（测试计量技术及仪器专业论文）生化分析仪温度控制系统研究.pdf

摘要 生化分析仪是医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之一，它通过对血液和其它体 液的分析来测定如白蛋白，血红蛋白、葡萄糖、钙、尿素、胆红素等生化指标。当人 体组织发生病变时，病人体液中的生化指标将会发生变化，准确而快速的检测出这些 生化指标，可以为医生诊断和确定病人病情提供科学的依据。 被检测样品和试剂只有在特定的温度( 通常为2 5 、3 0 、3 7 c ) 下反应，才能得 到可靠的检测结果，因此恒温系统就成为生化分析仪的重要组成部分。本文主要研究 一种基于a v r 单片机的温度控制系统，控温精度0 1 ，能够满足犒床实际需要。 论文首先简要介绍了生化分析仪的发展历程、工作原理与分类，接着对温度控制 系统硬件电路的设计作了详细介绍，最后结合p i d 控制算法，使系统的温度控制精度 达到设计要求。 经实验测试，本文设计的温度控制系统能够在生化分析仪正常工作温度内，把温 度波动控制在0 1 范围内，对相关课题的研究与应用具有一定的参考价值。 关键词：生化分析仪信号检测温度控制p i d a b s t r a c t b i o c h e m i c a la n a l y z e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc l i n i c a ld i a g n o s i se q u i p m e n to f m e d i c a li n s t i t u t i o n s , i t a n a l y z e sb l o o da n do t h e rb o d yf l u i d s t om e a s u r eb i o c h e m i c a l p a r a m e t e r ss u c ha sa l b u m i n ，h e m o g l o b i n ，g l u c o s e ，c a l c i u m ，u r e a , b i l i r u b i na n ds oo n w h e n t h eb o d yt i s s u el e s i o n s ，t h ep a t i e n t sb o d yf l u i d so fb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r sw i l lb ec h a n g i n g d e t e c t st h e s eb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l ya n dr a p i d l y c a l lp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o r d o c t o r st od i a g n o s i sa n dd e t e r m i n et h ep a t i e n t sc o n d i t i o n o n l ya tt h es p e c i f i ct e m p e r a t u r e ( u s u a l l y2 5 ，3 0 ，3 7 ) t h es a m p l e sa n dr e a g e n t sa r e t e s t e d ，c a nw eg e tar e l i a b l et e s tr e s u l t s o t h et e r n 【p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb e c a m ea n i m p o r t a n tp a r to fb i o c h e m i c a la n a l y z e r i nt h i sp a p e r , w em a i n l ys t u d i e dat e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mb a s e do na v r 。a n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o ni s 0 1 c a nm e e tt h en e e d so f c l i n i c a lp r a c t i c e t l l i sp a p e rf i r s tb r i e f e db i o c h e m i c a la n a l y z e r sd e v e l o p i n gp r o c e s s o p e r a t i n gp r i n c i p l e a n dc l a s s i f i c a t i o n ，t h e nd i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m ，f i n a l l y c o m b i n e dp i dc o n t r o la l g o r i t h mt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mm