电机14的转动和定位精度。

另外，监测子系统1还具有用于补偿拍照所需光线的光源，具体地，光源形成为环形布置在培养箱20底部、用于对培养皿照明的灯带16，图像采集元件12的视区中心在培养箱20底面的正投影、灯带16的中心在培养箱20底面的正投影重合。且考虑到如果仅提供一种波长的光源，是无法追踪可发荧光的微生物的运动情况的，因此，本实施例的灯带16具有多组分别在不同时刻显示不同颜色的子灯带，使得灯带16可在不同颜色之间进行切换，以发出不同颜色的光，可对微生物的荧光信号进行检测。优选地，灯带16包括可发出红光、蓝光、白光的led灯带。

为了实现灯带16颜色的切换，监测子系统1包括相连的微型单片机和继电器，继电器与三色灯带16连接，选择性地使用发出白光、红光或蓝光的子灯带为监测子系统1进行拍摄记录时提供光源。微型单片机根据主控中心发出的命令通过继电器控制灯带16的开关和颜色切换。每次，当载物盘11带动其中一个培养皿转动至图像采集元件12正下方时，主控中心控制灯带16依次在三种颜色之间切换，并控制图像采集元件12在每种颜色的光线下分别进行拍摄，并对拍摄的图像进行存储，以便下一步分析。

另外，本实施例还在灯带16上方设置了遮光的盖板17，以减少直射光对图像采集元件12的影响，并获得清晰的拍照效果。具体如图3所示，监测子系统1具有固定在培养箱20上且悬于灯带16上方的盖板17，盖板17包括环形的透光通道170，灯带16在培养箱20底面的正投影包围于透光通道170在培养箱20底面的正投影外；盖板17遮挡在灯带16与载物盘11之间，自灯带16发出的光覆盖经过图像采集元件12正下方的培养皿，且照射至图像采集元件12外而不照射图像采集元件12。优选地，环形的透光通道170所在圆的圆心、灯带16所在圆的圆心、图像采集元件12的视区中心在同一条垂直线上。

本实用新型通过温湿检测器实时检测培养箱内的温度和湿度，并利用加热装置、加湿装置根据检测结果控制加热装置和加湿装置的运行状态，搭建了可以控温控湿的培养箱，提供微生物长时间培养的稳定环境，除了必要的图像采集元件外，所有的仪器尽可能地设置在控温控湿培养箱外，可以保证所有仪器的正常运转，实验人员可以直接在培养箱外操作和活动而不会影响培养箱内的环境，可以方便地对微生物进行运动追踪和拍照等研究。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。