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1、 .wd.摘要在生化分析仪中，温度控制系统的精度直接影响检测结果的准确度。本文针对小型生化分析仪对温度控制的要求设计了别离式的固体直热恒温系统。该系统设计的难点主要是反响液温度的均匀性和控制精度。本设计选择了反响盘与反响杯别离的机械构造，使反响杯在反响槽中旋转，得到很好的温度均匀性。同时在单片机中利用PID组合算法进展编程，使反响液温度控制在37，其准确度为 0.3，波动范围0.1摄氏度，满足了小型生化分析仪对温控系统的要求。关键词：小型生化分析仪、温度控制、铂电阻测温电路、自适应PIDABSTRACTIn the biochemical analyzer, the precision of
2、temperature control system directly affects the accuracy of test results.According to the requirements of the temperature control system in small biochemical analyzer, this dissertation designs a separate thermostat system with solid directly heating.The main difficulties of this system are the accu
3、racy and uniformity of the reactive liquid temperature.In order to obtain high level uniformity, the mechanical structure separates the plates and cups and the cups circle on the groove of the plates.At the same time the microcontroller is programmed using PID combination algorithm. The temperature
4、of reactive solution was 37 and the accuracy is 0.3 with fluctuation range of 0.1 degrees Celsius. This design meets the requirements of temperature control system in small biochemical analyzer.Keywords: Biochemical analyzer，Temperature control，Platinum Resistance Temperature Sensor, Adaptive PID.目
5、录第1章引言11.1课题背景11.2 生化分析仪主要温控方式11.3 温度传感器种类及工作方式31.4 国内外研究现状41.5 课题研究内容5第2章铂电阻温度传感器62.1 非线性校正62.1.1 产生非线性的原因62.1.2 惠斯特桥式电路72.2 温度检测电路阻值选择82.2.1 桥式电路阻值选择82.2.2 AD623运放设计92.2.3误差分析112.3 三线式铂电阻用法122.4温度传感遇到的问题14第3章单片机控制163.1 模数转换163.1.1 16位模数转换163.1.2 模数转换原理163.1.3 建设模数转换方程173.2 数模转换173.2.1 温度控制算法173.2.
6、2 利用计数器产生PWM波18第4章加热系统的驱动和控制204.1 驱动芯片的选择204.2 加热的控制204.2.1预热控制204.2.2功率控制224.3 系统设计需要注意的问题234.3.1 反响液温度控制的滞后性和波动性234.3.2 环境温度对稳定温度的影响244.3.3 温度控制电路板的优化设计25第5章PID控制算法275.1 PID控制原理275.1.1 模拟PID控制275.1.2 数字PID控制275.2 新型PID控制285.2.1 自适应PID控制285.2.2 智能控制285.3 自整定PID控制315.3.1 Ziegler-Nichols设定方法315.3.2 临
7、界灵敏度法365.4 温度控制PID405.4.1 测试中参数的选定405.4.2 环境温度影响下的修正42第6章完毕语456.1 总结456.2 展望45参考文献46致谢48外文资料原文49外文资料译文53第1章 引言1.1课题背景临床化学实验操作步骤中的吸样、吸试剂、混合、去干扰物、保温、检测、结果计算和报告的仪器操作被称之为临床化学的自动化分析，其仪器称为自动生化分析仪1。自动生化分析仪集光学、精细机械、电子、电子计算机等技术为一体，属高技术含量的仪器设备，特别是高档大型全自动生化分析仪配套技术，包括机器人技术、集束光导纤维传播技术、条码技术、传感技术、数码技术及遥控技术等，使仪器在高速
8、运转中多项任务、多个过程同时协调进展，每小时产生数百乃至数千的数据2。目前，自动生化分析仪主要分为三种：连续流动式自动生化分析仪continuous flow autoanalyzer、分立式自动生化分析仪discrete autoanalyzer、离心式自动生化分析仪centrifugal autoanalyzer3。其中，第一类仪器由于不能抑制穿插感染carryover以及故障率高、操作繁琐等原因在80年代初已被淘汰。本文中设计的温度控制系统可以应用在后两种生化分析仪中。生化分析过程要求在恒温条件下进展，样本和试剂发生生化反响，酶的活性直接影响反响结果，而酶的活性与温度直接相关。根据辅酶Q
