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案例頻道1 前言
生物雜交反應(yīng)系統(tǒng)在生物學(xué)領(lǐng)域以及制藥和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里都有著廣泛的應(yīng)用場合，但是雜交反應(yīng)過程有時非常復(fù)雜，往往要經(jīng)過多達(dá)十幾步甚至幾十步的反應(yīng)過程。以往的做法是由研究人員根據(jù)反應(yīng)要求人工完成這一復(fù)雜過程，其枯燥程度可想而知。研制這臺智能生物雜交系統(tǒng)的目的就是把生物研究人員從繁瑣枯燥的機(jī)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(tǒng)簡介
一個完整的反應(yīng)過程一般由一系列反應(yīng)步驟組成，每一個步驟都要從試管中抽取相應(yīng)的試劑，在反應(yīng)腔中與載玻片上的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)腔體的外部貼有半導(dǎo)體加熱制冷片來對其進(jìn)行溫度控制。每步反應(yīng)所需的試劑分別按順序放在1＃，2＃，3＃……試管中，反應(yīng)的溫度，時間和反應(yīng)試劑用量是三個主要的參數(shù)。
本系統(tǒng)的機(jī)械部分由兩臺定位步進(jìn)電機(jī)（一臺控制試管架的水平位置，另一個負(fù)責(zé)吸液導(dǎo)管的升降）及一臺主動泵步進(jìn)電機(jī)（完成把反應(yīng)試劑從相應(yīng)試管中抽到反應(yīng)腔中的工作）及其相應(yīng)的傳動部分和管路部分組成。系統(tǒng)在微電腦的控制下實(shí)現(xiàn)試管的定位及吸液導(dǎo)管的收放和反應(yīng)試劑的抽取。
3 系統(tǒng)組成
整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：
這是一個典型的單片機(jī)自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為四部分：
1）機(jī)械系統(tǒng)，包括三個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動及其相應(yīng)傳動及管路部分，分別負(fù)責(zé)試管架水平定位和吸液導(dǎo)管垂直升降及主動泵抽取液體，這一部分在上面已經(jīng)做過介紹。
2） MCU人機(jī)交互系統(tǒng)，這一系統(tǒng)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(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，控制反應(yīng)的過程。
3）實(shí)時溫度采集系統(tǒng)，溫度采集系統(tǒng)采用的是液體溫度傳感器，他的內(nèi)核采用的是DS18b20，為了能在液體中應(yīng)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(diǎn)是直接輸出數(shù)字信號，免去了傳感器電路中的條理電路， 通信采用一線協(xié)議，所以應(yīng)用非常簡單。其主要參數(shù)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(zhuǎn)換時間最大 750 ms (12 位的分辨率.)
4）反應(yīng)腔控溫系統(tǒng)，本雜交系統(tǒng)可以對兩個反應(yīng)腔同時控溫，每一路由一套獨(dú)立的加熱制冷系統(tǒng)來進(jìn)行控制，其中包含兩個繼電器和四個半導(dǎo)體加熱制冷片。我們只需對半導(dǎo)體片的電流方向進(jìn)行控制即可達(dá)到對反應(yīng)腔的升溫降溫控制。在本系統(tǒng)中，對電流方向的控制是由兩個單刀雙置的繼電器來實(shí)現(xiàn)的。由于本系統(tǒng)采用24V電源供電，而且加熱制冷的功率非常大（希望溫度調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間越小越好），平均功率達(dá)到240W，峰值的時候達(dá)到290W。這樣電流的平均值為10A，峰值可以達(dá)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(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的MCU控制框圖如圖2所示，設(shè)計(jì)中所采用的是一片MEGA128高性能單片機(jī)，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(qiáng)大，本系統(tǒng)要求能在機(jī)器中預(yù)存十幾個程序參數(shù)，使用的時候調(diào)用這些程序即可，所以這片單片機(jī)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(shè)計(jì)中鍵盤掃描工作一般是由單片機(jī)的鍵盤掃描程序來完成的，但是本系統(tǒng)較復(fù)雜，如果采用鍵盤掃描程序會占用較多的MCU資源，耽誤實(shí)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(jī)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(diǎn)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(nèi)置8192 個中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128 個字符（12X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)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(xiàng)目采用串行方式進(jìn)行控制。
MCU控制的重點(diǎn)是對前文提及的三個參數(shù)的控制，對第一個參數(shù)，反應(yīng)時間的控制，采用的是單片機(jī)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(diào)入即可。第二個參數(shù)，發(fā)應(yīng)溫度的控制是本項(xiàng)目的重點(diǎn)，這里采用的是PID算法來控制PWM占空比的方法來調(diào)節(jié)溫度。第三個參數(shù)，發(fā)應(yīng)試劑用量，采用控制主動泵轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)的辦法來控制，脈沖數(shù)越小抽入反應(yīng)腔的試劑量就越小。
MCU的另外一個控制任務(wù)是電機(jī)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(fā)光管，右邊是一個光敏三極管，有紅外線照射的時候?qū)ǎ瑳]有照射的時候截止。在步進(jìn)電機(jī)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(dǎo)通變?yōu)榻刂梗a(chǎn)生一個電平的跳變，以此作為單片機(jī)的中斷信號，從而對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行原點(diǎn)定位。在它的基礎(chǔ)上定位X號試管就變得非常容易，只需計(jì)算電機(jī)驅(qū)動脈沖的脈沖數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。每次開機(jī)初始化時都要執(zhí)行原點(diǎn)定位操作，以便在使用中對試管進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的機(jī)械部分由兩個機(jī)械定位的步進(jìn)電機(jī)和一個主動泵電機(jī)及其相應(yīng)的配套系統(tǒng)組成，每一個電機(jī)都有相應(yīng)的驅(qū)動電路來提供驅(qū)動。在我們的設(shè)計(jì)中我們分別采用了兩種型號的步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械定位步進(jìn)電機(jī)采用的是2S42Q－03848型兩相步進(jìn)電機(jī)，它的主要參數(shù)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(jī)采用的是2S56Q－02741型兩相步進(jìn)電機(jī)，它的主要參數(shù)如下：1）相電流1.5A。2）步距角1.8度。3）保持扭矩0.9Nm。
電機(jī)型號確定以后就要根據(jù)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)出滿足電機(jī)運(yùn)行要求的驅(qū)動電路。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的體積在設(shè)計(jì)中是一個重要指標(biāo)，電路結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，MCU控制電路及蜂鳴電路和外圍接口電路）這樣在設(shè)計(jì)的時候我們就放棄了使用傳統(tǒng)的脈沖分配加斬波細(xì)分加功率管放大的設(shè)計(jì)方案，而采用集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片的設(shè)計(jì)方案。
本方案采用了TA8435H步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動芯片，其驅(qū)動電流滿足項(xiàng)目的應(yīng)用要求，更關(guān)鍵的一點(diǎn)是它提供了最多8級的細(xì)分驅(qū)動，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動更為平穩(wěn)，震動和噪聲得到減弱。
TA8435H是PWM斬波兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，采用HZIP25－P封裝。其主要特點(diǎn)如下：
1）工作電壓范圍寬（１０Ｖ～４０Ｖ）；
2）輸出電流可達(dá)１．５Ａ
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