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智能化生物雜交電子測控系統的研究

企業：控制網
點擊數：1726 發布時間：2006-08-06 11:41:19
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本文介紹了基于MEGA128單片機的智能化生物雜交電子測控系統的整個設計及開發過程，其中涉及到單片機的人機交互界面（鍵盤、顯示），三路步進電機的細分驅動及控制，以及基于半導體加熱制冷片的PID溫度控制三個主要部分的內容。

1 前言

生物雜交反應系統在生物學領域以及制藥和醫學領域里都有著廣泛的應用場合，但是雜交反應過程有時非常復雜，往往要經過多達十幾步甚至幾十步的反應過程。以往的做法是由研究人員根據反應要求人工完成這一復雜過程，其枯燥程度可想而知。研制這臺智能生物雜交系統的目的就是把生物研究人員從繁瑣枯燥的機械操作中解放出來，由微電腦來自動控制完成這一繁瑣過程。

2 系統簡介

一個完整的反應過程一般由一系列反應步驟組成，每一個步驟都要從試管中抽取相應的試劑，在反應腔中與載玻片上的物質進行反應，反應腔體的外部貼有半導體加熱制冷片來對其進行溫度控制。每步反應所需的試劑分別按順序放在1＃，2＃，3＃……試管中，反應的溫度，時間和反應試劑用量是三個主要的參數。

本系統的機械部分由兩臺定位步進電機（一臺控制試管架的水平位置，另一個負責吸液導管的升降）及一臺主動泵步進電機（完成把反應試劑從相應試管中抽到反應腔中的工作）及其相應的傳動部分和管路部分組成。系統在微電腦的控制下實現試管的定位及吸液導管的收放和反應試劑的抽取。

3 系統組成

整個系統的原理框圖如圖1所示：

這是一個典型的單片機自動控制系統，整個系統分為四部分：

1）機械系統，包括三個步進電機驅動及其相應傳動及管路部分，分別負責試管架水平定位和吸液導管垂直升降及主動泵抽取液體，這一部分在上面已經做過介紹。

2） MCU人機交互系統，這一系統由漢字液晶顯示模塊和鍵盤組成，可以在液晶上顯示菜單并由鍵盤選擇命令及輸入和修改反應的各項參數，控制反應的過程。

3）實時溫度采集系統，溫度采集系統采用的是液體溫度傳感器，他的內核采用的是DS18b20，為了能在液體中應用，芯片的外面罩上了一個不銹鋼外殼以抗腐蝕。

這塊芯片的特點是直接輸出數字信號，免去了傳感器電路中的條理電路，通信采用一線協議，所以應用非常簡單。其主要參數如下：1．測量精度：±0.5°C accuracy from -10°C to +85°C。

2．可編程分辨率 9~12 位。3，轉換時間最大 750 ms (12 位的分辨率.)

4）反應腔控溫系統，本雜交系統可以對兩個反應腔同時控溫，每一路由一套獨立的加熱制冷系統來進行控制，其中包含兩個繼電器和四個半導體加熱制冷片。我們只需對半導體片的電流方向進行控制即可達到對反應腔的升溫降溫控制。在本系統中，對電流方向的控制是由兩個單刀雙置的繼電器來實現的。由于本系統采用24V電源供電，而且加熱制冷的功率非常大（希望溫度調節的響應時間越小越好），平均功率達到240W，峰值的時候達到290W。這樣電流的平均值為10A，峰值可以達到12A。所以選用的是20A的繼電器來滿足電流的要求。

4 MCU控制部分的設計

本系統的MCU控制框圖如圖2所示，設計中所采用的是一片MEGA128高性能單片機，它有128K Flash program memory，4 K EEPROM，8 PWMs，4 K SRAM Interface，8 ADC channels，2 USARTs，功能非常強大，本系統要求能在機器中預存十幾個程序參數，使用的時候調用這些程序即可，所以這片單片機提供的4 K EEPROM非常有用，另外，控溫部分采用的是PWM控制占空比的方式來控制加熱制冷的，這塊芯片直接提供了PWM輸出接口，使用起來非常方便。

