微流控电泳芯片的温度控制系统研究

摘要

随着医疗需求的不断增加和分析化学技术的发展，微流控电泳芯片在微加工技术的促进下具有巨大的发展潜力。由于它拥有体积很小，成本低廉，分析快速的特点使得应用日益广泛。微流控电泳芯片中电泳过程的温度参数是一个重要影响因素，对分离效果有很大影响，改变溶液的黏度，而且温度也会影响信号检测峰，甚至使其发生变形。为了保证微流控电泳芯片的温度恒定，本文对电泳芯片设计了高精度的温度测量电路和相应的温度控制系统。
　　本文首先对微流控电泳芯片温度测量方法进行调研比较，分析非接触式测温和接触式测温特点，再进行前期的方案探究设计。非接触式测温方案采用TMP006红外温度传感器，编写I2C驱动程序，实验中它具有测量灵活简便的特点，但是测量稳定性差，易受到外界干扰，对此进行了不同测量类型的对比实验分析;接触式测温方案中利用电阻进行初步设计，搭建了测量电路，可以实现功能要求，但是由于噪声干扰过大，需要进行优化设计。
　　然后本文设计了高精度的接触式测温方案。由于热电阻具有线性化程度高，可重复性好的优点，本文采用它作为温度传感器。通过对模数转换器(ADC)的分析，我们发现△∑ADC适合于低频信号的高精度测量。最终选用适合于热电阻的温度测量，集成了恒流源、可编程放大器、△∑ADC的ADS1148芯片来设计测温电路。本文对采样率、抗混叠滤波器、数字滤波器三者关系进行分析，设计了一阶RC低通滤波器进行前端滤波。设计方法中，本文利用两路恒流源构建RTD的三线制测量方法，采用比例配置法给ADC提供外部参考基准，可以消除恒流源的误差影响。在目标0℃-100℃温度测量范围下，采用硬件补偿法使得ADC有最宽的工作范围。然后本文进行了低噪声的PCB布局布线设计与电路板制作，并编写SPI驱动程序与MSP430F169单片机进行通信。
　　本文将整个电路结构在TINA软件进行功能仿真，通过仿真结果验证其可行性。电路板的实验结果分析显示恒流源存在失配情况，对此本文提出了采用交换两路恒流源的位置进行两次转换的方法，以消除失配带来的误差。在对不同输出速率下，温度测量结果进行对比分析后，由于过采样率的降低等原因，我们发现电路的噪声抑制能力随着输出速率增加而降低。
　　在精确测温的基础上，本文介绍了该微流控芯片电泳温度控制系统的总体结构，系统采用基于ADS1148的测温电路作为温度检测模块，并以固态继电器控制加热膜的通断作为加热输出模块，采用MSP430F169单片机作为系统的核心控制模块，随后对单片机的各部分配置程序进行说明。
　　本文根据电泳芯片的温度上升特性，建立其对象模型，设计合适的温度控制方案。首先，分析PID各参数对控制系统的性能的影响，再对PID数字化算法的位置式和增量式分析比较。对国内外被控对象模型建立方法和PID的参数整定方法总结，然后将模型建立方法在SIMULINK工具下进行仿真分析，计算它们的辨识误差，选用其中误差最小的方法作为本方案的模型辨识方法。再将经典的PID整定方法和内模PID设计法进行仿真，分析响应结果，比较它们的控制性能。最终通过仿真和实验分析得出，区别于常规PID控制，Lee氏内模PID整定法没有超调量，鲁棒性好，符合电泳芯片的控制需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 毛细管电泳

1．1．2 微流控电泳芯片

1．2 温度测量

1．3 内模-PID控制

1．3．1 内模控制

1．3．2 内模PID控制

1．4 论文组织结构

第二章 温度测量方案探究

2．1 红外测温

2．2 接触式测温设计初步

2．3 本章小结

第三章 高精度温度测量电路设计

3．1 温度传感器

3．2 模数转换器噪声分析与滤波器设计

3．2．1 量化噪声

3．2．2 △∑调制器

3．2．3 过采样与抗混叠滤波器

3．2．4 过采样降低对模拟滤波器的要求

3．3 基于ADS1148带硬件补偿测温电路

3．3．1 比例测量方式

3．3．2 恒流源

3．3．3 信号放大

3．3．4 硬件补偿的3线制测量

3．3．5 滤波器设计

3．3．6 低噪声PCB设计

3．4 SPI接口驱动程序

2．4．1 SPI数据接口

3．4．1 SPI的通信模式

3．4．2 SPI协议时序

3．4．3 SPI型ADS1148数据输出

3．5 数据结果与分析

3．5．1 仿真分析

3．5．2 实验分析

3．6 本章小结

第四章 温度控制系统组成

4．1 系统组成结构

4．2 软件设计部分

第五章 温度控制算法

5．1 PID控制系统

5．1．1 PID控制的原理和特点

5．1．2 数字PID算法

5．2 时滞对象的建模

5．2．1 两点法

5．2．2 面积法

5．2．3 积分法

5．2．4 仿真比较

5．3 PID参数整定

5．3．1 PID参数整定方法

5．3．2 仿真比较

5．4 电泳芯片实验分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

致谢

作者简介

参考文献