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案例详细
标题智能化生物杂交电子测控系统的研究
技术领域
行业
简介本文介绍了基于MEGA128单片机的智能化生物杂交电子测控系统的整个设计及开发过程，其中涉及到单片机的人机交互界面（键盘、显示），三路步进电机的细分驱动及控制，以及基于半导体加热制冷片的PID温度控制三个主要部分的内容。
内容
1        前言 
        生物杂交反应系统在生物学领域以及制药和医学领域里都有着广泛的应用场合，但是杂交反应过程有时非常复杂，往往要经过多达十几步甚至几十步的反应过程。以往的做法是由研究人员根据反应要求人工完成这一复杂过程，其枯燥程度可想而知。研制这台智能生物杂交系统的目的就是把生物研究人员从繁琐枯燥的机械操作中解放出来，由微电脑来自动控制完成这一繁琐过程。
 
2        系统简介
        一个完整的反应过程一般由一系列反应步骤组成，每一个步骤都要从试管中抽取相应的试剂，在反应腔中与载玻片上的物质进行反应，反应腔体的外部贴有半导体加热制冷片来对其进行温度控制。每步反应所需的试剂分别按顺序放在1＃，2＃，3＃……试管中，反应的温度，时间和反应试剂用量是三个主要的参数。     
        本系统的机械部分由两台定位步进电机（一台控制试管架的水平位置，另一个负责吸液导管的升降）及一台主动泵步进电机（完成把反应试剂从相应试管中抽到反应腔中的工作）及其相应的传动部分和管路部分组成。系统在微电脑的控制下实现试管的定位及吸液导管的收放和反应试剂的抽取。  
3        系统组成

整个系统的原理框图如图1所示：


        这是一个典型的单片机自动控制系统，整个系统分为四部分：
1）机械系统，包括三个步进电机驱动及其相应传动及管路部分，分别负责试管架水平定位和吸液导管垂直升降及主动泵抽取液体，这一部分在上面已经做过介绍。
2） MCU人机交互系统，这一系统由汉字液晶显示模块和键盘组成，可以在液晶上显示菜单并由键盘选择命令及输入和修改反应的各项参数，控制反应的过程。
3）实时温度采集系统，温度采集系统采用的是液体温度传感器，他的内核采用的是DS18b20，为了能在液体中应用，芯片的外面罩上了一个不锈钢外壳以抗腐蚀。
这块芯片的特点是直接输出数字信号，免去了传感器电路中的条理电路， 通信采用一线协议，所以应用非常简单。其主要参数如下：1．测量精度：±0.5°C accuracy from -10°C to +85°C。
 2．可编程分辨率 9~12   位。3，转换时间最大 750 ms (12   位的分辨率.)
4）反应腔控温系统，本杂交系统可以对两个反应腔同时控温，每一路由一套独立的加热制冷系统来进行控制，其中包含两个继电器和四个半导体加热制冷片。我们只需对半导体片的电流方向进行控制即可达到对反应腔的升温降温控制。在本系统中，对电流方向的控制是由两个单刀双置的继电器来实现的。由于本系统采用24V电源供电，而且加热制冷的功率非常大（希望温度调节的响应时间越小越好），平均功率达到240W，峰值的时候达到290W。这样电流的平均值为10A，峰值可以达到12A。所以选用的是20A的继电器来满足电流的要求。
4       MCU控制部分的设计
       本系统的MCU控制框图如图2所示，设计中所采用的是一片MEGA128高性能单片机，它有128K Flash program memory，4 K EEPROM，8 PWMs，4 K SRAM Interface，8 ADC channels，2 USARTs，功能非常强大，本系统要求能在机器中预存十几个程序参数，使用的时候调用这些程序即可，所以这片单片机提供的4 K EEPROM非常有用，另外，控温部分采用的是PWM控制占空比的方式来控制加热制冷的，这块芯片直接提供了PWM输出接口，使用起来非常方便。
在通常设计中键盘扫描工作一般是由单片机的键盘扫描程序来完成的，但是本系统较复杂，如果采用键盘扫描程序会占用较多的MCU资源，耽误实时的温度采集和温度控制，所以这里采用了一块专用键盘扫描芯片74C922 ，单片机直接从该芯片输出端得到编码以后的键值，无需扫描。电路原理图如图4所示。


         液晶模块采用的是HF19264C汉字图形点阵液晶显示模块，由两块液晶屏拼接而成，屏幕很大，显示尺寸为105mm×40mm。可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字（16X16 点阵）、128 个字符（12X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM）。
        与MCU的接口有两种模式可供选择：8 位并行或串行，本项目采用串行方式进行控制。
MCU控制的重点是对前文提及的三个参数的控制，对第一个参数，反应时间的控制，采用的是单片机定时器的方法，在程序中输入定时时间存储在EEPROM中，每次使用从中调入即可。第二个参数，发应温度的控制是本项目的重点，这里采用的是PID算法来控制PWM占空比的方法来调节温度。第三个参数，发应试剂用量，采用控制主动泵转动脉冲数的办法来控制，脉冲数越小抽入反应腔的试剂量就越小。
        MCU的另外一个控制任务是电机的定位，在这里采用的是红外光电检测器，示意图如
图3所示。
        它的原理很简单，左边是一个红外线发光管，右边是一个光敏三极管，有红外线照射的时候导通，没有照射的时候截止。在步进电机的传动皮带上固定一个档光片，每次档光片移动到光电检测管中间挡住红外线时，光敏三极管就由导通变为截止，产生一个电平的跳变，以此作为单片机的中断信号，从而对步进电机进行原点定位。在它的基础上定位X号试管就变得非常容易，只需计算电机驱动脉冲的脉冲数即可实现。每次开机初始化时都要执行原点定位操作，以便在使用中对试管进行准确定位。
 
5    步进电机驱动设计
        本系统的机械部分由两个机械定位的步进电机和一个主动泵电机及其相应的配套系统组成，每一个电机都有相应的驱动电路来提供驱动。在我们的设计中我们分别采用了两种型号的步进电机，机械定位步进电机采用的是2S42Q－03848型两相步进电机，它的主要参数如下:1)相电流1.2A 。2）步距角1.8度。3) 保持扭矩0.4Nm。主动泵电机采用的是2S56Q－02741型两相步进电机，它的主要参数如下：1）相电流1.5A。2）步距角1.8度。3）保持扭矩0.9Nm。              
        电机型号确定以后就要根据电机的各项参数设计出满足电机运行要求的驱动电路。因为本系统的体积在设计中是一个重要指标，电路结构要求尽量紧凑。（最终的电路版尺寸只有195mm×128mm，其中包括两对大电流继电器，三个步进电机驱动器，MCU控制电路及蜂鸣电路和外围接口电路）这样在设计的时候我们就放弃了使用传统的脉冲分配加斩波细分加功率管放大的设计方案，而采用集成的步进电机驱动芯片的设计方案。
        本方案采用了TA8435H步进电机集成驱动芯片，其驱动电流满足项目的应用要求，更关键的一点是它提供了最多8级的细分驱动，可以使电机转动更为平稳，震动和噪声得到减弱。
        TA8435H是PWM斩波两相步进电机驱动芯片，采用HZIP25－P封装。其主要特点如下：
1）工作电压范围宽（１０Ｖ～４０Ｖ）；
2）输出电流可达１．５Ａ