一种全自动生化仪温育温度自动控制器及温度控制方法.pdf

本发明提供了一种全自动生化仪温育温度自动控制器及温度控制方法，包括直接同单片机相连的数字温度传感器；多点温度测量；采用前馈和自整定比例积分调节器；控制信号通过数模转换电路输出，控制脉宽调制电路输出的脉冲宽度并最终控制输出加热功率。该温度自动控制器包括数字测温电路、单片机电路、数模转换电路、脉宽调制电路、功率放大电路、Buck变换器电路、串口芯片。本发明通过上位机同单片机的通信，实现在上位机进行温度设置和显示。本发明的优点在于：控温准确、精度高、抗干扰能力强、能消除滞后和环境温度扰动。

1、  一种全自动生化仪温育温度自动控制器，其特征在于：由单片机电路，脉宽调制电路，功率放大电路，数字测温电路，Buck变换器电路，上位机通讯电路，数模转换电路，单片机软件组成；
a、控制器同上位机的通讯是通过串行通讯接口实现的；
b、脉宽调制电路是以脉宽调制芯片为核心实现的，并具有电流反馈。其给定是电压信号，输出直接驱动功率放大电路，并经Buck变换器电路平波后得到稳定的电流，用来加热电热膜丝；
c、单片机电路通过总线同数模转换电路连接，数模转换电路输出电压信号控制脉宽调制电路；
d、测温电路是直接与单片机通用输入输出口连接的，单片机通过指定的时序读取温度值；控制器的管理和控制功能，是由单片机内的软件实现的，该软件包括一种温度控制方法。

2、  一种采用权利要求1所述的自动控制器测温进行温度控制的方法，其特征在于：该方法包括：
a、通过数字温度传感器对被控对象进行温度测量，并转换为温度值，由单片机对温度进行读取；
b、采用多点温度测量，分别测量转盘固定部分的温度、空腔内的环境温度和生化仪内的环境温度；
c、温度测量采用带串行数字输出的温度传感器，直接和单片机相连，省略了模数转换电路的设计，提高了测量精度和可靠性；
d、在得到转盘固定部分温度、空腔内温度和生化仪内环境温度后，通过腔内两点的温度变化曲线，计算温控对象的延时，并根据不同的环境温度，调节在不同环境下的调节器参数，并对调节进行前馈补偿。

