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第一包一、全自动化学发光免疫分析仪
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第一包一、全自动化学发光免疫分析仪
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全自动化学发光免疫分析仪设计 天津大学硕士论文
中文摘要免疫诊断（Ｉｍｍｕｎｏｄｉａｇｎｏｓ惋）技术是现代临床检验和生命科学研究的重要手段之一，为肿瘤，糖尿病，性腺分泌异常，甲状腺功能障碍等疾病提供了 有力的诊断工具。传统使用的放射性免疫分析技术由于其手工操作复杂，反应 时间长，对环境污染性强而逐步被新兴的化学发光免疫分析技术所取代。而全 自动化学发光免疫分析仪的研制涉及到电子，机械，光学，计算机技术，
生物 化学等多方面的高科技技术，仪器结构复杂，前期需要巨大的研发费用，目前 国内相关产品的研制尚处于起步阶段。 本文参照国外的相关化学发光免疫分析产品及技术，并针对国内目前状 况，进行了化学发光免疫分析仪的整体设计，并对加样系统、温度控制系统这 两个核心模块进行了具体的设计与实现。 化学发光免疫分析原理：以碱性磷酸酶标记的抗原或抗体为液相载体，以 抗原或抗体包被的塑料珠为固相载体，用底物（ＡＭＰＰＤ）作为发光物质，进行 化学发光反应。 化学发光免疫分析系统由以下子系统构成：反应杯传送系统，测试包被珠 装载系统，样本装载系统，条码读取系统，试剂装载系统，加样系统，温育系 统，离心清洗系统，发光计数测量系统，计算机控制系统。 作者设计的化学发光免疫分析仪中的加样系统，采用了Ｌ２９７控制芯片与 Ｌ６２０２电流驱动芯片进行电机控制，与传统的由口线直接模拟时序的控制方式 相比，在省去了复杂的相序编程控制的同时也获得更灵活和精确的控制；在与 加样系统相连的管路设计中，采用新颖的电磁阀流体控制技术实行液体的换向 控制，同时完成探针的加样与清洗，节省了时间，提高了效率；温度采集系统 采用１８位精度Ａ／Ｄ转换芯片ＭＡＸｌ ３２，并采用ＰＩＤ算法对测温模块进行控 制，使温度控制精度可达到０．０５℃。关键词：免疫诊断、化学发光、酶标记、加样、温度控制、ＰＩＤ算法。ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｍｍｕｎｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓｏｎｅｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｈｅ ｍｏｄｅｍ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｌａｂ ａｎｄ ｌｉｆｅ―ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ Ｉｍｍｔｍｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｉＳ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｔ００１ｔｏ ｄｉａｇｎｏｓｅｓｕｃｈ ｄｉｓｅａｓｅｓａｓｔｈｅｔｕｍｏｒ，ｄｉ如ｅｔｅｓ．ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ．ａｎｄｔｈｙｒｏｉｄ ｇｌａｎｄ，ｅｔｃ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｉｒｍｎｕｎｏａｓｓａｙ ｉｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｎｅｗ ｅｍｅｒｇｅｄ ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｃａｄｅ ｙｅａｒｓ ｄｕｅｔｏ ｉｔｓ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｈａｎｄｗｏｒｋ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｌｏｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ（ｕｐｔｏ ４８ｈｏｕｒｓ），ｄｉｓｐｕｔｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｕｌｌ．ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｊｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｊｎｖｏｌｖｅｓ ｍａｎｙ ｈｉ吐。ｔｅｃｈａｎｄｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｆｉｅｌｄｓ ｌｉｋｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｏｐｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｅｔｃ．，ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ，ｅｎｏｒｍｏｕｓ ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｘｐｅｎｓｅｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｉｅｒ ｓｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃｒｅｌｅｖａｎｔｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉＳ ｓｔｉｌｌａｔｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ． ａｎｄＴｈｉｓ ＰａＤｅｒ ｃｏｎｓｕｌｔｓ ｄｏｍｅｓｔｉｃｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｉｍｓｏｆ ｔｈｅａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｏｓｅｓｄｅｓｉｇｎｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ．Ｔｗｏ ｋｅｙ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｅ ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ．强ｅｃｏａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ：Ｒｅｇａｒｄｓ ａｌｋａｌｉｎｅ ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ ｅｎｚｙｍｅＣＯｎｊｕｇａｔｅｄｏｒｔｏ ｐｏｌｙｅｌｏｎａｌ ａｎｔｉｂｏｄｙ Ｏｒａｎｔｉｇｅｎｔｈｅａｓｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｃａｒｒｉｅｒ，ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ，ｔｈｅａｎｔｉｇｅｎａｎｔｉｂｏｄｙａｓｐｌａｓｔｉｃｐｅａｒｌａｓｓｏｌｉｄｒｕｎｓｕｂｓｔｒａｔｅ∽ＭＰＰＤ１ｔｈｅｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｏｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｕｂｅｔｈｅ ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｓｓａｙｓ．Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉＳ ｍａｉｎｌｙ ｍａｄｅ ｏｆ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ：Ｔｈｅｃｏｎｖｅｙａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ；ｔｅｓｔ ｕｎｉｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅ ｂａｒ ｃｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅ ｒｅａｇｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｗａｓｈ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ―Ｌ２９７ａｎｄ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｒｃｈｉｐ―Ｌ６２０２ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒｓ，ｏｔｈｅｒ ｔｈａｎ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）．ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｈａｔ ｉｓ ｌｉｎｋｅｄ ｔｏ ｔｈｅｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ， ｔｈｅ ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｎ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｗａｓｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｎ ｏｎｅ ｃｙｃｌｅ； Ｔ１１ｃ １ ８－ｂｉｔｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａ／Ｄ ｃｈｉｐ ＭＡＸｌ ３２ ｉＳ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ， ｔｈｅ ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ―Ｉｎｔｅｇｒａｌ―Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ｕｐ ｔｏ ０．