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国际计算机应用杂志（0975 - 8887）

第一号，2010号，九月六日

Shiwani Saini 工程技术学院 沙尔达大学 大诺伊达区，印度

C.R.Suri 工程技术学院 沙尔达大学 大诺伊达区，印度

基于单片机的自动流程组件设计与开发在生物传感器上的应用

摘要

本文研制了一种用于生物传感器的自动流程组件。在最近几年里，连续监测系统在活体生物传感器领域变得越来越热门。因为这种生物相互作用的连续监测，需要自动流程组件的发展来提供技术支持。自动流程组件本质上是以一个耦合的生物传感器形成的一个流动注射分析（FIA）系统。设计流量自动装配由三微流体电磁阀通过AT89C51单片机驱动。每一个阀的开启时间通过一个可由单片机控制的4x3键盘和开关编程控制。此外，用于在线监测的生物传感器的缓冲液温度传感单元通过接口与三维微控制器连接。自动流程组件具备了快速响应的优点。此系统包括基于单片机开发的温度传感器的接口，键盘（用于选择的时间），显示单元（液晶显示器）和电磁阀。

一般条款：

微控制器，自动化装配流程

关键词：

微控制器，生物传感器，电磁阀，流程组件，流动注射分析

1．简介

生物传感器是一种只包括一个生物传感元件，或者生物传感器内紧密连接或集成在传感器内的装置。

通常的目标是产生一个数字的电子信号，这个信号与特定的化学物质或一组化学物质的浓度成正比。近年来，大量的工作已经在医学、环境和国防等领域展开，为其发展提供了巨大的帮助。

流程组件是一个允许在气体或液体的形式的分析物通过流细胞流到一个生物传感器（检测器）的实验装置。因为大多数的生物传感器的生物综合检测反应需要的物是液态或气态的形式，所以一个流通过设置是理想的泵/样品分析。图中所示的一个流用方框图1表示。

较早的流程组件使用的是一个手动操作系统，如图2所示。本手册的流程安排由泵送机构，多位阀、反应釜、混合室、显示单位和检测器。泵是结合一个换向阀、试剂和样品注入顺序通过手动的多位选择阀。样品和钍E试剂形成可检测的物种产生的可量化的信号可以通过检测。

提供样品和试剂通过流动池[ 1 ]和[ 2 ]后其检测结果就可以被报告出来了。该系统使用了一个采样方式，允许的样品插入后，合适的时间打开多位阀。一种小型化光纤生物传感器对FIA的原理和操作是由Scheper，Buckman [ 3]提出的。它利用了2个独立的样本循环注入简单计时器和系统控制电磁阀。Simonian [ 4 ]，提出了L-色氨酸测定的生物传感器，其中包括一个流动注射系统耦合到电流公制生物传感器。它利用温度控制导流柱对生物催化剂注入衬底。使用计算机处理该信号。通过系统直接控制阀门的流量通过一台电脑的数据监测报告提出[ 4 ]，[ 5 ]，[ 6 ]，[ 7 ]和[ 8 ]。

本工作的主要目的是开发一个自动化的流量组件，在一个地方的手动操作的流量组件。并且在一个微控制器的帮助下进行自动化运行。

大多数免疫生物传感器的应用，需要三种不同的缓冲液，洗涤缓冲液，结合缓冲液和洗脱缓冲液。洗脱缓冲液平衡流动单元，结合缓冲液结合T他生物分子上的检测器和洗涤缓冲液洗涤流动池的缓冲区，以消除早期使用的缓冲区。每一个缓冲区都需要一个单独的阀门来泵的缓冲液粗流电池。

这个自动流组件的目的是通过将检测器/生物传感器按顺序地流电池来实现这些缓冲液的缓冲。通过流组件传递的缓冲区数量可以通过选择一个特定的阀门保持开启的持续时间来控制。这个动作是由单片机AT89C51控制。每个阀保持开关的准确时间D是通过4times;3键盘输入的。温度传感器AD590一直连接到微控制器，通过一个模拟数字转换器（ADC）用于监测温度ICL7109的每个目的缓冲区温度。一个16x2字符字母数字液晶显示器（LCD）单元用于显示每个阀延迟时间和分析物的温度。

