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技術的發(fā)展，微流控電泳芯片在微加工技術的促進下具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于它擁有體積很小，成本低廉，分析快速的特點使得應用日益廣泛。微流控電泳芯片中電泳過程的溫度參數(shù)是一個重要影響因素，對分離效果有很大影響，改變溶液的黏度，而且溫度也會影響信號檢測峰，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，本文對電泳芯片設計了高精度的溫度測量電路和相應的溫度控制系統(tǒng)。
　　本文首先對微流控電泳芯片溫度測量方

2、法進行調研比較，分析非接觸式測溫和接觸式測溫特點，再進行前期的方案探究設計。非接觸式測溫方案采用TMP006紅外溫度傳感器，編寫I2C驅動程序，實驗中它具有測量靈活簡便的特點，但是測量穩(wěn)定性差，易受到外界干擾，對此進行了不同測量類型的對比實驗分析;接觸式測溫方案中利用電阻進行初步設計，搭建了測量電路，可以實現(xiàn)功能要求，但是由于噪聲干擾過大，需要進行優(yōu)化設計。
　　然后本文設計了高精度的接觸式測溫方案。由于熱電阻具有線性化程度高，可

3、重復性好的優(yōu)點，本文采用它作為溫度傳感器。通過對模數(shù)轉換器(ADC)的分析，我們發(fā)現(xiàn)△∑ADC適合于低頻信號的高精度測量。最終選用適合于熱電阻的溫度測量，集成了恒流源、可編程放大器、△∑ADC的ADS1148芯片來設計測溫電路。本文對采樣率、抗混疊濾波器、數(shù)字濾波器三者關系進行分析，設計了一階RC低通濾波器進行前端濾波。設計方法中，本文利用兩路恒流源構建RTD的三線制測量方法，采用比例配置法給ADC提供外部參考基準，可以消除恒流源的誤差

4、影響。在目標0℃-100℃溫度測量范圍下，采用硬件補償法使得ADC有最寬的工作范圍。然后本文進行了低噪聲的PCB布局布線設計與電路板制作，并編寫SPI驅動程序與MSP430F169單片機進行通信。
　　本文將整個電路結構在TINA軟件進行功能仿真，通過仿真結果驗證其可行性。電路板的實驗結果分析顯示恒流源存在失配情況，對此本文提出了采用交換兩路恒流源的位置進行兩次轉換的方法，以消除失配帶來的誤差。在對不同輸出速率下，溫度測量結果進行

5、對比分析后，由于過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。
　　在精確測溫的基礎上，本文介紹了該微流控芯片電泳溫度控制系統(tǒng)的總體結構，系統(tǒng)采用基于ADS1148的測溫電路作為溫度檢測模塊，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單片機作為系統(tǒng)的核心控制模塊，隨后對單片機的各部分配置程序進行說明。
　　本文根據(jù)電泳芯片的溫度上升特性，建立其對象模型，設計合適的溫度控

6、制方案。首先，分析PID各參數(shù)對控制系統(tǒng)的性能的影響，再對PID數(shù)字化算法的位置式和增量式分析比較。對國內外被控對象模型建立方法和PID的參數(shù)整定方法總結，然后將模型建立方法在SIMULINK工具下進行仿真分析，計算它們的辨識誤差，選用其中誤差最小的方法作為本方案的模型辨識方法。再將經(jīng)典的PID整定方法和內模PID設計法進行仿真，分析響應結果，比較它們的控制性能。最終通過仿真和實驗分析得出，區(qū)別于常規(guī)PID控制，Lee氏內模PID整定法