０５℃．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｉｍｍｕｎｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ，Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＰＩＤ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＥｎｚｙｍｅＣｏｎｊｕｇａｔｅｄ，Ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特剐加以标注和致谢之处外，论文中刁ｉ包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘芏或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：孑南）毛廊扬签字日期：埘年十月∥１１学位论文版权使用授权书苤鲞盘茔 有关保塑、使用学位论文的规 定。特授权盘注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进本学位论文作者完全了解 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：凇，曷签字日期：训年，月为日移… 签字目期：ｚ舢夕年夕月ｚ莎日导师签名天津大学硕士论文第一章绪论第一章绪论１．１引言免疫诊断技术是现代临床检验和生命科学研究的重要手段之一。免疫诊断 学（ｉｍｍｕｎｏｄｉ８，ｇｎｏｓｉＳ）基于抗原一抗体免疫反应原理，是诊断肿瘤、糖尿 病、性腺系统疾病、甲状腺疾病等疾患的有力工具。 抗原一抗体的特异性结合反应是免疫学诊断的基础。许多动物在受到外来抗 原的刺激后便会产生相应的抗体，利用已知抗原或已知抗体可与其对应的抗体 或抗原特异性结合，如果反应结果在体外可直接被观察到，如反应中有沉淀、 浑浊等现象出现，便可直接用于临床抗体的检验诊断，一些早期的免疫诊断技 术就以此为理论基础建立起来的。在早期的免疫诊断技术当中，有些项目由于 操作上的简便易行而仍在广泛使用，如血型鉴定、抗精子抗体检查等。但是， 大多数已被敏感性更高的标记免疫技术所代替。由于更多的抗原一抗体的特异性 结合反应人们无法直接探知，于是便出现了通过对抗原或抗体进行各种各样的 标记来显示有无抗原一抗体的特异性结合反应的发生，这就是近年来被广泛使用 的标记免疫检测技术，如放射免疫技术、酶标记免疫技术、荧光免疫技术等 等。通过使用标记物不但使许多原来无法直接探测到的免疫反应可被探知，而 且使免疫检测技术的敏感性得到提高。此后单克隆抗体技术的出现使抗原一抗体 结合反应的特异性检测技术有了进一步大幅度提高。近年来随着计算机技术高 速发展及各种新型传感器的应用使自动化、智能化、高效率、高精度及多参数 测量等成为免疫检测技术发展的方向发展。 化学发光放大技术同样利用抗原．抗体反应原理，将酶或其他非放射性标记 物标记于抗原或抗体，然后与已知抗原或抗体反应，标记的酶使反应底物进行 发光，经光电倍增管测量后可得到被测样本的每秒钟发光计数（ＣＰＳ），再根 据内置的标准曲线将ＣＰＳ转换为样本的浓度值。由于这项技术的应用，使抗 原．抗体的反应时间缩短，特异性程度和灵敏度得到提高，同时辅以单克隆技术 的应用，使整个反应的全自动化实现成为可能，并一改过去依赖于手工加样， 再交由仪器测量的半自动化技术的局面，也是近十年来免疫检验技术的一个飞 跃。目前国内尚无自主研制的全自动免疫发光仪的成熟产品，此类仪器长期被 国外公司如Ｂｅｃｋｍａｎ，Ｂａｙｅｒ， Ｒｏｃｈｅ以及ＤＰＣ等公司垄断。本文在参照一些国外同类仪器的基础上，设计了一套全自动化学发光系统，并对部分核心模 块的功能进行了模拟实验，经在机实验证实可完全满足临床检验实验要求，同 时相信对国内同类全自动免疫分析仪的开发有参考价值。天津大学硕士论文第一章绪论１．２免疫诊断技术的发展历程 １．２．１放射免疫测定（鼬Ａ）由于化学发光免疫分析技术是由放射免疫技术来的，在谈到化学发光免疫 技术之前，让我们首先回顾一下放射免疫测定技术的发展历程、测试方法及特点。放射免疫测定（Ｒａｄｉｏ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ，ＲＩＡ）是１９５９年Ｙａｌｏｗ和Ｂｅｒｓｏｎ首 先创建的经典放射免疫分析技术，用于血清中胰岛素含量的测定，其原理框图 如图１―１所示。四十多年来，由于此项技术灵敏度高、特异性好、并已制成多 种标准试剂盒，使用方便而得到了十分广泛的应用。目前国外已成功地应用 ＲＩＡ检测的物质多达３００余种，国内研究的被测物质也达百余种，试制的ＲＩＡ 试剂盒已有６０余种，是测定各种微量物质不可缺少的手段。 ＲＩＡ是标记抗原和未标记抗原对有限量抗体的竞争性结合或竞争性抑制反 应。在ＲＩＡ反应系统中，标记抗原（Ａｇ’）、末标记抗原（Ａｇ）和特异性抗体（Ａｂ）三 者同时存在时，由于两种抗原具有相同的决定簇，互相竞争结合抗体的能力相 同，结果形成Ａｇ＊－Ａｂ和Ａｇ－Ａｂ复合物。图１―１抗原－抗体结合反应示意图当Ａｇ’和Ａｂ的量固定时，二者结合形成免疫复合物就受到Ａｇ含量的制 约。如反应系统中Ａｇ含量高时，对Ａｂ的竞争结合能力就强，Ａｇ－Ａｂ复合物 的形成量就增加，Ａｇ’－Ａｂ复合物则相对减少：反之，当Ａｇ含量低时，对Ａｂ 的竞争结合能力弱，Ａｇ＋－Ａｂ复合物的形成量即增多。因此，Ａｇ＋一Ａｂ复合物的 形成量与Ａｇ含量之间呈一定的负相关函数关系。天津大学硕士论文第章绪论ＲＩＡ的优点： ?成本底、灵敏度高； ?不受周围环境和样本干扰物质的影响：?与小颗粒同位素的结合不影响免疫反应和； 具有完善的放射测量体系；?－但其缺点也是显而易见的：?同位素的半衰期使货架期短，试剂盒不易储存；?反应时间过长，并且反应时间不…，不易实现自动化；?结合于抗原或抗体分子上的１１２５碘分子数量有限，过高会引起结合物的自照射雨分解，影确试裁的使弼；购买以及废物处理等均引起一定的辐射安全问题，虽然ＲＩＡ涉及的放射性较小，但仍会面临公众的反核的负面的影响；同时，临床医学要求快速诊断的呼声不断增高，使ＲＩＡ面临进一步挑战。１．２．２化学发光技术的建立ｌ、化学发光技术的定义化学发光技术是近十几年来发展起来的一种测定方式，利用化学反应释放 的自由能激发中间体（常用碱性磷酸酶一金刚烷胺），使其从激发态回到基态， 当中间体从激发态回到基态时会释放等能级的光子，通过对光子进行测定而进 行定量分析。化学发光具有荧光的特异性，同时不需要激发光，从而避免了荧光分析中激发光杂数光的影响，有很高的灵敏度：并且不象放射分析那样存在强烈的环境污染和健康危害，是一种非常优秀的定量分析方法。２、化学发光免疫技术的前身化学发光免疫技术的前身可以称为酶免疫分析技术，酶作为催化特异反应 的一种生物蛋白，由于其催化作用，使反应物得以高度转换，具有很大的放大 效应。酶探测频率颇高，平均～个酶分子一秒内产生一千分子的有色荧光或发 光物质。１ ９６６年Ａｖｒａｍｅａｓ和Ｕｒｉｅｌ首先将酶偶联应用于抗原和抗体；随后在 １９７４年，Ｓｙｖａｃｏ首先报道了ＥＩＡ分析，即均相“酶测免疫分析”（ＥｎｚｙｍｅＭｏｎｉｔｏｒｅｄＩｍｍｕｎｏａｓｓａｙ），开创了酶免疫分析的临床应用。虽然酶免疫技术不是真正的化学发光技术，但其为化学发光技术的应用奠定了良好基础。３、化学发光技术的应用１９７８年Ｓｃｈｒｐｅｄｅｒ在ＲＩＡ和ＥＩＡ基本理论的基础上，以化学发光信号示 踪，建立了化学发光免疫分析（ＣＬＩＡ，Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｅｎｔ Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）技术。 因其具有和ＲＩＡ相似的灵敏度和特异性，受到国内外学者的重视，并投入了相 当的人力和资金对该方法进行研究，并制造测量仪器。大量的实验结果证明，大津大学硕十论文第一章绪论ＲｌＡ的优点： ?成本底、灵敏度高；?不受周围环境和样本干扰物质的影响；?与小颗粒同位索的结合不影响免疫反应和； ?具有完善的放射测量体系； ?但其缺点也是显而易见的：?同位素的半衰期使货架期短，试剂盒不易储存：?反应时闻过长，并且反应时间不一，不易实现自动化；?结合丁抗原或抗体分子上的ｌ”５碘分子数量有限，过高会引起结合物的自照射而分解，影响试剂的使用；购买以．及废物处理等均引起一定的辐射安全 问题，虽然ＲＩＡ涉及的放射性较小，但仍会面临公众的反核的负面的影响；同时．临床医学要求快速诊断的呼声不断增高，使ＲＩＡ面Ｉ擒进一步挑战。１．２．２化学发光技术的建立ｌ、化学发光技术的定义 化学发光技术是近十几年来发展起来的一种测定方式，利用化学反应释放 的自由能激发中间体（常用碱性磷酸酶一金刚烷胺），使其从激发态回到基态， 当中间体从激发态回到基态时会释放等能级的光子，通过对光子进行测定而进 行定量分析。化学发光具有荧光的特异性，同时不需要激发光，从而避免了荧 光分析中激发光杂散光的影响，有很高的灵敏度；并且不象放射分析那样存在 强烈的环境污染和健康危害，是一种非常优秀的定量分析方法。 ２、化学发光免疫技术的前身 化学发光免疫技术的前身可以称为酶免疫分析技术，酶作为催化特异反应 的一种生物蛋白，由于其催化作用，使反应物得以高度转换，具有很大的放大效应。酶探测频率颇高，平均～个酶分子一秒内产生一千分子的有色荧光或发 光物质。１９６６年Ａｖｒａｍｅａｓ和Ｕｒｉｅｌ首先将酶偶联应用于抗原和抗体；随后在 １９７４年，Ｓｙｖａｃｏ首先报道了ＥＩＡ分析，即均捌“酶测免疫分析”（ＥｎｚｙｍｅＭｏｎｉｔｏｒｅｄＩｍｍｕｎｏａｓｓａｙ），开创了酶免疫分析的临床应用。虽然酶免疫技术不是真正的化学发光技术，但其为化学发光技术的应用奠定了良好基础。３、化学发光技术的应用１９７８年Ｓｃｈｒｐｅｄｅｒ在ＲＩＡ和ＥＩＡ基本理论的基础上，以化学发光信号示 踪，建立了化学发光免疫分析（ＣＬＩＡ，Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｅｎｔ Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）技术。 因其具有和ＲＩＡ相似的灵敏度和特异性，受到国内外学者的重视，并投入了相 当的人力和资金对该方法进行研究，并制造测量仪器。大量的实验结果证明， 当的人力和资金对该方法进行研究，并制造测量仪器。大量的实验结果证明，天泮大学硕十论文第一章绪论ＣＬＩＡ因光信号持续时间太短，达不到Ｉ临床应用水平。为解决测量方法上的缺 点，一些学者进行了发光稳定剂的研究，９０年代初首先由英国Ａｍｅｒｓｈａｍ公 司研究人员发现在ＨＲＰ催化的Ｌｕｍｉｎｏｌ发光反应中加微量对一碘酚，可以使发 光信号持续２０～３０分钟。随后生产出试剂盒。标示了化学发光技术进入了临 床应用的开端。 ４、标准曲线 标准曲线是免疫反应中一个基本概念。