基于LAPS 的生化多参数检测仪表的研制.docVIP

基于LAPS 的生化多参数检测仪表的研制 摘要 主要介绍自制的基于光寻址电位传感器(LA PS) 的生化检测仪.文中概述了LA PS 的基本原理, 并介绍了LA PS 弱信号检测仪表的硬件与软件设计.仪表采用A T89C52 单片机与PC 机进行标准串接口通讯, 具有灵敏度高, 成本低, 易维护及能进行多参数测量等特点.同时利用该检测仪表进行了pH 值等参数的测量. 1 引言光寻址电位传感器(LA PS) 是基于E IS (电解质溶液- 绝缘层- 半导体) 结构器件 , 采用调制光束选择性照射, 使器件对该电位变化的响应由光电流所调制,由美国加州分子器件公司Dean G. Hafeman 等人于20 世纪80 年代末发明的.因为LA PS 的光电流信号很微弱, 甚至为几个nA 数量级, 给光信号检测造成了很大的困难.通常采用锁相放大仪器进行检测, 而锁相放大器价格昂贵且体积大, 不利于LA PS 技术的推广和产业化.这里介绍一下笔者在设计并实现LA PS 微弱光电流信号检测仪表方面所做的工作, 其中LA PS控制系统以前已经做了不少工作, 不再赘述. 2 LAPS 基本原理概述 LA PS 是在半导体硅片的绝缘层表面上制作不同种类的敏感膜, 当敏感膜与待测液接触时, 产生界面电势E.利用被调制的红外光束对敏感膜的硅片区进行二维扫描寻址, 产生交变光电流, 而光电流的幅值由E的大小调制.通过测量光电流或光电压, 即可测量E,实现对样品液中待测量的检测.LA PS 不仅结构简单,芯片只需一根引线, 就可以实现对样品液中的多参数检测, 而且具有检测速度快, 灵敏度高等特点.一般的LA PS 系统都是采用功能强大的锁相放大器来完成的.整个系统体积庞大, 成本高.为了使LA PS 实用化, 笔者自制了LA PS 生化检测仪. 3 LAPS 检测系统仪表化的设计和实现 3.1 LAPS 仪表的总体设计 图2 所示为笔者设计的LA PS 仪表的系统结构框图.整个系统由流通系统、恒电位仪、LA PS 芯片、L ED阵列、L ED 控制器、偏置扫描电路、弱光电流检测和调理电路、信号采集电路和个人计算机等几部分组成.采用MCS- 51 系列单片机与个人计算机进行通讯, 可以实现检测过程的自动化. 3.2 LAPS 仪表的控制系统 本系统采用A T 89C52 对系统进行控制.单片机完成与台式机进行通讯, 并协调各个部分的运作, 使用户通过台式机对仪表进行操作.程序源码由MCS- 51的汇编语言写成, 控制流通系统的蠕动泵和三通电磁阀, 完成对缓冲液、待测液的注入和排出进行切换及精确控制.对5*7L ED 光源阵列进行寻址选通, 主要由两MAX IM 公司的DG508 多路选择开关实现. 3.3 偏置电压的扫描功能实现 由于测量过程中, 需要进行偏压扫描, 要求偏置扫描电压输出范围为- 5V 至+ 5V , 数模转换电路是必不可少的基本部件, 通常的方法是用一片DoA 转换电路加上运算放大器构成数模转换电路.在实验过程中,一般在- 5V 至+ 5V 之间取100 个等间隔点进行逐点扫描, 并采集传感器相应的输出光电流值.模数转换器DAC0832 能实现最多256 个点的偏置电压输出, 足以满足要求.本系统采用DAC0832 与运算放大器等实现- 5V 至+ 5V 之间的双极性的电压输出.偏置电压的输出由VB 程序控制. 3.4 LAPS 的微弱光电流检测 LA PS 光电流的原始值很微弱, 为几十nA 数量级左右, 仪表中将光电流信号经过高精度运放进行多级放大, 通过有源滤波器滤波, 得到足够大的30kHz 交流检测信号, 经整流变换成直流信号, 其中整流过程是由L F351 运放等构成的全波整流滤波器完成的.上述的每一级电路都具有放大功能, 能够对信号增益进行调整. 3.5 光电流的数据采集及处理 经调理的光电流信号送至ADC 转换器进行数据采集处理.本仪表中, 利用电压频率转换器(V FC)LM 331 来构成高精度的ADC.用V FC 构成的ADC 有以下优点: 成本低, 线性好, 转换精度高, 抗干扰能力强, 工作可靠, 而V FC 转换速度低的缺点对本仪表的影响不大.幅值为V i 直流输入信号经LM 331 变换为方波频率为f 的信号后送入A T 89C52 的定时器o计数器, 对方波的一个正半周期计数, 并记录定时器的计数值N , 依据V FC 转换器原理,V i 与N 的倒数成正比,并由单片机进行运算从而实现ADC.单片机与微机之间的通信采用A SCE 编码方式实现. 3.6 主机控制程序 主机控制程序是整个仪表系统的控制中心, 是PC机的W indow s 用户操作界面, 如图3 所示. 此程序用M icro soft 的编程语言V