e e t st h ea c c u r a c y r e q u i r e m e n t s t 1 l et e s tr e s u l t sp r o v e st h a t t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n sw i t h i n 0 1 u n d e rt h ea n a l y z e r sn o r m a lw o r k i n gt e m p e r a t u r e i ta l s oh a s r e f e r e n c ev a l u et ot h er e l e v a n ti s s u e sa n da p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：b i o c h e m i c a la n a l y z e r , s i g n a ld e t e c t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，p i d i l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，生化分析仪温度控制系统研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：至查鲨猕三月三卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：兰丕望 幽年_ 互月三孕目 臌名：珈一珥日 1 1 引言 第一章绪论 生化分析仪自2 0 世纪5 0 年代问世以来，发展十分迅速，现在己广泛应用于药品监 测、水质分析、食品检测和l 临床分析等领域。在临床分析方面，生化分析仪是所有临 床检测设备中使用频率最高的设备，它主要用来对人的血液和其他体液中的各种生化 指标如血红蛋白、胆固醇、转氨酶、葡萄糖，淀粉酶、尿素氮、白蛋白、无机磷、尿 酸、钙等进行分析。医师把这些生化指标作为对患者进行疾病诊断、病情分析、器官 评估以及今后治疗方案的重要参考和依据。尤其在流行性传染疾病的防治中，生化分 析仪的作用更为重要。 随着科学技术的不断进步，临床实验室必将迅速发展，l 临床检验技术将迅速达到 敏感，特异，准确，快速，安全的水平。目前临床检验仪器正朝着机械化，自动化， 精密化和简单化的方向发展，高灵敏度，多功能，智能化的检验仪器不断涌现并被广 泛应用。 1 2 生化分析仪的发展历程 1 9 5 7 年美国泰克尼康( t e c h n i c o n ) 公司根据s k e g g s 教授提出的单通道、连续流动 式自动分析仪设计方案，制造出世界上第一台自动生化分析仪，取名为a u t o a n a l y z e r 。 此后，该类仪器发展十分迅速，相继出现了单通道、双通道、多通道仪器( 单通道为一 次测一个项目，多通道为一次测多个项目) ，并且成为2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代末世 界市场上销售量最大的仪器。 1 9 6 5 年又出现了分立式自动生化分析仪“”“”，它是按手工操作的方式编排程序， 并以由节奏的机械操作代替手工，各环节用传送带连接起来，按顺序依次操作。 1 9 6 9 年以后又出现了一种新的机型，离心式自动生化分析仪“”。它的特点是微量 ( 样品1 5 0 ul ，试剂1 2 0 3 0 0 pl ) 、快速( 每小时大于6 0 0 个样品) 。 2 0 世纪8 0 年代初，美国泰克尼康公司为克服样品之间及试剂之间的交叉污染问 题，推出了任选式自动生化分析仪。它可替代多通道的功能，而且多种项目可以任 选，做到了化验项目的个体化，把自动生化分析仪的水平提高到一个新的高度。随后， 又有很多公司相继推出各自的任选式生化分析仪。 近几十年来，随着科学技术特别是医学技术的发展，各种自动生化分析仪器和试 剂均得到了很大发展，它们采用尖端技术、可测的反应类型和相应的项目不断增加。 与之相对应的足，样品及试剂消耗量减少；硬件部分减少；人工参与减少，大大降低 了人为因素造成的误差，因而自动生化分析仪在实验室和临床检验中均获得了广泛的 应用。 1 3 生化分析仪的工作原理及分类 生化分析最常用的方法是通过对反应溶液进行比色分析来进行的，其分析的原理 是根据朗伯一比尔( l a m b e r t - b e e r ) 定律“，即：当一束平行单色光垂直通过吸收介质 溶液时，由于溶液吸收光能量会导致光强度降低，溶液的吸光度与吸收物质的浓度和 液层厚度的乘积成正比。 生化分析仪的种类较多，可从不同的角度来分类“1 。 如按照结构形式来分，可分为连续流动式、离心式、分立式三种。按自动化程度 来分，生化分析仪可以分为全自动、半自动和手工型三种。按仪器同时测定的项目分， 可分为单通道和多通道两种。单通道生化分析仪每次只能检测一个项目，多通道的一 次可以同时测量多个项目。按仪器复杂程度来分，可以分为大型、中型和小型三种。 所谓的半自动生化分析仪是指在分析过程中的部分操作( 如加样、保温、吸入比色、 结果记录等某一步骤) 需手工完成，而其余步骤则由仪器自动完成。这类仪器的特点是 体积小，结构简单，灵活性大，既可分开单独使用，又可与其它仪器配合使用，价格 便宜，一般在分立式分析仪中常见。 