ITO薄膜微流體芯片的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙深林，田學(xué)隆，梁春燕

（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

氧化銦錫（ITO）薄膜作為一種透明導(dǎo)電氧化物對(duì)可見光透光率達(dá)69%，具有電阻率低、可作導(dǎo)電加熱膜的特性，對(duì)ITO進(jìn)行通電加熱，其溫度分布均勻［1］。因此，ITO廣泛應(yīng)用于需要實(shí)時(shí)顯微觀察的微流體芯片制作。在進(jìn)行微流體芯片聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）實(shí)驗(yàn)或其他芯片內(nèi)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)過程中，溫度控制是實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行的關(guān)鍵，并且溫度的實(shí)時(shí)記錄對(duì)后期分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要作用。

ITO薄膜在100℃下溫度和阻抗之間具有很好的線性關(guān)系。吳志勇等人利用此特性，以ITO薄膜為溫度傳感器，制備了自加熱和溫度傳感一體化的ITO芯片，但具體溫控系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)方面未見說明［2，3］。雖然微流體芯片的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)研制方面，已有相關(guān)研究，但溫度控制精度還有待提高，在溫度實(shí)時(shí)記錄和保存方面的研究也還尚未見報(bào)道［4］。

本文對(duì)比了采用ITO薄膜作溫度傳感和數(shù)字溫度傳感器兩種測溫方案，并采用數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)了用于ITO基材微流體芯片的恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用USB接口與上位機(jī)通信，通過上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制ITO薄膜上的溫度，并能根據(jù)需要對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，有利于后期實(shí)驗(yàn)分析，并且操作簡單，通用性強(qiáng)，易于在微流體芯片實(shí)驗(yàn)室使用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ITO薄膜恒溫控制系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。系統(tǒng)首先采集ITO薄膜溫度，然后與設(shè)定的目標(biāo)溫度比較后，MCU（微型控制單元）輸出相應(yīng)控制信號(hào)控制加熱驅(qū)動(dòng)電路對(duì)ITO薄膜加熱，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。同時(shí)，實(shí)測ITO薄膜溫度和目標(biāo)溫度一方面通過LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，另一方面，通過USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)。

系統(tǒng)的核心為MCU，控制溫度采集及加熱驅(qū)動(dòng)，管理鍵盤輸入，負(fù)責(zé)下位機(jī)和上位機(jī)之間的USB通信等。因此，本文采用C8051F340單片機(jī)。其內(nèi)部集成的通用串行總線控制器（USB）符合USB 2．0規(guī)范，可以全速或低速工作，集成了收發(fā)器和端點(diǎn)FIFO RAM，無需外加USB控制器便可實(shí)現(xiàn) USB 通信［5］。

1．1 溫度采集模塊

圖1 系統(tǒng)模塊框圖Fig 1 Block diagram of system module

ITO薄膜阻抗與溫度間具有很好線性關(guān)系，利用這一特性，通過測量ITO薄膜電阻值可實(shí)現(xiàn)薄膜溫度測量，即在ITO薄膜邊緣用銅箔焊接后接入惠登斯電橋，當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋輸出差分電壓對(duì)應(yīng)發(fā)生變化，采用儀用放大器放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入MCU。再利用查表法或線性計(jì)算根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換值推算出對(duì)應(yīng)溫度值［6］。但是，ITO薄膜制備時(shí)的退火溫度及其退火環(huán)境均影響其阻抗特性，即ITO薄膜阻抗特性受制備工藝影響［7］。因此，采用ITO薄膜溫阻特性研制的溫控系統(tǒng)，要求ITO薄膜具有相同的制備工藝，兼容性不強(qiáng)。

本文采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測溫，對(duì)ITO薄膜制備工藝沒有特別要求。DS18B20為單總線輸出控制溫度傳感器，可直接將被測物溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。精度高，轉(zhuǎn)換分辨率最大可達(dá) 12位，測溫范圍為－55～125℃，適合測量微流體芯片溫度。

1．2 加熱驅(qū)動(dòng)模塊

利用三極管的開關(guān)特性，通過MCU輸出PWM信號(hào)控制三極管的開閉，控制ITO薄膜加熱。ITO薄膜在加熱過程中，消耗功率較大，采用MOSFET管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)輸出PWM電平標(biāo)準(zhǔn)為3．3 V，MOSFET理想工作電平為10V標(biāo)準(zhǔn)，因此，采用三極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。在MOSFET管導(dǎo)通狀態(tài)下，對(duì)ITO薄膜進(jìn)行通電，實(shí)現(xiàn)加熱。

1．3 人機(jī)交互

本文采用應(yīng)用廣泛的通用串行接口USB 2．0完成上位機(jī)與下位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控下位機(jī)。用戶可以方便的將該溫控系統(tǒng)與電腦連接，僅需在電腦上安裝一個(gè)應(yīng)用程序即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。

系統(tǒng)下位機(jī)采用三按鍵操作輸入，分別為增加、減少，以及位選擇功能鍵，用戶可以方便實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)溫度的設(shè)定。測量溫度和設(shè)定溫度采用獨(dú)立的三位LED數(shù)碼管顯示，可以實(shí)時(shí)對(duì)比觀察。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)測溫，管理鍵盤輸入、LED顯示及與上位機(jī)實(shí)時(shí)USB通信;上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是圖形用戶界面的編寫，本文基于Visual Basic 6．0編程開發(fā)。在圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)ITO薄膜溫度變化曲線的實(shí)時(shí)繪制，目標(biāo)溫度的設(shè)定，以及根據(jù)需要存儲(chǔ)記錄溫度數(shù)據(jù)。