在通常設計中鍵盤掃描工作一般是由單片機的鍵盤掃描程序來完成的，但是本系統較復雜，如果采用鍵盤掃描程序會占用較多的MCU資源，耽誤實時的溫度采集和溫度控制，所以這里采用了一塊專用鍵盤掃描芯片74C922 ，單片機直接從該芯片輸出端得到編碼以后的鍵值，無需掃描。電路原理圖如圖4所示。

液晶模塊采用的是HF19264C漢字圖形點陣液晶顯示模塊，由兩塊液晶屏拼接而成，屏幕很大，顯示尺寸為105mm×40mm。可顯示漢字及圖形，內置8192 個中文漢字（16X16 點陣）、128 個字符（12X16 點陣）及64X256 點陣顯示RAM（GDRAM）。

與MCU的接口有兩種模式可供選擇：8 位并行或串行，本項目采用串行方式進行控制。

MCU控制的重點是對前文提及的三個參數的控制，對第一個參數，反應時間的控制，采用的是單片機定時器的方法，在程序中輸入定時時間存儲在EEPROM中，每次使用從中調入即可。第二個參數，發應溫度的控制是本項目的重點，這里采用的是PID算法來控制PWM占空比的方法來調節溫度。第三個參數，發應試劑用量，采用控制主動泵轉動脈沖數的辦法來控制，脈沖數越小抽入反應腔的試劑量就越小。

MCU的另外一個控制任務是電機的定位，在這里采用的是紅外光電檢測器，示意圖如

圖3所示。

它的原理很簡單，左邊是一個紅外線發光管，右邊是一個光敏三極管，有紅外線照射的時候導通，沒有照射的時候截止。在步進電機的傳動皮帶上固定一個檔光片，每次檔光片移動到光電檢測管中間擋住紅外線時，光敏三極管就由導通變為截止，產生一個電平的跳變，以此作為單片機的中斷信號，從而對步進電機進行原點定位。在它的基礎上定位X號試管就變得非常容易，只需計算電機驅動脈沖的脈沖數即可實現。每次開機初始化時都要執行原點定位操作，以便在使用中對試管進行準確定位。

5 步進電機驅動設計

本系統的機械部分由兩個機械定位的步進電機和一個主動泵電機及其相應的配套系統組成，每一個電機都有相應的驅動電路來提供驅動。在我們的設計中我們分別采用了兩種型號的步進電機，機械定位步進電機采用的是2S42Q－03848型兩相步進電機，它的主要參數如下:1)相電流1.2A 。2）步距角1.8度。3) 保持扭矩0.4Nm。主動泵電機采用的是2S56Q－02741型兩相步進電機，它的主要參數如下：1）相電流1.5A。2）步距角1.8度。3）保持扭矩0.9Nm。

電機型號確定以后就要根據電機的各項參數設計出滿足電機運行要求的驅動電路。因為本系統的體積在設計中是一個重要指標，電路結構要求盡量緊湊。（最終的電路版尺寸只有195mm×128mm，其中包括兩對大電流繼電器，三個步進電機驅動器，MCU控制電路及蜂鳴電路和外圍接口電路）這樣在設計的時候我們就放棄了使用傳統的脈沖分配加斬波細分加功率管放大的設計方案，而采用集成的步進電機驅動芯片的設計方案。

本方案采用了TA8435H步進電機集成驅動芯片，其驅動電流滿足項目的應用要求，更關鍵的一點是它提供了最多8級的細分驅動，可以使電機轉動更為平穩，震動和噪聲得到減弱。

TA8435H是PWM斬波兩相步進電機驅動芯片，采用HZIP25－P封裝。其主要特點如下：

1）工作電壓范圍寬（１０Ｖ～４０Ｖ）；

2）輸出電流可達１．５Ａ

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