全自动生化分析仪，就是把分析过程的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、 结果计算和显示以及清洗等步骤进行自动化的仪器，它可以完全模仿并代替手工操作。 操作者只需把样品放在分析仪的特定位置上，选择相应程序，启动仪器即可等取检验 报告。由于分析中没有手工步骤，故主观误差很小，且由于这类仪器一般都具有自动 报告异常情况、自动校正自身工作状态的功能，因此系统误差也较小，给使用者带来 很大的便利。 半自动生化分析仪同全自动生化分析仪相比，在操作过程中虽然依赖手工混合试 齐 和样品，但测量过程完全是由仪器完成的，同样可以保证测量的准确性。同时由于 其价格低廉、灵活方便、运行费用低，特别适合大、中型医院病房、急诊化验，小型 医院、防疫站、计划生育服务站等门诊化验。同时这类仪器一般不受试剂、方法的限 制，国产试剂、自己配制的试剂及自行设计的方法均可在仪器上进行检测，而且由于 仪器的体积小、重量轻、操作方便、反应迅速，尤其适合中、小型检验单位作为日常 生化检测的主要仪器，也适用于作急诊生化检测或外出执行任务时使用。 1 4 国内外现状及本文研究内容及意义 目前国内外生化分析技术趋于两极化发展”3 ，一种是高度集成、自动化的仪器， 向大型、多通道、全自动方向发展，以适应大、中医院工作量大、速度快，精度高、 2 测定项目多的要求；另一种是简单、快速便于普及的快速诊断仪器，向小型、单通道、 分立式、可编程自动化的方向发展，以适应中、小医院的临床需要。而后一种发展方 向更符合我国社会发展的需要。 目前我国生化分析仪生产水平较低，产品的型号种类少、分析速度慢、试剂消耗 量大，其自动化程度、精度、工艺质量、可靠性和稳定性与国外还存在相当大的差距， 难以满足l 临床检验的需求。国内生化分析仪市场，基本被少数几个跨国公司所垄断。 国内大中医院均耗巨资购买进口全自动生化分析仪，因价格昂贵，难以在一般的中、 小医院普及。近年来，国内众多科研院所已经开始全自动生化分析仪自主研发，目前 长春光机所、深圳迈瑞和沈阳东软生产的全自动生化分析仪已经面世，彻底打破了欧、 美等国公司对该项技术和市场的垄断，开创了我国医疗器械产业的新局面。 本文主要研究一种用于生化分析仪的温度控制系统。生化分析仪开发中的一个重 要环节就是温度控制系统的研制，因为生物化学反应中的各种酶对温度比较敏感，被 检测样本和试剂只有在特定的温度下检测才能保证检验结果的可靠性。由于国产生化 分析仪大多没有专门的温度控制系统，少数带有恒温模块的，其温度的波动也较大， 所以检测结果比国外同类产品的误差大，使国产仪器的推广使用受到了很大限制，为 了提高反应速度和检测结果的可靠性，根据生化反应中各种酶对温度的特异性，参照 国外同类产品的相关参数，本系统设计了2 5 、3 0 和3 7 三档可选，控制精度0 1 的温度控制方案。 开展生化分析仪温度控制系统的研究与探索，在提高国产仪器的竞争力，提高检 测结果的准确性，降低患者的费用，适应广大医疗机构的临床需要等方面，具有重要 的现实意义。 3 2 1 总体方案设计 第二章系统总体方案设计 如表2 1 所示试剂温度对生化分析仪酶学测定影响的数据1 表明，试剂基础温度 对测定结果影响很大。通常无温度控制系统的半自动生化分析仪在试剂无预温情况下 的检测结果与同样条件下的全自动生化分析仪检测结果相比测定结果偏低，二者存在 显著差异。为了提高检测结果的准确性，就必须保证试剂和样本在恒定的温度下检测， 所以很有必要进行生化分析仪温度控制系统的研究。 表2 1 不同试剂温度测定结果 酶类无温度控常i系统半自动生化分析仪( u l )全自动生化分析仪( u l ) 4 2 5 3 7 3 7 a s t 2 3 62 8 + _ 43 5 33 6 2 a l t6 0 - - - 3 58 1 2 71 4 2 1 81 4 5 _ _ 4 c k 6 7 _ _ 2 99 9 _ + 2 31 5 4 1 21 5 5 3 l d h5 6 _ _ 2 51 0 2 2 01 8 4 _ _ 1 01 8 8 7 实验方法：参数设置参照仪器操作手册和试剂盒说明。取j 司一份标本分别在半自动、全自动生化分析仪上测定， 对于半自动生化分析仪，操作前先加试剂于试管中，置4 c 、2 5 c 、3 7 c 环境中1 0 分钟，然后加样混匀立即上机测 试，2 0 份标本各自检测a s t 、a l t 、c k 、l d t t 活性，共进行1 0 0 次 本课题是对生化分析仪温度控制系统进行研究和开发，整个系统最终要完成的是 对反应池温度的监测与调节达到温度控制的目的。因此，整个系统需要有检测反应池 温度的温度检测模块，信号处理模块，模数转换模块，半导体致冷器驱动模块，人机 接口模块及微处理器等组成。系统原理框图如图2 1 所示。 图2 1 系统原理框图 操作人员通过键盘设定反应温度，温度传感器把检测到的反应池温度信号送给信 号处理模块进行放大，再经过模数转换进入单片机，单片机根据设定温度与实际温度 的差别自动选择帕尔帖驱动参数进行加热或致冷，从而达到温度调节的目的。 4 2 2 系统微处理器的选择 本系统采用a t m e l 公司的高档8 位a v r 单片机a t m e g a l 6 作为系统的核心。 