它是一个线性方程式，能够最佳反 映ＣＰＳ信号与待测物浓度之间的相互关系。 每一个批号试剂提供的主标准曲线是在单一仪器上通过下列方式完成的： 因分析物和检测范围的不同，选择不同的标准点数量，如Ｔ４试剂盒（检测范 围１―２４ｕｇ／ｄＬ）设置６个标准点，而ＴＳＨ（检测范围０．００２―７５ｕｌＵ／ｍＬ）设置 １５个标准点；每一个标准点随机选取大数量的复制品进行多次运行，每次运行 均同时运行质控血清和低、高浓度校正液的复制品。 绝大多数免疫检测标准曲线都能够与四参数Ｌｏｇ／Ｌｏｇｉｔ方程式相适应，通 过对检测标准物得到每一个标准水平的光信号进行计算，拟和出一条主机ＣＰＳ 信号与待测物浓度相关的曲线，即标准曲线。计算机运算法则使用公认的曲线 适应程序以达到最佳的曲线拟和。 在实际的测量中，待测样本和标记的已知抗原或抗体结合后，促使底物发 光，由ＰＭＴ（光电倍增管）得到发光计数，然后参照标准曲线计算即可得到待 测样本的浓度值。１．３国际主流化学发光免疫分析仪的原理、技术及特点随着免疫学的不断发展，新的免疫学技术不断出现，如化学发光技术、时 间分辨荧光免疫测定技术、荧光偏振免疫分析测定技术等，促进了免疫检测的 自动化，一大批先进的自动化免疫分析仪应运而生，它们的出现不仅减轻了工 作人员的劳动强度，而且缩短了分析流程，提高了实验结果的精确度和准确 性，灵敏度更是达到ｎｇ甚至ｐｇ水平，在内分泌激素、血浆特种蛋白、肿瘤标 志物、维生素、体内药物浓度的快速测定中起着重要作用。 各种现代化免疫分析仪都使用一种或两种新的免疫分析技术，如：酶联免 疫分析技术、生物素一亲和素技术、化学发光分析技术、荧光偏振技术、时间 分辨荧光免疫测定技术、电化学发光技术等，使免疫检验手段更先进、方法更 可靠、结果更准确、可与放射免疫分析技术相媲美。下面就国内外常见的自动 化免疫分析仪采用的分析原理作一介绍。天津大学硕士论文第一章绪论１．３，１微粒子捕捉酶免疫分析技术（ＭＥＩＡ）下面以双抗体夹心法为例介绍微粒子捕捉酶免疫分析技术：已包被了抗体 的塑料微珠试剂中，加入待测标本后，经温育，再加入碱性磷酸酶标记的抗 体、形成抗体一抗原一酶标记抗体复合物。然后将其转移到玻璃纤维柱上，Ｐ日 缓冲液洗涤，没有结合的抗原、酶标抗体被洗掉，结合抗原抗体的塑料微珠则 被保留在纤维柱滤膜的上方。这时再加入底物，４．甲基伞型酣磷酸盐（４一Ｍｕｐ）。 酶标抗体上的碱性磷酸酶将４Ｍｕｐ分解，脱磷酸后形成甲基伞型酣（４Ｍｕ），在 ３６５ｎｍ激发光的照射下，发出４４８ｎｍ的荧光，经过荧光读数仪的记录、放 大，计算出所测物质的含量。１．３．２荧光偏振免疫分析技术（ＦＰＩＡ）这是一种均相荧光免疫分析法，主要用于测定小分子量物质，如药物浓度 测定。原理是：标记在小分子抗原上的荧光素经４８５ｎｍ的激发偏振光照射 后，吸收光能，越入激发状态，激发状态的荧光素不稳定，很快以发出光子的 形式释放能量而还原。发射出的光子经过偏振仪形成５２５～５５０ｎｍ的偏振光， 这一偏振光的强度与荧光素受激发时分子转动的速度呈反比，游离的荧光素标 记抗原，分子小，转动速度快，激发后发射的光子散向四面八方，因此通向偏 振仪的光信号很弱，而与抗体大分子结合的荧光素标记抗原，因分子大，分子 的转动慢，激发后产生的荧光比较集中，因此偏振光信号比未结合时强得多。 在测定过程中待测抗原小分子、荧光标记抗原小分子和特异性抗体大分子同时 加入到一反应杯中，经过温育，待测抗原和荧光标记抗原竞争性地与抗体结 合，待测抗原越少，与抗体竞争结合的量越少，而荧光标记抗原与抗体结合量 就越多，当激发光照射时，荧光偏振的程度与荧光标记物分子转动的速度成反 比，而荧光标记的小分子抗原与大分子抗体结合后，其分子的转动速度减慢，因此荧光偏振信号强。结果是待测抗原的浓度低，可以通过计算获得其含量。１．３．３利用化学发光技术和磁性微粒子分离技术相结合此方法以吖啶酶为发光的标记物，固相载体为极细小的磁性颗粒。其测定 原理与放射免疫和酶联免疫中的双抗体夹心法和竞争结合法相似。１．３．４采用酶联免疫技术、生物素亲和素技术和增强化学发光技术此方法是用辣根过氧化物酶（ＨＲＰ）标记抗原或抗体、以子弹头型塑料小孔 管为固相载体，鲁米诺为化学发光剂，并加入化学发光增强剂，可使化学发光天津大学硕士论文第‘章绪论强度增强、时问延长而且稳定。下面简单介绍其ｕＴ作原理。 在链霉亲和素包被的子弹头型塑料小孔管中，加入生物素标记的特异性抗 体和待测标本，经过３７。Ｃ温育，链霉亲和素与生物素结合，特异性抗体与标本中的抗原结合，形成链霉亲和素一生物素一抗体一抗原复合物，经过洗涤，将多余的标本和生物素标记抗体除去。加入辣根过氧化物酶标记抗体，经３７℃温育，形成链霉亲和素一生物素一 抗体一抗原一酶标抗体复合物，并固定在小孔管壁上。加入氧化剂Ｈ２０２，增强化学发光剂和鲁米诺，这时结合在固相载体上的辣 根过氧化物酶在强氧化剂的作用下将增强化学发光剂亚铁原吟琳激活，接着它 催化并激活鲁米诺发光，这种化学发光强渡比单独鲁米诺发光强，持续时间 长，而且稳定，易于测定。 鲁米诺发光强度经光量子记录系统记录，经计算从标准曲线上得出待测抗 原含量。１．４本课题的内容与研究意义传统使用的放射性免疫分析技术由于其手工操作复杂，反应时间长，对环 境污染性强而逐步被新兴的化学发光免疫分析技术所取代。而化学发光免疫分 析技术作为近十Ｎ－－十年新起步的技术，涉及到电子、机械、光学、计算机技 术及生物化学等多方面的高科技技术，仪器结构复杂，前期需要巨大的研发费 用。目前国内对本系统的研制尚处于起步阶段。 本课题针对以上现状，旨在研究并设计出一种成熟的全自动化学免疫分析 仪，但由于化学免疫分析仪结构复杂与时间限制，本文主要针对其进行整体方 案设计，并对系统核心模块一加样系统、温度控制系统，进行了硬件设计与软 件设计。 本文第一章介绍了免疫反应的特点和应用领域，回顾了传统的放射免疫测 定技术的发展历程、测试方法及特点，并简单介绍了当前先进的化学发光免疫 分析技术的特点及发展，以及当前几种国际流行的化学发光检测原理。第二章 对化学免疫分析仪的整体模块设计与控制进行了详细说明，并介绍了如何通过 计算机控制系统完成各模块之间的协调与配合。第三章研究了加样系统的控 制，并重点介绍了采用Ｌ２９７控制芯片与Ｌ６２０２电流驱动芯片的协同工作，对 加样电机进行控制，阐述了液面探测原理并完成液面探测电路的设计。第四章 主要是对温度控制系统的研制。设计开发了一套制冷系统，将其用于试剂的制 冷中；温育室温度的采集采用１８位精度ＮＤ转换芯片ＭＡＸｌ３２，并采用ＰＩＤ 算法对温度模块进行控制。第五章对系统整体软件构架进行设计。第六章主要．６－天津大学硕士论文第一章绪论是对本设计的总结以及对后续的开发工作提出建议。天津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控制第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控制２．１化学发光免疫分析仪的原理本文采用的技术是基于固相的化学发光免疫方法。固相是基于聚苯乙烯材 质的小圆珠，包被上抗原或抗体，然后装入小测试杯中。病人血清（含有待测项目的抗原或抗体）和碱性磷酸酶标记的试剂同时加入到测试杯中，在３７℃的环境中进行３０分钟（或６０分钟）的温育，并伴有间歇振荡。在这期间中，血 清中抗原（或抗体）和试剂中的碱性磷酸酶标记的抗原（或抗体）与包被珠上 的定量的抗体（和抗原）进行竞争（或夹心）结合反应。没有结合的反应物经 过离心后被分离出去。然后将底物加入，进行第二次温育。化学发光底物（Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），在有碱性磷酸酶存在的 情况下发生水解（Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ）进入不稳定态。这种持续的不稳定态使能量以 光子的形式释放出来。水解反应化学反应如图２．１所示。娟！：蛳碱性礴酸酶赶一０ＡＭＰＰＤ ＡＭＰＤｏ―０札．嚼＿垒刚靛繁光图２－１化学发光水解反应化学反应方程式温育约１０分钟后，水解反应基本完成，光电倍增管将释放的光子读取出 来，然后根据标准曲线转换成浓度值。从而完成对参加反应的抗原（或抗体） 的定量测定。 系统主要采用的核心技术为高速离心清洗技术与化学发光免疫分析技术。 下面分别进行详细说明：１、高速离心清洗技术 设计包被珠直径为Ｏ．２５英寸，反应杯直径稍大于包被珠。将反应杯进行一８．天津大学硕士论文第一章化学发光免疫分析仪的整体设计与控伟ｆ高速离心旋转，如图２－２所示。图２－２高速离心示意图采用以上设计，当角度越大或离心转速越快时施加与液体的压力越大：当 转速大于３５００ｒｐｍ时，施加与液体的压力开始等于液体的重力，液体开始上 升：当转速大于１００００ｒｐｍ时，施加与液体的压力突破了液体的表面张力开始 上升，进入到废液槽内，实现了竞争反应中未反应抗原（或抗体）的分离。然 后再加入发光底物，进行水解反应，通过测量光子计数，计算血清中抗原（或 抗体）含量。２、化学发光免疫分析技术采用酶放大的化学发光计数，反应原理如图２，３所示。Ｅｎｚｙｍｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ厦尸为羁ｒ。―气§ 山＼＼硝毪―／酶放大的化学发光计数示意图Ｔｈｏｕｓｏｎｄｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｅｖｅｎｔｓ ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｖｅｎｔｐｅｒ图２－３【，Ｉ金刚烷与碱性磷酸酶结合后，金刚烷脱去磷酸根，空间结构变得不稳定， 在３７℃环境下，氧共价键断裂，能量以光子形式释放出来。这种依靠碱性磷 酸酶及发光底物的检测方式使可检测的下限低至１０－２１ｍｏｌｅｓ，这比直接标记 更有意义。如果利用吖啶酯直接作标记，每一个标记的抗原抗体的结合只会产天津人学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体、设计与控制生一个到二个光子，并且发光时间较短，最Ｋ只能达到１秒钟，随后急剧衰 减，大大增加了测量的误差；而采用酶标记做方法，每个抗原抗体的结合可广 生几千个光子，并且可持续稳定的发光长达２０分钟，便于仪器的多次测量以 提高测量的精度。２．２化学发光免疫分析系统设计框架基于化学发光的基本原理，本节对化学免疫分析系统进行总体设计，并定 义各个功能模块的设计要求与工作方式。下面从化学发光免疫分析系统组成， 系统框图，与各个子系统详细功能设计三方面进行讨论。２．２．１化学发光免疫分析仪组成本文在设计的化学发光免疫分析仪时，主要从以下几个方面进行考虑。１、提高自动化程度 自动化程度是指在人发出指令后，仪器能够独立完成工作的程度。例如半自动化分析仪器可以自动完成温育，测量以及打印结果等步骤；全自动化仪器 可以完成从加样到结果打印的全部过程。除此以外，全自动化程度还包括许多 其他的内容，例如单位时间内能够处理样本的能力，可以同步分析的项目数目 等。