微流控電泳芯片的溫度控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著醫(yī)療需求的不斷增加和分析化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微流控電泳芯片在微加工技術(shù)的促進(jìn)下具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ捎谒鼡碛畜w積很小，成本低廉，分析快速的特點(diǎn)使得應(yīng)用日益廣泛。微流控電泳芯片中電泳過(guò)程的溫度參數(shù)是一個(gè)重要影響因素，對(duì)分離效果有很大影響，改變?nèi)芤旱酿ざ龋覝囟纫矔?huì)影響信號(hào)檢測(cè)峰，甚至使其發(fā)生變形。為了保證微流控電泳芯片的溫度恒定，本文對(duì)電泳芯片設(shè)計(jì)了高精度的溫度測(cè)量電路和相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)。
　　本文首先對(duì)微流控電泳芯片溫度測(cè)量方

2、法進(jìn)行調(diào)研比較，分析非接觸式測(cè)溫和接觸式測(cè)溫特點(diǎn)，再進(jìn)行前期的方案探究設(shè)計(jì)。非接觸式測(cè)溫方案采用TMP006紅外溫度傳感器，編寫(xiě)I2C驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)驗(yàn)中它具有測(cè)量靈活簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但是測(cè)量穩(wěn)定性差，易受到外界干擾，對(duì)此進(jìn)行了不同測(cè)量類型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析;接觸式測(cè)溫方案中利用電阻進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，搭建了測(cè)量電路，可以實(shí)現(xiàn)功能要求，但是由于噪聲干擾過(guò)大，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　然后本文設(shè)計(jì)了高精度的接觸式測(cè)溫方案。由于熱電阻具有線性化程度高，可

3、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，本文采用它作為溫度傳感器。通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的分析，我們發(fā)現(xiàn)△∑ADC適合于低頻信號(hào)的高精度測(cè)量。最終選用適合于熱電阻的溫度測(cè)量，集成了恒流源、可編程放大器、△∑ADC的ADS1148芯片來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)溫電路。本文對(duì)采樣率、抗混疊濾波器、數(shù)字濾波器三者關(guān)系進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一階RC低通濾波器進(jìn)行前端濾波。設(shè)計(jì)方法中，本文利用兩路恒流源構(gòu)建RTD的三線制測(cè)量方法，采用比例配置法給ADC提供外部參考基準(zhǔn)，可以消除恒流源的誤差

4、影響。在目標(biāo)0℃-100℃溫度測(cè)量范圍下，采用硬件補(bǔ)償法使得ADC有最寬的工作范圍。然后本文進(jìn)行了低噪聲的PCB布局布線設(shè)計(jì)與電路板制作，并編寫(xiě)SPI驅(qū)動(dòng)程序與MSP430F169單片機(jī)進(jìn)行通信。
　　本文將整個(gè)電路結(jié)構(gòu)在TINA軟件進(jìn)行功能仿真，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證其可行性。電路板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示恒流源存在失配情況，對(duì)此本文提出了采用交換兩路恒流源的位置進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換的方法，以消除失配帶來(lái)的誤差。在對(duì)不同輸出速率下，溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行

5、對(duì)比分析后，由于過(guò)采樣率的降低等原因，我們發(fā)現(xiàn)電路的噪聲抑制能力隨著輸出速率增加而降低。
　　在精確測(cè)溫的基礎(chǔ)上，本文介紹了該微流控芯片電泳溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用基于ADS1148的測(cè)溫電路作為溫度檢測(cè)模塊，并以固態(tài)繼電器控制加熱膜的通斷作為加熱輸出模塊，采用MSP430F169單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制模塊，隨后對(duì)單片機(jī)的各部分配置程序進(jìn)行說(shuō)明。
　　本文根據(jù)電泳芯片的溫度上升特性，建立其對(duì)象模型，設(shè)計(jì)合適的溫度控

6、制方案。首先，分析PID各參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能的影響，再對(duì)PID數(shù)字化算法的位置式和增量式分析比較。對(duì)國(guó)內(nèi)外被控對(duì)象模型建立方法和PID的參數(shù)整定方法總結(jié)，然后將模型建立方法在SIMULINK工具下進(jìn)行仿真分析，計(jì)算它們的辨識(shí)誤差，選用其中誤差最小的方法作為本方案的模型辨識(shí)方法。再將經(jīng)典的PID整定方法和內(nèi)模PID設(shè)計(jì)法進(jìn)行仿真，分析響應(yīng)結(jié)果，比較它們的控制性能。最終通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析得出，區(qū)別于常規(guī)PID控制，Lee氏內(nèi)模PID整定法