a v r 系列单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c p u ) 的新型单片机，它继承了a t m e l 优良的f l a s h 存储器技术，同时又吸取了p i c 和8 0 5 1 单片机的优点，是一款性价比较高的处理器，为许多嵌入式控制应用提供了灵 活而低成本的解决方案。 a v r 单片机的核心是将3 2 个工作寄存器和丰富的指令连接在一起，所有的工作寄 存器都与a l u ( 算术逻辑单元) 直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令 同时访问两个独立寄存器的操作，这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行 时间仅为一个时钟周期，运行效率比普通复杂指令集单片机( 如5 1 系列) 高出1 0 倍。 本系统采用的a t m e g a l 6 具有以下特点1 ： ( 1 ) 、高性能、低功耗，1 3 1 条指令，大多数为单周期指令； ( 2 ) 、具有可擦写1 0 ，0 0 0 次的1 6 k b 在系统可编程f l a s h ，1 k b 字节片内s r a m ， 5 1 2 字节e e p r o m ； ( 3 ) 、3 2 个通用i o 口线，3 2 个8 位通用工作寄存器： ( 4 ) 、支持片内调试与编程： ( 5 ) 、三个具有独立预分频器和比较器功能的定时器计数器； ( 6 ) 、一个s p i 串行接口，2 个可编程串行u s a r t 接口； ( 7 ) 、8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益( t o f p 封装) 的a i ) c ； ( 8 ) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器； ( 9 ) 、六个可以通过软件编程选择的休眠工作模式： ( 1 0 ) 、支持高级语言开发。 2 3 温度控制方案的设计 一般的温度控制系统实际上就是一个大延迟、大滞后系统，其典型的传递函数是 一个一阶惯性环节”3 。纯滞后往往给系统带来很多缺点，如降低系统的反馈性能，容 易引起系统不稳定等。为了达到对温度这种纯滞后系统的精确控制，多年来人们一直 在不断的研究各种控制方法，以期达到最小的超调量和最短的稳定时间。 最简单的温度控制方法就是开关控制法，如电热水器的温度控制。这种方法理论 简单且容易实现，能够使系统以最快的速度向平衡点靠近，但在实际应用中却容易造 成系统在平衡点附近震荡，控制精度较差。 另外种方法就是p i d 控制，在实际工程中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分 ( d ) 进行控制( 简称p i d 控制) 是连续系统控制理论中最成熟，应用最广泛的一种控制技 5 术。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数调整方便等优 点，因而在实际控制系统设计中得到了广泛应用。 为了能够对温度进行精确控制，本系统采用p i d 控制算法对系统进行温度调节。 2 4 开发工具的选择 a v r 常用的开发语言是c 语言、汇编语言与b a s i c 语言，开发工具也有许多如 i c c a v r 、i a r 、c o d e v i s i o n a v r 、g c c 等，可谓是百花齐放，这是a v r 的一个显著特点。 在选择编程语言时应注意调试手段，因为单片机的高级语言编写的程序调试方法 是和某一种单片机的开发工具相联系的，若编出的程序没有适当的手段调试，则将影 响软件研制的进度。现在的单片机控制系统一般选用c 语言。c 语言功能丰富、表达能 力强、使用灵活方便、应用面广、目标程序效率高、可移植性好，既有高级语言的优 点，又具有低级语言的许多特点，非常适合嵌入式系统的开发。 本课题采用的是i m a g e c r a f t 公司专门针对a v r 单片机开发的，使用符合a n s i 标 准的c 语言进行8 1 6 位微控制器( m c u ) 程序设计的图形界面c 语言程序编译工具软 件i c c a v r 。 6 第三章系统硬件电路设计 3 1a t m e g a l 6 单片机外围电路设计 3 1 1 复位电路设计 当任何一个复位信号产生时，a v r 的所有i 0 端口都会立即复位成它们的初始值， 并不需要时钟源处于运行状态。在复位信号撤消后，硬件系统将调用一个计数延时过 程，经过一定的延时后，才能进行系统内部的真正复位启动。采用这种形式的复位启 动过程，保证了电源达到稳定后才使单片机进入正常的操作。复位启动的延时时间可 以由用户通过对熔丝位的编程来定义。 m e g a l 6 单片机有4 个复位源”： ( 1 ) 、上电复位。当系统电源的电平低于上电复位门限电压v r , o r 时，m c u 产生复位。 ( 2 ) 、外部复位。当一个低电平加到r e s e t 引脚超过t r s t 时，m c u 产生复位。 ( 3 ) 、看门狗( w d t ) 复位。当看门狗复位允许且看门狗定时器溢出时，m c u 产生 复位。当进入系统的干扰作用于单片机内部时，系统失控导致程序在地址空间内“乱 飞”，使程序运行状况不可预测。如果运行时间超过程序设定的看门狗延时时问，系 统便会重新复位，使单片机重新回到正常运行轨道。