总之，对于一台免疫分析仪器来说，自动化程度越高，仪器的功能也就越 强。２、提高分析效率分析效率是指在测定方法相同的前提下，分析仪的分析速度。分析速度取 决于每次测定中可测样品的多少和可测项目的多少。一次可以测量多个样本以 及多个项目，则大大节约了更换样本和试剂的时间，提高了分析效率。对于不同类型的全自动化学发光免疫分析仪，由于其反应原理不同，仪器结构存在差异，造成的自动化程度有相当大的差异。全自动化学发光免疫分析 仪的分析速度一般用“Ｔｅｓｔ／Ｈ＇’（测试／／Ｊ、时），如果要考证它的实际速度，同时也 要考虑到仪器一次可容纳的样品数以及可测试项目的多少。当前一台全自动化 学发光免疫分析仪器的测定速度为９０Ｔｅｓｔ／Ｈ到２４０Ｔｅｓｔ／Ｈ。３、提高精度和准确度全自动化学发光免疫分析仅的测定精度和准确度取决于仪器各个模块（如 加样模块，温度控制模块，洗涤模块，以及测量模块等）的加工精度和精确的 工作状态。例如分析仪采用的液体加样探针，一般采用电容式感应液面，准确 吸样，使样品的携带率低于５％，不仅仅能准确的吸取微量样品，同时具有样天津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控制本堵塞探测功能，这也提高了加样的精度。此外，各个厂家为了提高抗交义污 染的能力，采用了许多新型的设计。加样探针内壁采用特弗龙（Ｔｅｆｌｏｎ）材 料，可以减少样本的携带，注射器采用双精度注射器，大大提高了加样精度。 另外，不同清洗方法的使用，也对提高测量精度有极大的促进作用。 针对以上考虑，本文设计的全自动化学发光免疫分析仪主要有以下几个子 系统构成： ｌ、条码系统 样本和试剂的自动条码识别系统，是完成实验室自动化不可缺少的一个环 节，它不但能够保证样本检验的正确性，提高系统的工作效率，而且是实验室 管理网络化的必要条件２、试剂冷却槽由于试剂对温度的变化较为敏感，一般情况下试剂保存的温度为４－８。Ｃ， 并且实验室要求试剂能够在机稳定保存９０天，２４小时在机保存。 ３、样本装载系统 一般要求同时装载样本６０个以上，加样探针可以随时进入任意一个位置 加样，每个样本位置可以适应不同规格的样本试管。４、反应杯装载系统一般要求装载反应杯容量在１０００个以上，反应杯可根据加样需要随时供 给系统使用，并将反应杯传送到需要的位置上去。 ５、加样系统 是实现系统全自动化的基础。如果仪器缺少加样系统，则不能称之为全自 动化系统。加样系统由加样探针，Ｘ轴及Ｙ轴向电机，管路，流向控制阀门 以及注射器组成，是整个仪器中较为复杂的部分。６、温育系统保证抗原．抗原在要求的温度下进行反应，一般情况下抗原．抗体的反应温 度为３７℃。 ７、洗涤系统 抗原一抗体反应完毕后，在加入发光底物之前，需要将多余的血清以及未 反应的抗原一抗体洗掉，以免其影响后续的发光计数的测量。 ８、测量系统 由ＰＭＴ（光电倍增管）直接测量，无需外界光源，无本底计数的干扰， 测量精度较高。 ９、ＬＩＳ接口 可以将测量的实验结果直接根据ＬＩＳ协议，直接经由串口传输到实验室中天津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控匍心网络系统。２．２．２系统结构框图图２－４给出了化学免疫分析仪设计的整体框图。一样本杯传送系统卜＼条形码扫 描系统 试剂转载系统（古 制冷）匿／ ＼譬囊ｋ甍犁璺｜ｎ厂ｉ磊漾］ｈ厂ｉｉ鬲轨 包。笔翟吩到Ｅ＞｜４磊８ Ｆ＝Ｖｌ震篆磊 ｌ！！竺：！！ 反应杯 ｜…ｌ发光计数Ｉ 测量系统Ｉ包被珠装载系统耍接口部仲Ｉｆ显示器ｒ＿―厶＝ｉ＿］ １匣应杯进入系统１图２―４ 化学发光免疫分析仪系统设计框图一卫二ｐＣＬ―竺兰２．２．３各部分实现功能与设计简介１、反应杯进样模块反应杯进样模块从储存槽中取出反应杯，并对它们调整方向，然后将它们 传送到加样位置。进样模块执行如下功能： 在加样期间，需要有空的反应杯不断供给加样模块，并通过电机带动链条 将反应杯传送到相对应的加样位置。进样模块的储物槽能够存储一定量的反应 杯（通常最大量为１０００个测试左右），然后反应杯通过由直流电机带动的升 降梯将反应杯逐个送入反应杯输送滑道，滚轮毛刷（由直流电机带动）将进入 滑道的反应杯调整位置，然后通过步进电机驱动的转盘，将反应杯停靠在包被 珠加样位置，包被珠随后被释放入反应杯，在转盘电机的带动下，将反应杯放 置在进样链条上，由进样链条将反应杯传送到样本及试剂加样位置。 ２、加样模块 加样模块是仪器实现由半自动化向全自动化转化的关键部分，其功能实现 的完善直接影响到实验室的工作效率。 加样模块由Ｘ轴电机，Ｚ轴电机以及注射器等模块组成，同时加上液面探 测电路，探针堵塞电路，加样臂阻塞电路等。是本课题的重点设计部分。 １）试剂加样：Ｚ轴电机在Ｈｏｍｅ位置将探针向上移动一段距离，Ｘ轴电 机转动加样臂由Ｈｏｍｅ位置移至试剂位置，探针在注射器的带动下吸取一定量试剂后（根据内设参数表，不同种类测试需吸取不同的试剂量），随后再将探针在Ｘ轴方向转动到Ｂｌｉｎｄ位置对探针外壁进行清洗，接着将探针移动到反天津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控甫应杯位置将试剂加入到反应杯中去，最后探针在Ｘ轴电机的驱动下移动到清 洗位置将探针进行清洗。 ２）样本加样：Ｚ轴电机在Ｈｏｍｅ位置将探针向上移动一段距离后，Ｘ轴 电机转动加样臂由Ｈｏｍｅ位置至样本位置，探针在注射器的带动下吸取一定 量样本后（根据内设参数表，不同种类测试需吸取不同的样本量），随后再将 探针在Ｘ轴方向转动到Ｂｌｉｎｄ位置对探针外臂进行清洗，接着将探针移动到 反应杯位置将试剂加入到反应杯中去，最后探针在Ｘ轴电机的驱动下移动到 清洗位置将探针进行清洗。 ３、样本转盘 样本转盘上放置６个可移动的托架，每个托架可放置１５个样本管。转盘 可旋转３６０度，并能被条码扫描器识别每个样本管的条码，并根据需要，可 将任意位置的血清管转到加样位置，并具有“刹车”装置。样本条码扫描器可 识别多种制式的条码。操作者可在任意时间随意更换样本托架。 样本托架可适应以下两种类型的样本管： ?原采血管；?次级采血管（将血凝脂去掉，只保留血清）。４、试剂转盘 可同时装载２４种试剂。由于试剂对温度的变化较为敏感，试剂转盘放置 在冷却仓内，仓内有内置的冷藏冰箱将试剂保存４―８。Ｃ，试剂在机可稳定９０天；探针加样时转盘在驱动电机的带动下可移动到任意的位置；外置的条码扫描器（与样本转盘共用）可将条码信息扫描出并存储于计算机内，可方便操作 者随时将试剂取出或更换新的试剂。图２－５给出了试剂转盘图示。图２－５试剂转盘５、包被珠托盘可同时装载２４种测试包被珠，设计上类似于试剂转盘。由于包被珠为包 被在玻璃珠上的抗体或抗原，对湿度较为敏感，长期在潮湿环境存放下容易变 性，故将包被珠转盘放在除湿仓内（２４小时保持湿度小于２０％）。每种包被珠犬津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控制都封装在楔形的塑料盒内，然后环形摆放在包被珠托盘上。安装在包被珠转盘 旁的ＣＣＤ条码扫描器将条码扫描后储存到计算机中。根据需要，在加样前， 包被珠会转动到相应的位置，在直流电机的推动下，将包被珠加到反应杯中去。６、离心模块当样本中的抗原（或抗体）以及试剂中的抗原（或抗体）与包被珠上的抗 体（或抗原）反应完毕后，未参与反应的物质需要被分离出去，通常采用的与 法是用蠕动泵将未反应物直接吸掉，这种方法的缺点是不能将反应物吸干净， 大大降低了实验的灵敏度。本文在设计中采用高速离心的方式，将包被珠在反 应杯中高速离心，离心过程中加水清洗，然后再离心，此过程反复５次。实验 证明这是…种非常高效的方法，用ＴＳＨ进行实验，测量精度，可达０．００２ｕｌＵ／ｍｌ。当对包被珠进行清洗时，下端的螺杆将包被珠推动上升到某一位置后，卜 端的离心电机前端正好顶住反应杯的口部，然后高速离心电机旋转，转速可达每分钟８０００转，多余的液体从而被排除到废液槽内。清洗过程中水泵加入蒸馏水到反应杯，然后再高速离心旋转，将废液彻底排掉。 ７、温育模块 由于抗原抗体反应对温度的稳定性及温度的范围要求较高，反应温度要求 控制在３７±Ｏ．２℃。基于精确度和精密度的需要，测量温度的传感器要有良好的线性范围，前端采用桥式电路，然后不经过放大直接连接到～Ｄ转换器上，我们采用高精度的Ａ／Ｄ转换器ＭＡＸｌ３２，这是一款具有１８位精度（含标志位）的斜率型积分型ＮＤ转换芯片。低噪声保证了输入的范围为±５１２ｍｖ（２ｕＶ／ＬＳＢ），标准工作电流为６０ｕＡ，休眠状态可达到１ｕＶ。四线串行 接口可以和所有的处理器建立通讯，四个串行可编程数据输出端可对外部的通 道选择器或增益放大器进行控制，虽然其转换速率仅为 １００Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓ／Ｓｅｃ，但其精度较高，这正好符合温度的采集中对温度的采 集速率要求较低而对精度要求较高的要求，故其是一款较好的选择。系统中对 温度的控制采用传统的ＰＩＤ算法，采用一片ＭＳＣｌ２１２作为微处理器对温度进行控制。由ＭＳＣｌ２１２通过一片ＵＰＤ７１０５４计数，定时器产生ＰＷＭ信号，当 加热器在加热初期，ＰＷＭ的占空比为１００％，随着温度与设定温度的接近，通过不断调节占空比来产生相应的热能以将温度维持在设定的温度。 ８、计数测量模块 抗原抗体反应完毕后，加入发光底物后开始发光，稳定后随即由ＰＭＴ（光 电倍增管）进行测量。由于测量不需要外界光源，这样从根本上消除了光的本天津大学硕士论文第二章化学发光免疫分析仪的整体设计与控制底干扰，大大增加ＴＮ量的精度，这也正足化学发光测量的技术优势之一。我 们采用一片ＬＩＳｌ７１６６多模式计数器对ＰＭＴ的脉冲进行计数。此计数芯片是 一片２４位的计数器，计数可达到１６，７７７７，０００。计数器直接与ＭＳＣｌ２１２总 线相连，在计数之前由ＭＳＣｌ２１２将控制字写入，然后ＭＳＣｌ２１２在预定好的 时间间隔内读取由ＬＩＳｌ７１６６得到的计数。２．３各模块之间的协调与控制仪器首先对各个电机初始化，如果发现某个电机阻塞则停止运行，并给出 具体的错误信息；紧接着对仪器的管路及阀门系统初始化；然后对样本条码， 试剂条码，以及包被珠条码进行扫描，将条码的信息以及对应的位置信息存放 于计算机内；随后按照设定的程序对反应杯进行加样以及加试剂；加样完毕后 反应杯进入温育系统；温育时间到达后将未参与反应的残留物洗脱；最后加入 发光底物，待发光稳定后ＰＭＴ对光子进行计数，最后由计算机计算出样本的 浓度值，并打印出实验结果。２．４本章小结在化学发光的基本原理基本上，给出了一台全自动化学发光免疫分析仪的 设计的方案。 １．从模块的功能及设计要求出发，给出了各个功能模块的设计要求。 ２．完成了整机工作的流程的设计。天津大学硕士论文第三章加样控制系统设计第三章加样控制系统设计加样系统的机械结构包括加样探针Ｘ轴及Ｚ轴方向驱动电机、机械臂、 加样探针、注射器、电磁阀门；电路系统包括电机驱动电路、液面探测传感 器、探针堵塞传感器、位置传感器以及管路系统等，是整个全自动化学发光中 较为复杂的部分。