2．1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2．1．1 改進(jìn)的PID控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ITO薄膜通電加熱時(shí)，升溫快，斷電后降溫也快。本文對(duì)PID控制算法做了改進(jìn)，采用將模糊分檔控制與改進(jìn)的增量式PID控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了兩種控制方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，且計(jì)算量小，易于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。具體算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，當(dāng)偏差|e|=|y（t）－r（t）|大于e0，對(duì)ITO持續(xù)通電或停止通電，使系統(tǒng)擁有粗調(diào)快速的優(yōu)點(diǎn);當(dāng)偏差|e|小于e0時(shí)，系統(tǒng)采用改進(jìn)增量式PID控制［8］。其中，y（t）和r（t）分別為t時(shí)刻實(shí)測溫度值和目標(biāo)溫度值。

圖2 改進(jìn)的PID控制原理Fig 2 Principle of improved PID control

圖3 改進(jìn)PID算法的實(shí)現(xiàn)流程Fig 3 Realization process of improved PID algorithm

軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示，設(shè)置靜態(tài)變量數(shù)組保存輸入偏差值以及最近幾次偏差值，采用全局變量保存當(dāng)前設(shè)定目標(biāo)溫度。根據(jù)上述計(jì)算原理計(jì)算當(dāng)前控制量輸出，即PWM占空比D，同時(shí)更新靜態(tài)變量數(shù)組中的偏差值，用于下一次控制量計(jì)算。

2．1．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對(duì)內(nèi)部振蕩器、內(nèi)部穩(wěn)壓器、中斷等初始化，然后通過單總線控制DS18B20傳感器測溫，測得溫度放入緩存中，待緩存滿則產(chǎn)生USB控制器的發(fā)送中斷將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。同時(shí)，每次測量溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度比較，得出偏差。偏差小于預(yù)先設(shè)定的初值e0（本系統(tǒng)設(shè)定初值為1℃）時(shí)調(diào)用PID控制子程序，返回的控制量控制PCA計(jì)數(shù)值的更新，從而調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比，控制ITO薄膜接入加熱電路時(shí)間實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示，系統(tǒng)在每次測溫完成后掃描按鍵，判斷是否設(shè)定新的目標(biāo)溫度。測量溫度和目標(biāo)溫度的顯示，采用定時(shí)器中斷控制。定時(shí)器中斷服務(wù)程序控制數(shù)字LED分時(shí)點(diǎn)亮實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)開始運(yùn)行后處于循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，因此，啟用單片機(jī)自帶的看門狗模塊功能，使在程序異常運(yùn)行出錯(cuò)情況下能自動(dòng)恢復(fù)正常。

圖4 下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖Fig 4 Realization flow chart of lower computer software

2．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Visual Basic 6．0開發(fā)工具提供了豐富的控件可直接調(diào)用，上位機(jī)使用Visual Basic工具開發(fā)用戶界面［9］。本文采用Picture Box控件顯示實(shí)測溫度，Text控件設(shè)定目標(biāo)溫度。使用定時(shí)器定時(shí)，每隔1 s讀取USB接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，即實(shí)測溫度，顯示在Picture Box控件中，并用Line命令連接相鄰兩次測量值，得到實(shí)測溫度曲線。此外，本文還增加了繪制柵格、停止、保存等功能，采用Command Button控件實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)擊這些控件發(fā)出相應(yīng)命令，使界面更人性化。USB接口通信操作，通過調(diào)用Silicon公司提供的C8051F340單片機(jī)USB通信開發(fā)包中的API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，具體包括檢測USB器件、讀取USB數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等功能操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)監(jiān)測ITO薄膜溫度變化曲線如圖5所示，三條曲線分別為溫度設(shè)定40，50，60℃時(shí)的監(jiān)測曲線，薄膜的初始溫度均在30℃以下。在溫度升高至與目標(biāo)溫度相差1℃前，系統(tǒng)處于全速加熱模式;溫度超過目標(biāo)溫度1℃時(shí)，系統(tǒng)停止加熱;溫度處于目標(biāo)溫度1℃范圍內(nèi)時(shí)，由PID控制器控制ITO薄膜溫度。圖中，三條曲線為ITO薄膜溫度變化曲線，數(shù)據(jù)由上位機(jī)存儲(chǔ)功能獲取;虛線表示溫度界限，分別為各目標(biāo)溫度的±0．2℃。由圖可知，ITO薄膜最終恒定溫度在目標(biāo)溫度偏差±0．2℃范圍內(nèi)，因此，該系統(tǒng)溫度控制精度可達(dá)±0．2℃。

圖5 ITO薄膜溫度變化曲線Fig 5 Temperature variation curve of ITO film

4 結(jié)論

本文以C8051F340單片機(jī)為控制核心，成功研制了ITO薄膜基材的微流體芯片溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器測溫，USB接口與上位機(jī)通信。在上位機(jī)，用戶通過用戶界面可實(shí)時(shí)監(jiān)控ITO薄膜溫度，并存儲(chǔ)監(jiān)控溫度，益于微流體芯片實(shí)驗(yàn)后期分析。系統(tǒng)溫度控制精度高達(dá)±0．2℃，可以廣泛應(yīng)用于ITO薄膜基材的微流體芯片實(shí)驗(yàn)中監(jiān)控芯片溫度。

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