因此，看门狗复位可以有效的监 控系统的运行情况，提高了系统自身的抗干扰能力，使系统能够在具有一定干扰的环 境中正常工作。 ( 4 ) 、电源电压检j 贝j j b o d 复位。当b r o w n o u t 检测功能允许，且电源电压v c c 低 于b r o w n o u t 复位门限电压v a o t 时，m c u 产生复位。 由器件手册可知m e g a l 6 已经内置了上电复位电路，并且在熔丝位里可以设置复位 时的启动时间。我们仅需要设计一个外部复位电路，a v r # i - 部的复位电路设计很简单只 需一个复位键s 0 和一个1 0 k o 的电阻( r 0 ) 即可，如图3 1 所示。 为了提高系统可靠性，再加上一个0 1 u f 的电容( c o ) 来消除高频干扰和杂波。二极 管d 3 ( 1 n 4 1 4 8 ) 的作用有两个：一个是将复位输入的最高电压钳位在v c c + 0 5 v 左右，另 一个作用是系统断电时，将r o ( 1 0 k o ) 电阻短路，让c o 快速放电，保证在下一次上电时 能产生有效的复位。 当a v r 处于工作状态时，按下复位键s o 时，复位引脚变成低电平，触发a v r 芯片 复位。 3 1 2 晶振电路设计 单片机是一种时序电路，必须给它提供时钟脉冲信号才能正常工作。系统时钟信 号是单片机内部各种操作的时间基准，为各种指令的执行提供时钟节拍。通常单片机 可通过内部振荡或外部振荡两种方式，得到系统时钟信号。m e g a l 6 芯片内部集成了r c 振荡电路，可以产生1 m h z 、2 m h z 、4 m h z 、8 m h z 的振荡频率。内置的r c 振荡电路适合 用在要求不高的场合，在一些要求较高的场合，比如要与r s 2 3 2 通信等需要比较精确 的波特率时，使用外部晶振提供时钟比较可靠。本系统采用7 3 7 2 8m h z 的晶振，如图 3 2 所示。按照a t m e l 官方建议，在晶振两端接上两个2 2 p f 的微调电容。 3 1 3i s p 下载接口设计 r e s e ：r 鬟? r a l 2 x 丁a l l b 斟王6 g n d g n d g n d 图3 2 外部晶振电路 i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写 入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用i s p 方式 擦除或再编程。 一般通用做法是芯片内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对 于单片机来讲可以通过s p i 接口或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储 器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就 8 可以实现对芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。 i s p 技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，降低了单片机开 发门槛，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由 于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不利影响。 a v r 系列单片机提供了同步串行接口s p i ，可以支持用户对内部程序存储器编程 ( i s p ) 。m e g a l 6 具有可擦写1 0 ，0 0 0 次的1 6 k b 在系统可编程f l a s h ，我们可以自由的对 系统程序代码进行修改和调试，而不用担心f l a s h 芯片的撩写次数。 i s p 下载接口如图3 3 所示，不需要任何的外围器件。使用双排2 5 插座。由于 没有外围器件，故p b 5 ( m o s i ) 、p b 6 ( m i s o ) 、p b 7 ( s c k ) 、复位脚仍可以正常使用，不 受i s p 的干扰。 i s p 3 1 4 电源电路设计 12 34 56 78 91 0 v c c g n d g n d g n d g n d 图3 3i s p 下载接口电路 电路系统的工作需要电源。电源主要分两种，一种是线性电源，比如7 8 0 5 ，它是 因其内部调整管工作在线性区域而得名，它的特点是电源外围元件少、输出噪声小、 静态电流小、价格便宜；另一种是开关电源，它是利用现代电力电子技术，控制开关 晶体管开通和关断的时日j 比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲 宽度调制( p w m ) 控制i c 和m o s f e t 构成，它的特点是效率高。 线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低，需要加体积庞大的 散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，相比之下，开关电源的转换效率 要比线性电源的转换效率高些，而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流 信号上面会叠加较大的纹波，需要在输出端并接稳压二极管加以改善，另外由于开关 管工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串联磁珠加以改善。