加样探针所完成的功能的多样性以及完善性，从一定程度上 决定了仪器的全自动化程度以及仪器的档次。 要完成整个加样动作，实际上包括步进电机的驱动、液面探测传感器的运 用、探针阻塞传感器的运用、阀门及管路的液体流向控制。３．１加样控制系统流程注射器泵的作用是通过注射器的活塞运动来完成液流的输送，在液流管路 及阀门的配合下，控制探针管路吸取样本与试剂并完成探针的清洗。在传统的 设计中，加试剂与加样本各需要一套独立的加样控制系统，设计较为复杂，成 本较高。本设计的创新之处在于加试剂及加样本共用一套加样控制系统，即利 用同一根探针即可完成加样及加试剂的动作，简化了设计，减低了成本。 注射器泵的活塞与步进电机之间用传动机构来连接。传动机构可以将步进 电机顺时针或逆时针转动转变成活塞的上下移动。注射器泵的步进电机在计算 机的指令控制下完成推动注射器针筒的活塞运动，实现精确的推动或吸取液 体。在注射器针筒的出１：３处设计一个由计算机控制电磁三通阀门，实现吸入与 喷出液体时的通道转化。活塞运动的确切时间，速度和方向都由单片机来控 制。针筒一般为玻璃材质，通过筒径大小，实现各种不同的满程容量，本仪器 设计中采用５０００ｕｌ及２５０ｕｌ两种容积的注射器。其中２５０ｕｌ的注射器泵在吸 液及排液时动作，以实现较高的精度，精度可达０．２ｕｌ；５０００ｕｌ的注射器泵在 探针清洗时动作，可以对探针的管路施以较高的压力以及较大的液体流量，使 探针的得到彻底清洗，避免了试剂与样本之间，不同样本之间以及不同试剂之 间的交叉污染。加样流程图如图３．１所示。盔堡奎鲎堡主堡塞兰三里垫堂塑型墨篁丝生图３－１加样控制系统流程图１７．天津大学硕士论文第三章加样控制系统设训３．２步进电机驱动设计 ３．２．１步进电机控制原理步进电机主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分 组成。如图３―２所示。图３―２步进电机结构图步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配 器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放 大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，并实现正、反 转控制和定位控制。由于输出的功率极小，只有几毫安电流，而步进电机各相 绕组一般需要几安至十几安的电流（脉冲电流幅值直接影响步进电机的转矩大 小及控制精度），所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须经过功率 放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。此外，步进电机 驱动器的相数、通电状态、电压、电流等要符合所控制的步进电机的技术参数 要求。 步进电机运动控制器是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制模式信号。运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都 接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准接口，这样为步进电机 设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用。 为了控制的方便，步进电机一般有两种不同的控制模式可供选择。－－Ｆｅ是 方向，脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向（即正、反转）；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正传和反转运动，这样对于某些只需 要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。不管在哪种控制模式下工作，步进电机控制器的设计关键都是一样的：根犬津人学硕士论文第三章加样控制系统设ｉ据步进电机的特性和预期需要的运动发出控制脉冲信号。一般应用场合Ｆ，对 步进电机的控制属于开环控制，因此，对步进电机动作的正确性、可靠性及速 度都有较高的要求。由于步进电机及所带负载存在惯性，在步进电机启动或停 止时，不能及时地发送启动或停Ｉ卜的运行指令脉冲，使步进电机可能发生丢 步，甚至无法运行的现象。为了避免出现这种现象，运动控制器必须设计可行 的步进电机自动升降速控制方案，动态调整输出控制脉冲信号的频率，以使指 令脉冲在进入脉冲分配器器之前，由较低的频率（步进电机能响应的频率）逐 渐升高到所要求的工作频率或由较高的频率逐渐降低，使步进电机在较高的启 动频率下或运行频率突变时仍能正常工作。同时还要保证准确地发出脉冲数，实现位置的精确控制。在有些应用场合，为了提高步进电机运动控制精度、优化步进电机的动态 特性，增强对负载的适应能力，可以对步进电机采用闭环或半闭环控制，此时 运动控制系统要增加检测元件和反馈环节，运动控制器则需处理反馈信息，实 时地调整控制输出。３．２．２步进电机组和驱动电路设计１、控制芯片选型本文的组合驱动电路控制芯片采用Ｌ２９７与Ｌ６２０２。 在设计的初期，曾经构想过采用ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ加上驱动芯片对电机进行控制，由ＤＳＰ产生对电机控制的相序。这种方式运算速度快，但编程过于复杂，编程周期长。而在实际控制中，对运算速度的要求并 不是设计的瓶颈，因此，我们采用了Ｌ２９７＋Ｌ６２０２组合来解决对步进电机控制 问题，既能满足系统要求，又能降低开发成本。 Ｌ２９７以及Ｌ６２０２是ＳＧＳ公司推出的步进电机专用芯片，其中Ｌ２９７用于 产生控制时序，Ｌ６２０２产生大的驱动电流。二者组成步进电机串行驱动器，并 与微机相连完成对电机的控制。电机驱动电路连接如图３―３所示。天津大学硕士论文第三章加样控制系统设计圈３－３电机驱动电路连接示意图２、Ｌ２９７时序控制芯片 Ｌ２９７单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或单极性四 相步进电机的控制。用Ｌ２９７输出信号可控制Ｌ６２０２双Ｈ桥驱动集成电路， 用来驱动电压为４６Ｖ，每相电流为２．５Ａ以下的步进电机。Ｌ２９７也可用来控制由达林顿晶体管组成的分立电路，驱动更高电压、更大电流的步进电机。此器件的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号，相位是由内部产生的，因此可 减轻微处理器和程序设计的负担。此芯片是具有２０个引出脚的双列直插式塑 胶封装的器件，采用固定斩波方式工作。Ｌ２９７主要由译码器、两个固定斩波频率的ＰＷＭ恒流斩波器以及输出逻辑控制组成。 １）Ｌ２９７芯片引脚Ｌ２９７芯片引脚如图３－４所示。天津大学硕＋论文第二章加样控制系统设计图３－４Ｌ２９７芯片引脚图２）Ｌ２９７工作原理 Ｌ２９７的核心是脉冲分配器，它产生三种相序信号，对应于三种不同的工 作方式：即半步方式（ＨＡＬＦ ＳＴＥＰ）、基本步距（ＦＵＬＬ ＳＴＥＰ）单相激励方 式、基本步距两相激励方式。 它接收从单片机来的信号有五个：１）ＣＷ，ＣＣＷ正，反转２）ＨＡＬＦ，ＦＵＬＬ半步，基本步距 ３）ＳＴＥＰ步进脉冲 ４）ＲＥＳＥＴ复位信号 ５）ＥＮＡＢＬＥ使能信号。Ｌ２９７的另一个重要组成是由两个ＰＷＭ斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩一频率特性。每个斩波器由一个比较器，一个 ＲＳ触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供 触发脉冲信号。频率ｆ是由外接１６脚的ＲＣ网络决定的，当Ｒ）１０ｋ时， ｆ＝Ｉ／０．６９ＲＣ。当时钟振荡器脉冲使触发器置１，电机绕组相电流上升，采样电 阻ＲＳ电压上升到基准电压Ｖｒｅｆ时比较器翻转，使触发器复位。这样，触发器输出的是恒频ＰＷＭ信号，调制Ｌ２９７的输出信号，绕组相电流峰值由Ｖｒｅｆ整天津人学硕士论文第三章加样控制系统设计定。其信号的控制示意图如图３－５所示。ｖ几～几凡图３―５一＝ 电‰箍撼电酸屯鹾ＰＷＭ斩波器示意图脉冲分配器内部是一个三位可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期 八步时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号。半步工作方式表示八步工 作，初状态（ＨＯＭＥ）是ＡＢＣＤ＝０１０１。 信号ＲＥＳＥＴ是异步复位信号，其作用是将脉冲分配器复位，回到零位 （ＨＯＭＥ），即状态１，ＡＢＣＤ＝０１０１。用此信号和系统的机械零位传感器信号 共同作用，可精确确定系统的原点。 截止信号ＩＮＨｌ和ＩＮＨ２分别按两个Ｌ６２０３的使能输入端ＥＮ，其作用是使进入关断状态的相绕组电流快速衰减，加快电机的响应。用使能信号ＥＮＡＢＬＥ控制Ｌ２９７输出逻辑，它为低电平，使Ｌ６２０２驱动器不工作。在驱 动线路设计时，将ＥＮＡＢＬＥ脚与ＲＥＳＥＴ脚共接，目的是当电机复位时，使 相绕组不工作。 图３―６为半步工作方式下的时序图。茄舔―ｌｒｌ几ｎｎｎ一门ｒ］门ｍ门ｒ?厂――］广――－１?］厂――］ｃ．广――］一广一ｏ―――］厂――－１黼］厂］厂＿］广］图３－６ 半步工作方式时序图ｉ丽―――］ｒ――］广――］厂控制信号（Ｃｏｎｔｒ０１）用来选择斩波信号的控制。设计中Ｌ２９７控制端接低电天律大学硕十论文第三章加样控制系统设ｉ｝平，斩波信号作用于两个禁止信号，从而对电机转向和转矩进行控制。 ３、Ｌ６２０２功率驱动芯片 １）、Ｌ６２０２特点 Ｌ６２０２为单片Ｈ型桥式驱动电路。具有如Ｆ特点： ◆供电电压可达４８Ｖ ◆峰值电流可达５Ａ ◆ＲＭＳ（均方）电流可达４Ａ； ◆ＴＴＬ电平驱动兼容 ◆工作频率可达１００ＫＨｚ ◆具有温度保护电路 ２）、Ｌ６２０２工作引脚 Ｌ６２０２芯片引脚如图３―７所示。图３－７Ｌ６２０２芯片引脚示意图３）、Ｌ６２０２工作原理 由于从Ｌ２９７中输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动电 机绕组，必须利用驱动电路将脉冲电流放大到几安至十几安，才能驱动步进电 机运转。另一方面，电机各相绕组都是绕在铁芯上的线圈，有较大的电感。绕 组通电时电流上升率受到限制，容易影响步进电机的输出特性。因此，需要在 驱动电路中采取一些必要措施，以改善绕组的电流响应。而当绕组断电时，电 感中磁场储能将维持绕组中的电流不能突变，导致该相绕组电流不能立即截 止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。