2材料与方法

流组件需要以下基本组件

2.1单片机

微控制器是一个微处理器，其设计包含了一个微处理器的所有功能，它是一个算术和逻辑单元（ALU），PC（程序计数器），SP（堆栈指针），寄存器和另外特征如RAM、ROM、并行输入/输出、串行输入/输出、计数器和时钟电路。像一个微处理器，微控制器是一种通用的设备，但它的意思是读取数据，执行有限的计算，数据和控制其环境的基础上，这些计算。一个主要用途微控制器是使用固定程序存储在只读存储器中，不改变系统的使用寿命的机器的操作。为了自动化的流程组件，一个ATMEL公司的AT89C51单片机的应用。它是一个低功耗，高性能CMOS，8位，40引脚的单片机与4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（EPROM）。在芯片上的可编程程序存储器可使用非易失性存储器编程器使其迅速恢复。

2.2蠕动泵

液体泵通过阀门保持液体的流动。蠕动泵采用了流水装配，因为它提供了硅/聚四氟乙烯管材，相当于具有了压力室的优势。其结果是，该流体不污染该泵，清理只需要控制管道的变化。此外，该泵具有良好的可重复性，在低容量的分配和计量应用。这种无阀设计消除了大多数情况下的堵塞和虹吸液体。此外，流动性的可逆性有一个附加的优点。蠕动泵具有流量范围从1.5ml/人力资源156.5ml/hr和操作方便在压力高达100 psi。它的额定值是100毫安，具有功率消耗非常低的优点。

2.3微流体电磁阀

阀门是用来保持、限制仪表通过管道、软管、管道或整个系统材料的流动的设备。对于此流程组件，电磁阀在已被使用以来用的是耐腐蚀的全塑性体和氟橡胶密封件。这使得他们在与腐蚀性和腐蚀性化学品接触的使用中效果很好。其工作温度的环境温度范围（4~65˚C）和压力的要求也较低（40PSI）。这些阀门可以连续工作多个周期只需要几毫秒的消耗。他们的典型响应时间为15-30 MS活动从活跃期和5-10毫秒静止性阶段。他们工作在3V，400mA的直流，及其拥有非常低的典型功耗1.2W。

2.4显示单元

采用显示单元是16x2（16字，2行）的字母数字液晶显示器（LCD），它可以与一个4位或8位微处理器或微控制器接口。液晶显示将优先在低功耗CMOS LCD控制器和驱动器集成电路的使用效果。由于液晶显示器的耗电量，它们与低功率电子电路兼容，可动力持续时间长。此外，液晶显示器具有重量轻，寿命长，温度范围宽的优点。

2.5温度传感器

AD590作为温度传感器，用于测量分析物的温度。这是一个二端集成的温度传感器，其输出电流正比于绝对温度对于电源电压之间的电压4 V和30 V，该装置作为高阻抗、恒流调节器通过1micro;A / K具有标定精度0.5 C和0.3 C˚˚激光线性trimminG芯片的薄膜电阻是用来校准装置298.2micro;在298.2K输出（25˚C）。AD590可以用在任何温度传感应用之间的55˚C 150˚C的常规电温度传感器是目前使用的。线性化电路，精密度电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿并不需要在应用ad590。AD590是在芯片的形式提供，使其适合于混合电路和F在保护环境、温度测量。这使其特别适用在遥感应用中，由于设备的高阻性电流输出，其对于电压降长期线不敏感。

2.6模拟数字转换器（ADC）

一种模拟数字（模数转换器）转换器是需要将模拟信号从温度传感器转换成数字信号的微控制器读取。为了阅读目的结构的流体的温度，需要采用一个12位的微处理器兼容的A/D转换器ICL7109，因为它一直是一个具有高性能，采用CMOS，低功耗模数的转换器。ICL 7109工作在30转换每秒和提供了高精度的用户，低噪音（15micro;Vp-p）输出。包括差分输入和对比，不超过1micro;V /˚C漂移，最大输入偏置电流为10pA，和20MW的典型功耗等的一些功能。