相对而言 线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小f 5 m v 以下) 。 本文主要从系统的可靠性和设计的简单性两个角度考虑，采用了二级稳压的方案。 第一级是采用现有的实验用丌关电源，它的电源输出包括有5 v 和1 2 v ，输出的电 流可以达到几十安培，且可靠性好。第二级由三端稳压块实现二级稳压功能。其原因 9 主要有三点：一是本设计不是便携式的设计，所以电源的效率高低不是重点考虑的内 容；其二是如果采用通过国家认证的电源，那么其可靠性可得到保证；其三是二级稳 压电路的设计简单、成熟，易于维护。 开关电源提供的1 2 v 电压，经l m 7 8 0 5 稳压模块输出为单片机正常工作需要的5 v 电压，原理如图3 4 所示。 图3 4 电源电路设计 二极管d l 的作用是防止因输入瞬间短路而烧毁器件，电容c l 、c 2 用来去耦，以 提高系统的抗干扰能力。电阻r 1 2 和发光二极管组成电源状态指示灯，当系统正常供 电时，指示灯被点亮，反之，则不亮。 3 2 温度信号检测电路设计 3 2 i 温度传感器的选择 温度传感器种类很多啪，基本上分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传 感器是指测温时传感器需要与被测物体接触才能测量其温度，如热电偶、热敏电阻、 水银温度计、集成温度传感器及铂电阻等。非接触式温度传感器是指测温时传感器不 需要与被测物体接触，直接利用被测物体的热辐射或热对流来测量温度，如红外测温 传感器、量子温敏传感器等。 日常使用的温度传感器，多为热敏电阻和集成温度传感器。 热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。按照阻值温度 系数可分为正温度系数型盯c f p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 和负温度系数型 r c r c f n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 两种。p t c 型热敏电阻阻值随温度升高而增大， n t c 型热敏电阻的阻值则随温度升高而减小。p t c 型热敏电阻主要采用b a t i 0 3 系列材 料制成，当温度达到某一特定数值前，电阻值随温度变化非常缓慢，当超过这个温度 时，其电阻值急剧增加，典型的电阻一温度特性曲线如图3 5 所示。 1 0 置 0 i ，l t 2 t 图3 5p t c 热敏电阻r t 特性曲线 p t c 热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻一温度曲线上有两个拐 点t p l 和t p 2 ，当温度低于t p l 时，温度灵敏度低；当温度升高到t p l 后，电阻值随温 度的升高按指数规律迅速增大。因此p t c 主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保 护，发热源的恒温控制，也可作限流元件使用。n t c 热敏电阻在很大的温度范围( 一 般在5 5 c 3 0 0 1 内，电阻值随温度是按指数规律变化的。n t c 的主要优点有：电阻温 度系数大，灵敏性高；结构简单，体积小，可测点温度；电阻率商，热惯性小，适用 于动态测量：易于维护和进行远距离控制；制造简单，使用寿命长。缺点是非线性严 重。 集成温度传感器是在半导体p n 结测温基础上迅速发展起来的一种新型测温元件， 按照输出方式的不同分为以下5 种类型“”： ( 1 ) 、电流输出式集成温度传感器 特点是输出电流与热力学温度( 或摄氏温度) 成正比，电流温度系数k l 的单位是 # a k ( 或a c ) 。典型产品有a d 5 9 0 、a d 5 9 2 、h t s l 和t m p l 7 。 ( 2 ) 、电压输出式集成温度传感器 特点是输出电压与热力学温度( 或摄氏温度、华氏温度) 成正比，电压温度系数 k v 的单位是m v k ( 或m v 、m v 下) 。典型产品分别为l m 3 3 4 、l m 3 5 和u d 3 4 a 。 ( 3 ) 、周期输出式集成温度传感器 其特点是输出方波的周期与热力学温度成正比，周期温度系数k t 的单位是 1 s k 。 典型产品为m a x 6 5 7 6 。 ( 4 ) 、频率输出式集成温度传感器 其特点是输出方波的频率与热力学温度成正比，频率温度系数k f 的单位是h z k 。 典型产品为m a x 6 5 7 7 。 ( 5 ) 、比率输出式集成温度传感器 其特点是传感器的输出电压u o 不仅与温度有关，还与电源电压的实际值与标称值 的比率成正比，由此可以消除因电源电压存在偏差或在工作过程种发生波动而引起的 误差。典型产品有a d 2 2 1 0 0 和a d 2 2 1 0 3 。 本课题选用的是电流输出式集成温度传感器a d 5 9 0 。它具有线性度好、精度较高、 灵敏度高、体积小、使用方便等优点，广泛应用测温和热电偶冷端补偿等场合。 