另外，绕组导通和截止过 程中都会产生较大的反电动势，而截止时的反电动势将对驱动器件的安全产生天沣大学硕士论文第三章加样控制系统设训十分有害的影响。电动机运转时在各相绕组中还产生旋转电势，这些电势大小 和方向也将对绕组电流产生很大的影响。 由于步进电机驱动电路存在以上一些不同于其他电机的特点，因此在研究 和设计驱动电路时，既要保证绕组有足够的电压、电流及币确的波形，同时又 要保证功率放大器件的安全运行，还应具有高效、低功率的特点。所以采用中 小功率晶体管，它具有推动功率小，放大倍数大，线路简单的特点。 两相混合式步进电机的励磁绕组有时需通正相电流，有时需通反向电流。 这样的绕组需要用Ｈ桥驱动，Ｌ６２０２就是具有过热保护、防直通、可按电流 检测电阻的单Ｈ桥小功率开关。 当其用于两相控制模式时，工作原理如图３―８所示。图３．８两相混合式步进电机工作原理示意图１）当ＩＲ＝Ｈ，Ｉｆ＝Ｌ时，Ｔ２、Ｔ３导通，Ｔ１、Ｔ４截止， 电机绕组、Ｔ２到地，电流方向为由右至左； ２）当ＩＲ＝Ｌ，Ｉｆ＝Ｈ时，Ｔ１、Ｔ４导通，Ｔ２、Ｔ３截止， 电机绕组、Ｔ４到地，电流方向为由左至右。电流经Ｔ３、电流经Ｔ１、电流在绕组中流动是两个完全相反的方向，从而达到设计要求。由于单Ｈ 桥功率开关只能控制一相绕组，所以在控制电路中，采用一个Ｌ２９７和两个 Ｌ６２０２的组合电路。３．３液面探测传感器设计本设计应用电容传感器来判断样本杯、试剂杯以及稀释杯中是否有液体存 在。电容传感器是一种将被测量为非电量的变化转换为电容量变化的传感器 件。电容传感器用作液面探测时由高频振荡器、检波电路、整形电路和输出电天泮大学硕士论文第三章加样控制系统设计路组成。平时检测电极与大地之间存有一定的电容量，它成为振荡电路的一个 组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由丁检测电极加有电压，被检测物 体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上 的电荷就越多，由于检测电极的静电电容Ｃ＝０八，，所以电荷的增多，使电容 Ｃ随之增大，从而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止震动。振荡电路的振荡 和停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。３．４本章小结Ｉ．加样控制系统所完成的功能以及在整机设计中的重要性； ２．设计出一套步进电机的驱动方案：Ｌ２９７＋Ｌ６２０２在微处理器的控制下，完成 预定动作； ３．完成液面检测电路的设计。犬津人学硕士论文第四章温度控制系统设计第四章温度控制系统设计温度控制系统由试剂冷却仓与温育室两部分组成： ◆试剂冷却仓用于试剂的低温保存，精度要求不高，本文采用半导体制冷技 术，并用ＬＭ３５单芯片作为温度采集芯片，具有成本低、体积小、易于控 制的特点。 ◆温育室是水解反应进行的场所，是化学发光免疫分析仪的核心，对温度控 制要求精度较高，达到±０．０５℃，本文采用具有１８位精度的ＭＡＸｌ３２进 行温度采集，以保证系统的温度要求。４．１试剂冷却仓ＴＥＤ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）全自动化学发光免疫分析仅采用的试剂实际上是碱性磷酸酶标记的抗体 （或抗原），试剂只有保存在低温下（４℃一８℃）才会稳定。实验要求试剂在机 稳定保存９０天。我们采用ＴＥＤ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）半导体制冷器来对 试剂的冷却室进行制冷。由于ＴＥＤ体积小巧，便于控制在一个稳定的状态， 广泛应用于数码相机，微处理器，医疗设备以及野餐中。４．１．１ＴＥＤ的工作原理ＴＥＤ的工作基于珀耳帖效应（Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ），即直流电流通过两种不同 的材料时会引起温差。珀耳帖效应是三种温度效应之一，其他两种为塞贝克效 应和汤姆逊效应。后两种基于单种导体，而珀耳帖效应基于两种结合效应。 典型的ＴＥＤ模块是使用两片陶瓷薄晶片中间加以ＰＮ节半导体材料形成 夹心结构，同时在陶瓷材料上加以绝缘材料。Ｎ型半导体材料中存有过量的电 子，Ｐ型半导体材料中有过量的空穴。一个电子和一个空穴组成～个电子配 对。热电穴位在电子结构属串行结构，但在热效应方面属并行结构。一个制冷 模块包含一个到数百个电子配对。 当电子由Ｐ型材料通过金属导体迁移到Ｎ型材料时，电子吸收热能迁移 到高能区（冷面）：电子继续迁移，当电子流从Ｎ端经过金属导体迁移到Ｐ端 时，释放出热能到热端（热面）。 根据不同的电流方向，此模块可用于加热或制冷。当同时应用于制冷和加 热时，设计思想应集中于制冷模式。由于内部的热效应（焦耳效应）以及负载天津大学硕士论文第四章温度控制系统没计加热同时作用于热端（ｈｏｔ ｓｉｄｅ），当将ＴＥＤ用作加热模式时也相当有效。圈 ４．１为ＴＥＤ的结构示意图。图４―１ＴＥＤ结构示意图４．１．２Ｔ肋的参数与温度计算本文采用的ＴＥＤ有三个参数，他们是：表面加热温度（Ｔｈ），表面冷却 温度（Ｔｃ），以及从冷端吸收的热能量（Ｑｃ）。他们之间的关系可以用式（４― １）表；‘（１）Ｉ＂ｈ―ｍ＋（ｅ）（ＱｌＬ）其中： Ｔｈ＝热表面温度（℃）； Ｔａｍｂ＝环境温度（℃）； ｅ＝热阻系数（℃，瓦特）（２）ｑｈ２（４．１）ｑｃ＋Ｐｉｎ（４―２）其中： Ｑｈ＝释放在制冷器表面的热量（瓦特） Ｑｃ＝从冷端吸收的热量（瓦特） Ｐｉｎ＝加到制冷器的电流功率散热器的温度要高于周围环境温度。如果我们不太清楚散热器的热阻，以下高出周边环境的温度是可以接受的： 自然冷去口：２０。Ｃ一一４０＂（３ 强制冷却：１０℃一１５℃ 液体冷却：２℃一５℃天沣大学硕士论文第四章温度控制系统设计散热器在本装置中是非常关键的部件。如果散热片太小则意味着不能达到 制冷温度。 制冷器两端的温差以下列方程式表示：（４．３）要想估计出Ｑｃ，即从冷端吸收的能量功率是非常困难的，以下因素必须 考虑： １．主动热能，１２Ｒ热能。 ２．被动热能：两个靠近的物体由于温差而传输热能。 （ａ）对流损失（空气中的热损失）； （ｂ）传导损失（热量通过螺杆，螺钉损失）； （ｃ）临时损失（当改变物体的温度时需要一定的时间）。 ３．对制冷器驱动。 所有的制冷器都与Ｉｍａｘ，Ｖｍａｎ，Ｑｍａｘ以及ＡＴｍａｘ有关。由于焦耳能量的产生，当对制冷器加以较大的功率时效率已大大降低。一般说来，制冷器工作在最大工作电流的２５％至８０％之间最合适。 对每个制冷器来说，Ｑｍａｘ是从冷端吸收能量的最大值。当Ｉｍａｘ，Ｖｍａｘ 以及ａＴ＝０。Ｃ时Ｑｍａｘ达到最大值。同样，当Ｉｍａｘ，Ｖｍａｘ以及Ｑｃ＝０瓦特 时， △Ｔ达到刷大值也即制冷器两端的温差最大。Ｑｍａｘ以及ＡＴｍａｘ的关系显示如图４．２所示。ＡＴ（?ｃ）图４－２ＱｌＩＩａｘ、ＡＴｍａｘ的关系图天津人学硕士论文第四章温度控制系统设讨实际应用： 试剂仓的冷却温度为４－８。Ｃ，我们的冷却目标温度为５。Ｃ。室温为２５。Ｃ， 负载为２２瓦，散热器的热阻系数是０．１ ５℃，瓦特。制冷器的冷端将直接和试剂 制冷仓相连接。 以下为相关设计系数：Ｉｍａｘ＝３．６ＡＯｍａｘ＝５２瓦Ｖｍａｘ＝２４ＶＴｍａｘ＝６７℃假设设计温差为２０℃，则Ｔｈ＝Ｔａｍｂ＋（ｅ）（Ｑｈ）这里Ｔａｍｂ＝２５℃：０＝０．１ ５℃，瓦 Ｑｈ＝Ｑｃ＋Ｐｉｎ＝２２瓦＋（（３．６Ａ）＋（２４Ｖ））＝２２＋５０＝７２瓦 Ｔｈ＝２５℃＋（０．１５℃，瓦）（７２瓦）＝２５℃＋１０．８℃＝３５．２℃ ４．１．３ＴＥＤ中对试剂温度的测量温度的感应采用一片ＬＭ３５，其误差为±０．５。Ｃ，这对于试剂的温度要求 有±０．５。Ｃ的要求来说已经足够了。ＬＭ３５直接将温度的变化转化为电压信号。 此芯片的输出线性是＋ｌＯｍｖ／。Ｃ，测量范围在一５５℃一＋１５０℃之间。此芯片的电 压输出温度传感器的主要特点是工作电源电压和工作电流比较低，在传输线路 电压降和电压噪声不是主要影响因素时，其电压输出可直接成为控制系统和数 据采集系统的输入信号，无外围电路，并且自发热量很小，在室温下只有Ｏ．１ ℃的温度漂移。芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约５０ｒＬＡ），所以芯片自 身几乎没有散热的问题。输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。ＬＭ３５ 输出的电压可以直接接入ＭＳＣｌ２１２的Ａ／Ｄ输入端。＋ｈ １４ｖ ＴＤ如ＶＩＯＵＴＰＵＴ ０●■＋１重●＃雄，?Ｃ图４―３ＬＭ３５芯片输出示意图天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计设计注意事项： １．为了保证良好的制冷效果，试剂制冷仓仓体以及散热制冷器散热端需 采用铜，铝等具有高热导率的材料，实际中我们采用铝材质取得了良好的效 果，并且仓体与制冷器之间采用电绝缘导热纸以增强二者之阳Ｊ的密闭性。 ２．仓体周围需采用良好的隔热材料（例如聚氨酯泡沫等低热导材料）以 防止热量的损失。 ３．由于仓体内温度较低（５。Ｃ左右），容易结露，仓体内必须有排水装置 通到废液管路；并且保证不能将露水滴漏到下面的制冷器上去，否则将会造成 ＴＥＤ电路的腐蚀，导致制冷失败。 ４．在设计初期，当温度到达４０Ｃ届，控制电路立即将ＴＥＤ及制冷风扇同 时关闭，但由于ＴＥＤ热端继续散热，导致ＴＥＤ的损坏率较高；后将ＴＥＤ及 制冷风扇分开控制，关闭ＴＥＤ ２分钟后再关闭风扇，取得了良好的效果。４，２温育室温度的采集由于抗原抗体的反应对温度的变化非常敏感，这需要我们设计出一款精度 非常高的温度测量及控制电路，测量精度可达±０．０５。Ｃ。前端采用桥式电路，ＮＤ转换使用具有１８ ｂＩｔ测量精度的ＭＡＸｌ３２进行数据采集。４，２．１ＮＴＣ热敏电阻的采用线性ＮＴＣ温度传感器是一种温度一电压转换元件，完全克服了传统的温度传感器非线性这一长久困扰仪表设计人员的难题。本质上兼容热电偶、热敏电阻嚣的各自优点，具有测温范围宽（．２００一＋２００℃），温度一电压转换系数 高（一２ｍⅥ℃、４ｍＶ，℃）、线性度好（±０，５％）、互换精度高（１级±０，３℃；Ｊ级±０．５℃；Ｋ级±１，０℃）、高稳定性（±０，０５℃，年）等优点，同时还有０℃基 准电压规范（６８０－７００ｍＶ）的特点。上述特点。在电路设计中只要知道传感 器在Ｏ ｏｃ时的基准电压值和温度一电压转换系数值（出厂时已标定）即可，从 根本上省去了传统的非线性温度传感器所必需的线性化补偿网络的繁杂设计和 计算，给仪表设计和批量调试带来了极大方便。４．２．２ＡＤ转换芯片位数的选择测温范围（量程）和测温精度是进行仪器设计时必须着重考虑的问题，务 必保证测量满量程范围内的热分辨率（测温精度）小于允许误差。一般来说， 由测温范围（量程）和最大允许误差之比（或精度等级，量程×精度等级％＝天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计最大允许误差）可估算出Ａ／Ｄ转换芯片位数，注意要留出１－－２位的余量。 