2.7键盘

此应用程序的键盘是编码键盘，最初用于电话应用。这些按键一般有限的16个按键或更少。键盘接口的单片机有4行和3列。

3硬件实现

所有的硬件组件，键盘、阀门、温度传感器、显示单元已与单片机的接口如图3所示。在汇编语言中已经做了编程。

图3单片机的硬件接口

3.1接口4x3键盘

每一行和列有一个Ω通过4.7K电阻连接到5V电源的两端。另一端通过连接到单片机的P0端口P0.7引脚P0.1。通过将每一行低的序列和检测到的低，以确定在矩阵中的每一个键的键的键进行扫描。去抖所需的时间是当键被按下或释放的延迟20ms。去抖由延时回路产生。

3.2液晶接口

显示单元的8根数据线通过连接到单片机的P1端口，从P1.7引脚到P1.0引脚。端口引脚P3.2，P3.3，P3.4和微控制器提供控制信号输入选择（RS），读/写（R/W）和使能端（E）分别。应用于液晶显示的信号（电子）输入时钟的数据。信号必须是一个正向的数字选通，数据和控制信息是真实的。使能信号的下降沿使控制器的数据/指令寄存器。E信号只适用于当一个特定的模块交易请求联。当液晶显示控制器正在执行一个内部操作时，该标志是设置的，并且不接受任何指令。因此，在每次指令之前要检查该忙标志。

3.3接口温度传感装置

AD590温度传感器，是一种提供了一个输出电流与绝对温度成比例的半导体器件。该传感器具有一个额定电流灵敏度为1micro;A / K电流灵敏度活动是由一个电位器控制温度在298.2K给298.2micro;一输出的温度传感器的输出发送到HI和LO的A / D转换器引脚。图4显示了WS的温度传感单元示意图。

3.4。接口/模数转换器

只有8位用于ADC将模拟温度值对应的数字值。随着温度传感器在HI和LO的ADC引脚施加模拟输出，2V的基准电压给ADC开始转换。芯片使能端引脚CE /负载接地；位B1至B8提供数字输出时的低字节使能引脚列本启用。的A / D转换器的8个数据位接P2口引脚P2.0通过单片机的P2.7。模拟信号转换为数字数据，可在AT89C51的2端口。THI的数据，然后存储在微控制器的寄存器，并显示在液晶显示器上。

3.5连接电磁阀

电磁阀需要微控制器的驱动，以便使液体流过它们。电磁阀应用在该组件需要一个3V的直流电源，400mA。自输出单片机的电流只有几micro;，它是不能够驱动阀门。因此一个达林顿阵列两晶体管,SL100和功率晶体管2 n3055,用于提供所需的电流(图5),阀门动作时间通过键盘设定。三个端口的别针单片机P3.5,P3.6 P3.7,分别提供驱动为每个三个阀门。高信号端口控制P3.5打开阀1,高信号P3.6打开阀2而高信号P3.6打开阀3。一次只有一个端口提供了一个高信号开关阀连接到它。

图5气门驱动达林顿阵列

4软件实现

汇编语言是一个专用写入单片机的闪存程序控制硬件的语言。这个系统是首先写命令提示符然后使用汇编ASM51组装的。汇编可以检查程序逻辑和语法错误。一旦运行检查无错误,运行命令将组装程序转换成十六进制代码，然后放在40-pin单片机芯片flash程序里，程序写入十六进制代码闪存的形式。阀门的持续时间可以由用户通过4 x3键盘输入。单片机程序检查按键是否被按下，一次有效的按键按下被检测到,阀门将开启持续时间(在于用户输入的设定值)。时间延迟是使用程序代码生成的。一旦完成时间延迟,单片机端口会提供了一个低电平信号,控制关闭阀门。这个动作时间显示在LCD液晶屏上的第一行。然后温度传感器感知温度和A / D转换器将模拟缓冲温度转换成数字数据和然后显示装置显示的温度的LCD液晶屏的第2行。时间延迟下一个阀，然后输入。一旦第二阀被关闭,第三阀门动作时间可以进入。流图给出了软件实现如图6所示。

开始

延时是否完成

否 否

延时是否完成

是 是

结束

延时是否完成

否

是

图6软件实现流程图

5结果

从温度传感器AD590获得的结果来看,数字温度计ADC圆从温度传感器的模拟信号到输出一个8位数字显示在液晶上。AD590的输出在毫伏(mV)和测量用一个数字吗万用表。温度传感器的校准是1 mv信号对应于1°C的温度。流装置的性能单片机进行了检查阀门的连接的功能的研究。蠕动

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