a d 5 9 0 是美国模拟器件公司生产的高精度温度传感器，它的主要特性如下： ( 1 ) 、流过器件的电流与器件所处环境的热力学温度( 开尔文) 成正比，比例系数 为l p a k ，零摄氏度时的输出电流为2 7 3 a 。 ( 2 ) 、a d 5 9 0 的测温范围为- 5 5 + 1 5 0 。 ( 3 ) 、a d 5 9 0 的电源电压范围为4 v 3 0 v 。a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 0 v 反 向电压，因而器件反接也不会被损坏。 ( 4 ) 、输出阻抗高，约为7 1 0 m o ，相当于一个恒流源。 ( 5 ) 、精度高。a d 5 9 0 共有l 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高，在一5 5 + 1 5 0 范围内，最大非线性误差为0 3 c 。在测量范围较小( 如0 + 4 0 ) 时，实 际测量误差会大大降低。 3 2 2 温度检测电路设计 与其它的温度传感器相比，a d 5 9 0 的电流输出特性不但实现了把温度信号转换为线 性化电量测量，而且精确度高、体积小、互换性好、抗干扰能力强，应用简单方便。 通过查阅国内、外有关生化分析仪恒温系统的资料，我们得知生化分析仪的工作温度 参数一般为2 5 、3 0 和3 7 。由于a d 5 9 0 在出厂时已通过激光微调内部薄膜电阻的 方式来校正2 5 的输出电流( 此时的输出电流为2 9 8 2 “a ，因此2 5 时的测温精度是 厂家保证的) ，而我们所关心的温度参数仅为2 5 3 7 这很小的一段，从a d 5 9 0 的误 差曲线上可以看出这一温度范围的误差远小于0 1 ，因此采用a d 5 9 0 作为系统的温度 传感器完全能够满足系统要求的精度。 由于湿度测量精度较高，为了减4 , n 量误差，要求放大器必须具有较好的温度特 性啡1 ，因此本文采用了失调电压飘移在0 6 p w 。c 以下的0 p 0 7 。0 p 0 7 是a d 公司生产的 超低失调电压放大器，具有显著的增益线性度和超高的增益5 0 0 0 v m y ，最大功耗只有 6 0 m w 。0 p 0 7 的开环增益达1 2 0 d b 以上，构成l o 倍左右的放大器，其增益误差可以忽 略不计。 根据a d s 9 0 的1 9 a k 的电流输出特性，把a d 5 9 0 和i o k o 的电阻串联，就可把温 度信号转化成电压信号。为了精确起见，我们采用了一个8 2 k o 的精密电阻和一个2 k o 电位器串联来得到所需的1 0 k o 阻值，这样得到的温度一电压输出特性为1 0 m v k ，如 2 5 时输出电流为2 9 8 2 肛a ，我们在a 点就可得到电压u = 2 9 8 2 v 。为了确保线性补 偿特性不受后继电路的影响，把电压信号采集端接成跟随器的形式，来得到与温度对 应的电压值。具体的接线电路如图3 6 所示。 a d 6 9 0 图3 6 温度信号检测电路 由a 点输出的测温电压经放大器u 1 的阻抗变换，在b 点得到与a 点相等的电压。 3 3 温度信号处理电路 由图3 6 中a 点得到的输出电压信号对应的是开尔文温度，不是摄氏温度，与我 们的习惯不同，需要把开尔文温度转换为摄氏温度。我们知道摄氏温标的零度对应开 尔文温标的2 7 3 2 k ，即开尔文温度减去2 7 3 2 就得到对应的摄氏温度。 i 鳘l3 7 温度信号转换电路 1 3 图3 7 所示的温度转换电路采用放大器u 2 构成的减法器完成开尔文温度向摄氏温 度的转换，使输出电压正比于我们常用的摄氏温度，例如0 时输出电压为0 v ，2 5 时输出电压为2 5 v 。 具体做法是：o 时，调节图3 6 中的r p l 使a 点输出电压为2 7 3 2 v ，由于放大器 u l 接成跟随器的形式，所以b 点电压也为2 7 3 2 v ，并作为放大器u 2 的同相端输入电 压；r 6 和r p 2 构成的电路用于提供2 7 3 2 v 的反相输入电压。 根据模拟电路中虚短、虚断的知识，由图3 7 可以得到以下关系： u ，i u 也击 u d u nu n u c r 5r 4 把相应电阻值代入，我们可以计算得出u 2 的输出电压满足如下关系： u d = u b u c 因此，只要调节r p 2 使c 点的电压为2 7 3 2 v ，放大器u l 的输出电压经过放大器 u 2 构成的减法器后，在d 点得到的输出电压就是正比于摄氏温度的信号了。 一 图3 8 放大电路 此时得到的输出电压信号较小，如2 5 时的输出电压仅为0 2 5 v ，温度变化率为 l o m v ，不利于后续处理。为了提高温度的分辨率和检测精度，需要进行放大。利用 如图3 8 所示的同相放大电路，对其进行放大。 由图3 8 可知，该电路的放大倍数为( 1 + r p 3 r 8 ) ，调节r p 3 使放大倍数为l o ， 那么2 5 。c 时放大器u 3 的输出电压v 0 就变为2 5 v ，此时的温度变化率由i o m v c 提高 到了1 0 0m v ，经l o 位a d 转换后可以达到0 1 以下的分辨率，满足设计要求。 1 4 3 4k o 转换电路设计 a d 转换采用a t m e g a l 6 内部集成的8 路1 0 位逐次逼近型a d 转换器，它具有0 5 l s b 的非线性度，6 5 2 6 0 l , s 的转换时间，最大采样率高达1 5 k s p s ，内部自带可选的2 5 6 v 参考电压。