ＡＤ转换芯片位数确定后，根据ＮＤ转换：苍片参考电压的大小，即Ａ／Ｄ转换芯 片模拟输入电压的范围，进一步确定热敏电阻输出信号放大电路的放大倍数。 既要保证放大电路最大输出小于ＮＤ转换芯片的输入范围，又要保证测温精 度小于允许误差。以ＮＴＣ热敏电阻为例，要测量０～４５℃的温度，要求测温误差不得超过Ｏ．０５℃，实际按Ｏ．０１℃计算，则大致估算出ＮＤ转换：签片的位数至少为１４。因为４５／０．０１＝４５００∈（４０９６，８１９２），选择１３位Ａ，Ｄ即可满足 要求，要留出一定的余量，至少应选１４位。４．２．３ＭＡＸｌ３２芯片采用ＭＡＸｌ３２位具有１８位精度（含标志位）的斜率型积分型ＮＤ转换芯片。低噪声保证了输入的范围为±５１２ｍｙ，（２ｕＶ，ＬＳＢ），标准 工作电流为６０ｕＡ，休眠状态可达到１ ｕＶ。四 线串行接口可以和所有的处理器建立通讯，四 个串行可编程数据输出端可对外部的通道选择 器或增益放大器进行控制，其转换速率为 １００Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓ／Ｓｅｃ，但其精度较高，而在 温度的采集中对温度的采集速率要求较低而对 精度要求较高，故其是一款较好的选择。图 ４－４为ＭＡ）（１３２芯片引脚图。图４．４ ＭＡＸｌ３２芯片引脚图吾苫４．２．４温度控制理论１、控制算法及其应用控制算法是控制软件的重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算 法实现。目前提出的控制算法很多，ＰＩＤ算法是目前历史最久应用最广的一 种，模糊控制算法则是智能控制算法中很有代表性的一种。无论哪种控制算法 目的都在于使系统稳定、快速、精确地到达设定的热平衡状态。 ２、比例积分微分（ＰＩＤ）控制 根据偏差的比例（Ｐ）、积分（Ｉ）、微分（Ｄ）进行控制，称为比例积分微分控 制，简称ＰＩＤ控制，是一种成熟的经典控制方法。 在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是ＰＩＤ控制，其原理框图 如图４－５所示，系统由模拟ＰＩＤ调节器、执行机构、控制对象组成。ＰＩＤ调节 器是一种线性调节器，它根据给定值ｒ（ｔ）与实际输出值ｃ（ｔ）构成的控制偏差天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）一ｃ（ｔ），将偏差的比例（Ｐ）、积分（１）、微分（Ｄ）通过线性组合构成控制 量，对控制对象进行控制，控制规律为：印）＝ＫｐＭ卅吉№№＋％皇挚】式中，ＫＰ为比例系数，一为积分时间常数，ＴＤ为微分时间常数。∽。４’图４－５模拟ＰＩＤ控制系统原理框图简单来说，ＰＩＤ调节器各校正环节的作用是这样的： （１）比例环节：是按比例反应控制系统的偏差信号ｅ（ｔ），偏差一旦产 生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减少 误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 （２）积分环节：主要用于消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。因 为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，输出常值。积分作用 的强弱取决于积分时间常数Ｔｉ，１１越小，积分作用就越强。反之１１大则积分 作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另 两种调节规律结合，组成Ｐｌ调节器或ＰＩＤ调节器。 （３）微分环节：能反应系统偏差信号的变化趋势（变化速率），具有预见 性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成 之前，己被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间 选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大 作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化 率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要 与另外两种调节规律相结合，组成ＰＤ或ＰＩＤ控制器。 上面只是控制算法的数学方法，似乎有点抽象，在具体的控制项目中需要 量化才能应用，即采用数字ＰＩＤ控制。数字ＰＩＤ控制是以模拟ＰＩＤ调节规律 为基础的采样控制，与模拟ＰＩＤ调节类似，数字ＰＩＤ算法的控制效果的好坏 与参数选择紧密相关。天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计数字ＰＩＤ算法分为位置式算法和增量式算法。 工程中常采用增量式算 法，简化后的增量式算法如下：△“々＝ｄｏｅ￡＋ｄｌ口々一１＋ｄ２Ｐ々一２ （４―５）Ｔ式中：Ｔｄ。＝ＫＰ（１＋｝＋等）』－ 』１下ｄｌ＝一ＫＰ（１＋＝孑）』下ｄ，＝Ｋ。二旦。。ｌ△虬为ｋ时刻与ｋ－１时刻控制输出量的增量；ｅｋ为ｋ时刻的输入量（设定 温度与实际温度的差值）：ｅｋ，１为ｋ．１时刻的输入量；ｅｋ＿２为ｋ－２时刻的输入 量；Ｋｐ为调节器的放大系数；Ｔ为采样周期：ＴＤ为微分时间；ＴＩ为积分时间。因此ｋ时刻控制器的输出量为：Ⅳ＾＝Ⅳ｝一ｌ＋△甜ｔ（４―６）从式（４．６）可以看出，设计数字ＰＩＤ控制器的任务是确定其参数Ｋｐ、 Ｔ、ＴＤ、ＴＩ。ＰＩＤ调节器自整定的方法很多，但可归结为理论计算法和工程整 定法，前者适用的前提是能获得被控对象准确的数学模型，一般很难做到，所 以实际用得较多的还是工程整定法，这种方法最大的优点是整定参数时不依赖 对象的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，简单易行。常用的简易工 程整定法有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法和归一参数整定法。３、模糊（ＦＵｚｚＹ）控制基于控制理论的许多控制方法，都必须建立被控对象的数学模型。但在控 制工程中，有一些复杂的被控对象（或生产过程），由于存在非线性、大滞 后、随机干扰等难以用已有的规律来描述，而且无适当的测量技术或者测量仪 器无法进入被测区，以至于不能为其建立数学模型。这类不具有任何数学模型 的被控对象（或过程）应用传统控制理论和某些现代控制理论都很难取得满意 的控制效果，但是这类被控对象（或过程）在人的手动操作下却往往能正常运 行，并达到一定预期的结果。因此人们研究模仿人脑的思维过程，寻求新的控 制方法，设计新的控制器，即所谓智能控制。模糊控制就是智能控制的方法之 一６ 在模糊控制中，模糊控制器的作用在于通过电子计算机，根据由精确量转 化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推 理，给出模糊输出判决，并再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象（或天律大学硕士论文第四章温度控制系统设计过程）的控制作用。这反映人们在对被控过程进行控制中，不断将观察到的过 程输出精确量转化为模糊量，经过人脑的思维与逻辑推理取得模糊判决后，再 将判决的模糊量转化为精确量，去实现手动控制的整个过程。可见，模糊控制 器体现了模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理在不具有数学模型而控 制策略只有以语言形式定性描述的复杂被控过程中的有效应用。 要设计一个模糊控制器，必须解决以下称为模糊控制器结构的三方面问 题：（１）精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子 集；（２）模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并 计算模糊控制规则决定的模糊关系；（３）输出信息的模糊判决，并完成由模糊 量到精确量的转化。具有上述模糊控制器的系统方框图如图４―６所示。图４－６ 中，Ｒ为系统设定值（精确量）；ｅ和ｅｃ分别为系统误差与误差变化率（精确 量）：Ｅ、ＥＣ、Ｕ分别为反映系统误差、误差变化、控制量变化的语言变量 （模糊量）：Ｕ为模糊控制器输出的控制作用（精确量）：Ｙ为系统输出（精确 量）。图４－６含模糊控制器的系统方框图由于模糊控制器的控制规则是根据操作者的手动控制经验总结出来的，而 操作者一般只能观察到被控过程的输出变量及其变化率，故在模糊控制器中通常将误差及其变化作为输入语言变量，而将被控过程的输入变量――控制量的变化作为输出语言变量。图４．６就是以系统误差及其变化率为输入语言变量， 以控制量的变化为输出语言变量的模糊控制器。 基本模糊控制器的优点很多：控制规则不受约束，便于根据操作者的实践 经验修改，定性采纳好的控制思想；控制规则有很大的通用性，通过较小的修 改与组合就可适用于多种不同的被控过程；对系统内部参数的变化具有较强的 适应性，等等。４、模糊一Ｐｍ复合控制早期的经典模糊控制器ＦＣ与常规的控制器如ＰＩＤ调节器相比具有无须建 立控制对象的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力即天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计鲁棒性好等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方，例如，模糊控 制系统的稳态性能较差。基本模糊控制器相当于一种非线性ＰＤ控制器，缺少 积分作用，而且存在由于输入量被模糊量化取熬而引起的控制器调节死区，以 及控制量的分档而引起的 调节过粗，因此控制动作 欠细腻、稳惫精度欠佳是 经典模糊控制的一个弱 点。为此，出现了一些改图４―７ Ｆｕｚｚｙ―ＰＩ（ＰＩＤ）双模控制结构图善模糊控制稳态性能的方 法。积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应 快，而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又具有较快的动态响应。 因此，把Ｐｌ控制策略引入模糊控制器，构成模糊一ＰＩ（或ＰＩＤ）复合控制， 是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。这种复合控制策略是在大偏差范围内 采用模糊控制，在小偏差范围内转换成ＰＩＤ（或ＰＩ）控制，二者的转换由微机 程序根据事先给定的偏差范围自动实现。图４―７所示是Ｆｕｚｚｙ―ＰＩ（ＰＩＤ）双 模控制结构图。 图４．８是模糊控制和 ＰＩＤ调节器相结合以增加稳 态控制性能的另一种方案。 