一种全自动生化仪温育温度自动控制器及温度控制方法
技术领域
本发明属于生化仪温度控制技术领域，特别是提供了一种全自动生化仪温育温度自动控制器及控制方法，适用于有大分子免疫反应的全自动生化仪的温育数字温度控制。
技术背景
标记的抗原在同抗体进行免疫反应时，需要对反应温度进行精确控制，温度的变化对抗体测量的准确性有很大的影响，因此需要对温育反应的机械载体温度和反应的环境温度进行精确控制。
全自动生化仪的温育反应在转动的机械转盘上进行。机械转盘分固定和旋转两部分。装有反应物的试管放在转盘的转动部分上。加热装置放在转盘的固定部分上。固定部分和旋转部分之间组成一相对密闭的空腔。反应物在试管的底部，置于空腔内。加热装置通过加热转盘固定部分，调节腔内温度。
转盘的转动及密封性、环境温度的变化，对空腔内的温度有很大的影响。该被控对象具有非线性、时滞、时变的特点，采用常规的比例积分调节控制器不能达到很好的控制效果，采用单点的温度测量也不能准确反映反应物所在的环境温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全自动生化仪温育温度自动控制器及控制方法，控制反应物所在的空腔温度在某一给定值，克服转盘转动及环境变化对空腔温度的影响。它具有温度控制精度高，可靠性好，抗干扰能力强的特点。
本发明的全自动生化仪温育温度自动控制器由单片机电路，脉宽调制电路，功率放大电路，数字测温电路，Buck变换器电路，上位机通讯电路，数模转换电路，单片机软件等部分组成的。
1)温度自动控制器同上位机的通讯是通过串行通讯接口实现的。
2)脉宽调制电路是以脉宽调制芯片为核心实现的，并具有电流反馈。其给定是电压信号，输出直接驱动功率放大电路，并经Buck变换器电路平波后得到稳定的电流，用来加热电热膜丝。
3)单片机电路通过总线同数模转换电路连接。数模转换电路输出电压信号控制脉宽调制电路。
4)数字测温电路是直接与单片机通用输入输出口连接的，单片机通过指定的时序读取温度值。
5)温度自动控制器的管理和控制功能，是由单片机内的软件实现的。该软件包括一种温度控制方法。
本发明采用全自动生化仪温育温度自动控制器进行温度控制的方法包括：
1)通过数字温度传感器对被控对象进行温度测量，并转换为温度值，由单片机对温度进行读取。
2)采用多点温度测量，分别测量转盘固定部分的温度、空腔内的环境温度和生化仪内的环境温度。
3)温度测量采用带串行数字输出的温度传感器，可以直接和微处理器相连，省略了模数转换电路的设计，提高了测量精度和可靠性。
4)在得到转盘固定部分温度、空腔内温度和生化仪内环境温度后，通过腔内两点的温度变化曲线，计算温控对象的延时，并根据不同的环境温度，调节在不同环境下的调节器参数，并对调节进行前馈补偿。
本发明的特点及效果
本发明采用数字温度传感器，利用单片机对数据进行处理，计算结果通过数模转换电路转换成电压信号。此电压信号作为脉宽调制电路的输入来控制脉宽调制电路输出的脉冲宽度，脉冲宽度即为场效应管导通的时间，从而控制加热电热膜丝的输出功率。本温度自动控制器采用多点温度检测的方法，并在此基础上采用前馈和自整定的比例积分调节，能有效地克服转盘转动及环境变化对温度的影响，达到较高的控制精度。
本发明的优点在于：温度控制精度高；抗干扰能力强；能消除时滞的影响。
附图说明
图1本发明的温度自动控制器与其相连装置的示意图。其中，铝制圆形机械转盘的旋转部分1、机械转盘的固定部分2、机械转轴3、电热膜丝4、试管5、数字温度传感器6。
图2本发明的温度控制电路结构图。其中，上位机通讯电路7，数字测温电路13，电热模丝4，单片机电路8，数模转换电路9，脉宽调制电路10，功率放大电路11，Buck变换器电路12。
图3本发明的温度控制实现流程框图。
具体实施方式
本发明的数字温度控制系统的附图及实施详细说明如下：
本发明的数字温度控制系统的实施：温度自动控制器与其相连装置如图1所示，包括：铝制圆形机械转盘的旋转部分1及与之相连地机械转轴3，机械转盘的固定部分2。机械转盘旋转部分1上面放有60个相同的试管5，分两排均匀分布于转盘旋转部分1上。试管中装反应物。电热膜丝4位于机械转盘固定部分中间。数字温度传感器6分别安装在机械转盘的固定部分、空腔内和生化仪内。上位机通过串行通讯接口与温度自动控制器相连。温度自动控制器通过电缆与机械转盘上的电热膜丝4和数字温度传感器6相连。
本发明的温度自动控制器具体实施：结构如图2所示，包括单片机电路8及与之相连的数字测温电路13。单片机与数字温度传感器通过串行通信的方式来实现温度的读取。数模转换电路9及与之相连的脉宽调制电路10，脉宽调制电路输出直接控制功率放大电路11，功率放大电路的输出连接Buck变换器电路12进行平波，使输出的电流、电压稳定。
本发明还包括与单片机相连的通讯电路2。
本发明的工作原理：单片机与数字温度传感器通过串行方式通信，通过单片机向数字温度传感器发送命令来读取温度。数字温度传感器自动测量温度，并转换为温度值，传送给单片机。单片机通过数据处理，将控制量通过数模转换电路，变成电压信号，控制脉宽调制电路，调节脉冲的宽度，从而调节一个周期内场效应管的通断时间。Buck变换器电路起平波的作用，将输出变为恒定的电流值。例如当所测温度过高时，通过改变数模转换电路的输出电压值，来使脉冲宽度变小，从而使加在加热电膜丝上的电流降低，使输出功率降低，通过反复调节，使加热与散热在设定温度处达到热平衡。控制算法采用自整定的比例积分调节和前馈补偿，通过多点的温度测量，计算热传导的延时，通过环境温度的测量，计算冷却过程的模型，从而克服了被控对象时滞，时变等问题，提高了控制精度。
本发明的温度控制方法的软件流程如图3所示，包括以下步骤：
1)先通过数字温度传感器进行温度测量，并将温度传给单片机。
2)温度自动控制器通过测得的温度值和给定值，在通过控制运算后，输出相应的控制信号。
3)输出的控制信号，经数模转换电路转换成模拟电压值，输出的电压值调节脉宽调制电路输出的脉冲宽度。
4)通过脉冲宽度的改变调节电热膜丝的加热功率。