a d c o 到a d c 7 为模拟电压输入端，它们通过一个8 通道的模拟多路复用 器( a d m u x ) 来选择，本课题只用到a d c o 。输入信号电压范围为o v r e f ，v t a 3 s v 为实 际参考电压。 放大器u 3 的输出电压v o 接至h t m e g a l 6 的a d c o 端，参考电源选用数外部5 v 参考 电压。为了保证参考电压的稳定，采用7 8 0 5 稳压管输出电压作为a d c 电源，选择内部 a v c c 作参考源，并在参考电源与v c c 间接一个1 0 ph 的电感，在参考电源引脚接一去 耦电容，防止高频干扰的窜入。实测a v c c 引脚的电压4 9 8 2 v ，这样a d 转换器的分 辨力约为5 m v ，完全满足需要。由于选择了内部a v c c 作参考源，在a r e f 引脚与地之间 并接一个0 1pf 的电容，以增加抗干扰能力。 圈3 9a d 转换电路 为进一步提高系统的抗干扰能力，保证系统的精度，在a d 转换处理程序中将a o 转换器的工作模式选为噪声抑制模式，对输入的系统时钟进行6 4 分频作为a d c 时钟， 并采用中位值平均滤波算法，每采集1 2 个温度数据，去掉最大值和最小值之后，再取 其余十个数据的平均值作为实际的温度值。 3 5 键盘接口电路设计 本电路采用周立功单片机发展有限公司设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯 片z l g 7 2 8 9 ，该芯片可以扫描管理多达6 4 个按键。z l g 7 2 8 9 采用s p l 串行总线与微 控制器接口，仅占用少数几根f o 口线，可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条 形显示器，控制面板等领域。 z l g 7 2 8 9 与微控制器的接口采用3 线制s p i 串行总线，由c s ，c l k 和d i o 这3 根 信号线组成。如图3 1 0 所示，c s 和c l k 是输入信号，由微控制器提供。d i o 信号是 双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的f o 口上。只有当i n t 引脚出现下跳沿 时才允许去读取按键值，否则将得不到有意义的数据。 图3 1 0 键盘接口电路 为了使电源更加稳定，在v c c 与g n d 之间接入去耦电容。p 1 是7 2 8 9 与微控制器的 接口。晶振频率可在i 1 6 m h z 之间选取，这里采用8 m h z 的，调节电容c 3 和c 4 通常取 值在0 1 u f 左右。复位信号是低电平有效，一般只需外接简单的r c 复位电路，也可以通 过直接拉低r s t 引脚的方法进行复位。为了使键盘扫描得以正常进行，下拉电阻r 1 r 8 和位选电阻r 1 4 r 1 7 是必需的。它们之间还要遵从一定的比例关系，比值通常要在 在5 ：1 n 5 0 ：1 之问，典型值是1 0 ：1 。下拉电阻取值范围在1 0 1 0 0 k o ，位选电阻取 值范围在1 1 0 k o 。r 9 r 1 3 是限流电阻，通常取其典型值2 7 0 0 。 当某个按键按下时，z l g 7 2 8 9 的i n t 引脚会出现低电平，向主控制器发出中断请求。 主控制器既可以采用中断方式处理，也可以采用查询i n t 引脚电平状态的方法处理。 但是要避免通过s p i 总线用软件命令的方式去查询是否有键按下，这将导致s p i 总线 频繁处于活动状态，不利于抗干扰。应当在i n t 引脚出现低电平时及时地读取键值。 读取键值后，i n t 引脚并不会自动恢复为高电平，一定要等到按键抬起为止。如果没有 及时读取按键值，则按键抬起后i n t 引脚也将恢复到高电平，而在i n t 引脚处于高电 平期间，试图去读取键值将可能得不到有意义的数据。 利用中断方式处理按键时，应将微控制器外部中断的触发方式设置为下降沿触发， 而不要设霄成低电平触发。按下某个键时，z l g 7 2 8 9 会在t n t 引脚产生低电平信号，这 1 6 个低电平信号直到松开按键时才会撤除。如果程序中采用低电平触发中断，则进入中 断完成读取键值操作后，还必须要等待i n t 信号恢复为高电平，即等待操作者释放按 键，在等待期问，c p u 几乎不能再干其它事情，会造成很大浪费。如果不等待，读完键 值后就直接从中断返回主程序，那么由于i n t 信号还是低电平，这将再次触发中断， 从而导致程序错误。如果外部中断设置为下降沿触发方式，则进入中断读完键值后不 必等待即可退出，返回主程序后也不会再次触发中断。 3 6l c d 显示电路设计 液晶显示l c d 1 是英文l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 的缩写，它的构造是在两片平行的玻 璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否 来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。在便携式低功耗系统中最 常用的是反射式液