这种控制系统总的控制作用 是模糊控制器的控制作用和 ｌ调节器控制作用之和。这 相当于一个具有变参数的比 例微分控制作用和不变参数的积分控制作用的ＰＩＤ调节器。它比单个的模糊 控制器或单个的ＰＩＤ调节器具有更好的控制性能。图４－８ Ｆｕｚｚｙ―Ｉ复合控制５、控制算法在本系统中的应用由于温度属于大延时惯性对象，所以本课题采用分段控制：偏差很大时 （超过±１０℃）采用全功率加热或制冷；偏差在一定范围内时采用模糊一ＰＩＤ 复合控制算法，如图４―８中所示的ＦＵＺＺＹ―Ｉ复合控制方案。ＦＣ部分采用双 输入（温度偏差、偏差变化量）、单输出（电压增量）控制策略，Ｉ部分的控制 方程为ＵＩ＝ｋ７ｅ（ｋ）。例如，若设定温度为３７℃，则当温度远离控制点（测得实 际温度在小于２５℃）时，以最大功率进行加热；当温度比较接近控制点（测 得实际温度在３５～３７℃之间）时，进行ＦＵＺＺＹ－Ｉ复合控制。天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计为实现基本模糊控制器的控制作用，一般的做法是首先经过离线计算建立 形如表４―１的模糊控制器查询表，然后将查询表存放到计算机的存储器中，并 编制一个查找查询表的子程序。于是在实际控制过程中，只要在每一个控制周 期中，将采集到的实测误差ｅ（ｋ）和计算得到的误差变化ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一１）分别乘以量 化因子ｋ。和ｋ。。取得以相应论域元素形式表现的ｅｉ和ｅｃ．，由查询表的第ｉ行 和第ｊ列找到跟ｅｉ和ｅｃｉ对应的同样以论域元素形式表现的控制量变化“ｉｊ，再 乘以比例因子ｋ。，便得到被控过程的实际控制量变化量，以此去控制被控过 程，可达到预期的控制目的。户＼＝．３ ―２ ．１ ０ ＋１ ＋２ ＋３表４．１模糊控制器查询表．３ ＋３ ＋３ ＋２ ＋２ ＋ｌ ０ Ｏ ―２ ＋３ ＋３ ＋２ ＋２＋１一ｌ ＋３ ＋３ ＋２ ＋１ Ｏ 一１ ―２Ｏ ＋３ ＋３ ＋１ ０ ．１ ―３ ―３＋１ ＋２ ＋２ ０ ．１ ．２ ．３ ．３＋２ ＋ｌ ０ ．１ ．１ ．２ ．３ ―３＋３ ０ ．１ ―１ ．２ ．２ ．３ ．３．１ ．１模糊查询表的具体建立过程如下： （１）确定偏差ｅ的论域Ｘ＝｛－２，一１，０，＋１，＋２），则得到量化因子 Ｉ（ｅ＝２／１０＝１／５。为语言变量Ｅ选取７个语言值：ＰＢ、ＰＭ、ＰＳ、０、ＮＳ、 ＮＭ、ＮＢ，根据经验确定出论域Ｘ上用以描述模糊子集ＰＢ，……，ＮＢ的隶 属函数１１（Ｘ），并据此建立输入语言变量Ｅ（偏差）的赋值表，类似地，建立 输入语言变量ＥＣ（偏差变化）和输出语言变量Ｕ（控制量变化）的赋值表。 （２）确定一系列由模糊条件语句组成的控制规则并根据模糊条件语句计 算出模糊关系。本系统中模糊控制的控制规则由５２条模糊条件语句组成，可 以归纳为表４．２所示的模糊控制状态表。例如Ｅ＝ＰＳ且ＥＣ＝ＮＳ时Ｕ＝ＰＳ，即 如果设定温度减去实际温度得到的偏差为正的很小量（ＰＳ）并且本次采样计 算的偏差减去上一次的偏差得到的偏差变化量为负的很小量（ＮＳ），那么输出 电压的变化量为正的很小量（ＰＳ）；用语言形象描述为：如果实际温度很接近 设定温度并且比刚刚测的那次还接近，那么输出电压就稍微增加一点点。天津大学硕士论文第四章温度控制系统设计表４－２模糊控制状态表义ＰＢＮＢＮＭＮＳ０ＰＳＰＭＰＢＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ× ×ＰＭ ＰＭ ＰＭ ＰＭ ＰＭＰＢ ＰＢＮＭ ＮＭＮＳ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＢＮＭ ＮＭＮＳ Ｏ ＰＳＮＢ ＮＳ ＮＳ ＮＳ ＰＳＮＢ ＮＳ× ＸＰＭＰＳ Ｏ ＮＳＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢＮＭＮＢＰＭ ＰＭＰＭ ＰＭ（３）基于推理合成规则，由偏差ｅ的论域Ｘ＝｛一２，－１，０，＋１，＋２｝和偏 差变化ｅｃ的论域Ｙ＝（．２，一１，Ｏ，＋１，＋２），根据语言变量Ｅ和ＥＣ的赋值 表，针对论域Ｘ和Ｙ中全部元素的所有组合，求取相应的语言变量Ｕ的模糊 集合，并应用最大隶属度法对此等模糊集合进行模糊判决，取得以论域Ｚ＝｛． ２，．１，０，＋１，＋２）的元素表示的控制量变化值ｕ。４．２．５测控模块的程序设计测控模块程序设计的任务是实现恒温控制和参数计算。温度信号表现为电 压信号，为了提高测量精度，认为热敏电阻输出的电压与温度之间是分段线性 的，所以采用表格法和线性插值相结合的方法进行程序设计。固化的表格只是 将热电势分为若干个区间，工作时，将热电势对应的数字量作为输入，用二分 法找到其所在的电压区间，再用线性插值确定其所对应的温度值。举例来说， 要测量５～４０℃的温度，以温度增加１℃对应的电压值建立３６个表格，Ａ，Ｄ 转换结果与表格内的电压值进行比较，直到ＵＮ ｓＵ曼ＵＮ＋１时停止比较，求出温 度的整数部分，根据Ｕ―ｕＮ和ＵＮ＋１－－ＵＮ的比值求解温度的小数部分，就可求 出温度值。因为单片机的运算速度不适合浮点数所以采用定点数的方法处理， 就是将温度的内部运算单位放大１０倍，在用于显示的时候再除以１０，即固定 显示一位小数点位置。为了便于数据处理，以１０Ｈｚ频率采样，并把１０次的测 量结果迭加后作为该通道的测量值。通过控制算法将温度控制在设定温度附近 时，要进行稳态判断，方法是：连续四次测得温育室温度及加热功率，如果由 此计算出的热阻值的差别不超过±１％，则认为进入热平衡状态了。尺津大学硕士论文第四章温度控制系统设计４．３试剂温度及温育温度的控制加热及制冷装置可以通过调节工作电压来改变它的制冷量和制冷温度，作 为仪器仪表的小型冷源，易于实现连续、精密的控制。热电制冷装置使用直流 电工作，对应工作电压的脉动范围有一定的要求。此外，由于元件材科有强度 较差的纵向晶格界面，较细尺寸的元件不好生产，所以工作电流一般不低，至 少有几个安培。基于这些特点，选择了额定电流为２５Ａ的程控开关电源，与 加热器电源类似，接通市电ＡＣ２２０Ｖ后，在程控输入端输入０―５Ｖ的电压，即 可在输出端得到几乎线性对应的０―１３．６Ｖ直流电。 在设计中，由于制冷器及加热器在满负荷工作时功率较大，为了避免二者 同时工作造成电源电压的不稳定，在程序设计上只有在加热温度达到３５℃以 七时才对制冷器进行启动。４．４本章小结１．利用半导体制冷原理，设计了试剂冷却室，以保证试剂可以在机保存９０ 天。 ２．利用高精度ＡｉＤ转换芯片ＭＡＸｌ３２对反应室温度进行采集；同时利用ＰＩＤ 控制理论，对温育室的温度进行控制，使控制精度达到Ｏ．０５℃。天津大学硕七论文第＾章系统控制系统设计第五章系统控制设计系统控制由上位机与下位机共同控制完成。Ｆ位机采用５１系列单片机，核心处理器采用ＭＳＣｌ２１２，下位机完成各个子系统的芯片控制，并进行系统协 调。上位机采用ＰＣ机，完成信息的存储，数据的计算，报告打印，质控数据 统计等进一步功能。本文主要对下位机的硬件与软件进行详细介绍。５．１单片机的硬件设计 ５．１．１核心处理器ＭＳＣｌ２１２ＭＳＣｌ２１２是Ｔｌ公司最新推出的用于混合信号处理的高集成度处理器，它 内部主要包括四个部分：增强型８０５２内核、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（最大３２ＫＢ）、高 性能的模拟部分和高性能的片内外围设备。图５―１为ＭＳＣｌ２１２的功能框图。ＸＩＮＸＯＵＴ图５－ｌＭＳＣｌ２１２的功能框图ＭＳＣｌ２１２采用增强型８０５２内核，每个指令周期只有四个时钟周期，并具 有两个数据指针（双ＤＰＴＲ），执行速度比普通８０５２大大提高。 ＭＳＣｌ２１２内部集成３２ＫＢＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ（ＭＳＣｌ２１２－Ｙ５），该Ｆｌａｓｈ可分人津人学硕十论文第五章系统控制系统设计区使用，分别划分为程序存储器和数据存储器，支持系统编程（ＩＳＰ），１０万次 擦写，编程周期，数据可保持１００年不丢失。 ＭＳＣｌ２１２模拟部分包括八通道导联选择、缓冲器（Ｂｕｆｆｅｒ）、可编程增益 放大器（ＰＧＡ）、直流偏移调整（Ｏｆｆｓｅｔ Ｄ／ＡＣ）、恒流源、温度传感器、参考电 压以及∑一△型调制器和数字滤波器。模拟部分的特点主要有： ●２４位无丢失码，在１０Ｈｚ数据输出率时有２２位有效位 ●低噪声，只有７５ｎＶ ●ＰＧＡ范围为１～１２８ ?精确片上参考电压：精度Ｏ．２％，漂移５ｐｐｍ／。Ｃ ●低功耗：４ｍＷ●片上偏移和增益校正单周期转换ＭＳＣｌ２１２的外围设备也很丰富，主要特性有： ●３２个Ｉ／Ｏ管脚●附加３２位累加器，硬件支持４字节加、减法和移位操作●３个１６位定时器，计数器 ●系统定时器 ●可编程看门狗定时器 ●两个全双工定时器 ●主／从ＳＰＩ接口，支持ＤＭＡ操作 ●１６位Ｐ１刑●电源管理控制，空闲模式耗电＜１ｍＡ，停机模式耗电＜ｌｕＡ●可编程低电压检测 ●２１个中断源 ●两个硬件断点５．１．２电机驱动控制由于化学发光免疫分析仪主控模块需要控制子系统较多，电机驱动部分共 需要控制九个电机，包括：进样电机，两个加样电机，两个注射器泵电机，两 个温育链条传送电机，两个样本推动电机。如果赢接用ＭＳＣｔ２１２的Ｉ／Ｏ口进行控制，不能实现设计要求，所以本文采用可编程Ｉ／Ｏ口专用扩展芯片ＵＰＤ７１０５５对ＭＳＣｌ２１２的Ｉ，０口进行扩展，再将ＵＰＤ７１０５５与Ｌ２９７相连 接，以达到同时控制多个电机的目的。 的Ｉ，ｏ口扩展示意图。 图５－２给出了ＵＰＤ７１０５５对ＭＳＣｌ２１２墨！芏查！！堡主堡塞箜至兰墨竺笙型墨堕堡生图５－２ＵＰＤＴｌ０５５对ＭＳＣｌ２１２的Ｉ／Ｏ口扩展示意图５．１．３温度驱动控制数字化后的温度数据经过异步串行方式传送到ＭＳＣｌ２１２，ＭＳＣｌ２１２对这 些数据进行处理，并利用ＰＩＤ方式对输出的信号进行控制。ＭＳＣｌ ２１ ２通过对．４１．天津大学硕士论文第五章系统控制系统设计ＵＰＤ７１０５４计数，定时芯片的控制字的改变使之产生ＰＷＭ方波。方波信号经放 大后驱动加热器。当加热器开始制冷时，ＰＷＭ信号的占空比为１００％，当设置 的温度到达设置的控制点后，ＰＷＭ占空比不断的变动以适应维持设定温度的 需要。实时温度显示由ＭＳｃｌ２１２经过串口传送到ＰＣ机进行显示。５．１．４上位机及下位机的接口本设计采用串行方式实现微机与单片机的通讯。在串行连接时要解决两个 问题，一是计算机和外设之间双方要共同遵循的某种约定，这种约定称为物理 接口标准。二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的接口电路。由于ＲＳ．２３２Ｃ标准的电平（Ｅ］Ａ电平）与ｒｒＬ电平和ＣＭＯＳ电平不同。为了使ＴＴＬ 电路间采用ＲＳ．２３２Ｃ进行串行通讯，在本课题中用ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ２３２芯片以 实现，其接口电路如图５－