9、10理论：温度每增加10，化学反响速度增加一倍。也就是说，温度波动0.1，测度结果变异1%。因此，高精度的温度控制系统是保证生化分析结果准确性和重复性的关键技术之一，它是生化分析仪的重要组成局部4。本文的主要任务是设计一个适合生化分析仪的固体直热恒温系统。1.2 生化分析仪主要温控方式目前生化分析仪中主要使用的温度控制方式有以下几种：空气浴，水浴，恒温液浴，固体干式浴，帕尔贴效应片等5。空气浴利用热空气对反响杯中的液体进展加热，通过维持绝缘容器内空气温度的稳定来实现反响杯内液体温度的稳定。水浴与空气浴相似，采用水对反响杯中的液体进展加热，通过维持水温的稳定来实现反响杯中液体的稳定。恒温液浴采用
10、一种特殊的恒温液体，该液体为热容量高、蓄热能力强、无腐蚀的液体。比色杯和恒温液不直接接触，它们之间存在一定的空气隙。固体干式浴采用铜或者铝等导热性能良好的金属对石英反响杯中的液体进展直接加热6。空气浴与水浴如图1-1所示，恒温液浴和固体干式浴如图1-2。图1-1 空气浴与水浴示意图、图1-2 恒温液浴和固体干式浴示意图帕尔贴效应片是一种目前被广泛应用的温控方式。这种温控方式利用帕尔贴效应，利用P-N热电偶，利用帕尔贴效应片的热端和冷端，既可以加热，也可以制冷。调整电偶的工作电压，可使帕尔贴效应片热电制冷器在不同的热端温度下保持冷端温度恒定7。图1-3给出了热电制冷器的温度控制原理框图。图1-3
11、 热电制冷器温度控制原理框图对于生化分析仪来讲，由于仪器本身功能较多，因此不希望在温控系统中参加过多的外加设备，因此水浴和空气浴不适用于本设计。同时，帕尔贴效应片一次只能控制一个样品，无法满足分析仪同时分析多个样品的的需要。因此，本设计采用固体浴。1.3温度传感器种类及工作方式要实现对温度的控制，首先要实现对被控环境的温度检测，这就需要温度传感器的设计。温度传感器按工作原理分可分为热电偶、电阻温度传感器、辐射温度计、光纤温度传感器、石英温度传感器等。热电偶将两种材料不同的导体串联成闭合回路，当两个结点之间存在温度差时，就会在回路中产生电流。热电偶的这种效应叫做塞贝克效应。热电偶作为温度传感器，
12、其优点有构造简单、体积小、热容量小以及温度响应快等。电阻温度传感器利用纯金属、合金和半导体材料的电阻值随温度变化的物理特性来测量温度。由于这个特性，使得电阻温度传感器可以根据具体的测量范围，改变其起始电阻值。当利用贵金属制作敏感元件时，它的性能更加稳定，测量的精度也会进一步提高。辐射温度计是利用斯蒂芬玻尔兹曼全辐射定理而研制出的温度计。该定理告诉我们，物体的温度越高，辐射功率就越大。因此，测量出物体所发射出来的辐射功率，就可以计算出它的温度。辐射温度计的特点是非接触测温，同时，它具有反响速度快、灵敏度高、测温范围广等优点。光纤温度传感器既可以利用被测物体外表辐射能随温度变化测温，也可以利用光在
13、光导纤维内传输的相位随温度变化测温。由于其主要利用光的传输工作，所以它是一种电气无源系统，同时具有几何形状可随意改变、抗电磁干扰以及耐水耐腐蚀等其他传感器无法具备的优点。石英温度传感器利用石英谐振器的频率温度特性进展测温，不仅具有分辨率高、性能稳定和线性度好等特点，而且适用于数字化处理和远距离测量。为了尽量减少成本，由于生化分析仪本身不需要进展远程控制，因此光纤性、辐射性以及石英性均不适宜本设计。同时，热电偶涉及到冷端温度补偿，增加了系统设计的复杂性，因此选择电阻温度传感器作为使用对象，同时选用稳定性互换性良好同时精度高的铂电阻作为测温元件。1.4 国内外研究现状世界上第一台生化自动分析仪是由
14、美国泰克尼康公司在1957年设计生产的，是一台单通道、连续流动式自动分析仪。此后日本、美国等国家又相继研发生产了多个系列的生化分析仪，如今相应的技术已经相当完善。其中比较具有代表性的是美国BECKMAN公司的CX9全自动生化分析仪和日本日立的7600全自动生化分析仪。CX9的检测速度可达每小时900屡次，最多可以同时测量33项，它的最大特征是直接连接样品分选的输送系统，便于对应软件的全自动化处理。日立的7600全自动生化分析仪也是一套大型实验室自动化系统，它是一种采用了先进的控制技术和模块化构造开发的大型组合式分析仪，具有高度的灵活性和扩展性，用户可以根据需要配置各种功能局部。整个工作过程由中
15、央计算机执行多线程控制，同时通过定时器设定无人状态一体化程序，在程序运行的同时也能智能检查各模块，对异常模块进展维护，真正实现了实验室全程自动化8。如图1-4所示为美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪，如图1-5所示为日立7600型全自动生化分析仪。图1-4 美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪图1-5 日立7600全自动生化分析仪目前国内自研生产的生化分析仪以半自动型为主。国内全自动生化分析仪的开展缓慢的原因主要是因为它涉及光、机、电、算、液路、温控、生化分析等多方面的综合技术，系统控制复杂、控制时序要求严格、运行可靠性和精度要求高等。随着国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量不断增大，对全自动生化分析仪的要求日益增大，因此其研制和开发将有着重大的经济效益和社会效益9。1.5 课题研究内容本文主要研究适用于生化分析仪的温度控制系统，包括以下几个局部：1、温度检测电路的设计； 2、温度控制电路的设计； 3、温度控制算法的编程； 4、环境温度补偿的设计。整个温度控制系统由两路具有非线性校正的铂电阻测温电路、PWM控制的功率驱动电路、带温度补偿的自适应PID数字控制电路
