植物细胞力学微小压力加载测量实验控制装置的研究

1、植物细胞力学微小压力加载测量实验控制装置的研究摘要在一些生物实验中,需要对培养细胞的琼脂施加一个恒定的微小压力,以保持细胞的活性。为此,研制了一种用于植物细胞力学加载实验的微小压力测量控制装置,本文系统地介绍了该测量装置的结构及控制系统的设计。实验结果表明:该装置达到预期效果,值得推广应用。1 系统总体结构该系统由微压测控仪、应变仪及机械装置3 大部分组成。其中, 微测控仪由数码显示、键盘、MCU 、步进电机驱动装置等部分组成;键盘用于设定值的输入,数码显示部分用于对设定值和琼脂受压情况的显示。机械装置由四相步进电机、丝杆、弹簧、微压测量的传感器、施压档板、工作平台等组成。系统结构总框图如图1

2、 所示。2 微压测量的传感器在测量对琼脂的压力时, 由于对琼脂施加的压力值非常微小,大概在50mN300mN 的范围内,采用单臂方案效果不理想。为此,采用了应变片组成半桥电路来实现。其中, 两片应变片对称地粘贴在铝制的圆柱上,两片温度补偿片贴在应变片附近的位置。为了提高灵敏度,采用了铝制的空心圆柱。空心圆柱由一块带内螺纹的滑块推动(如图2 所示) 。其工作原理是:将实验用的琼脂放在工作平台上,键盘设定所需要加载压力大小,通过MCU 控制步进电机驱动装置,驱动步进电机转动、带动丝杆转动,驱使挡板在滑轨上往复滑动,从而实现对琼脂施加载荷,经微压测量的传感器测量值输入到MCU对其进行AD 采样后,根

3、据测量值与设定值比较结果,通过驱动电路对步进电机做出相应的控制。3 控制部分设计控制部分采用片内集成10 位AD 转换器的16位单片机SPCE061A ,这是凌阳科技推出nSPTM系列产品之一。SPCE061A 内嵌32K 字的闪存(FLASH) 。较高的处理速度(可达491152MHz) 使nSPTM能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。SPCE061A 内含7 通道10 位电压模- 数转换器(ADC) 和一个单通道的声音专用模- 数转换器;2个10 位DAC(数- 模转换) 输出通道;2 个16 位可编程定时器/ 计数器(可自动预置初始计数值) ;具有低电压复位(LVR 功能和低电压监测

4、(LVD) 功能;具有保密能力;具有WatchDog 功能;内置在线仿真电路ICE( In2Circuit Emulator) 接口,便于程序调试。311 SPCE061A 最小系统及附属电路由于SPCE061A 片内集成了10 位AD 转换器,精度和速度都满足本系统的要求,故在开发时不必再另外加接AD 芯片及设计AD 相关电路,简化了硬件构成,增加了系统的可靠性同时还降低了成本。SPCE061A 的AD 采样程序如下所示:void get AD(void)unsigned int STEP = 0 ;while ( ! ( 3 P ADC MUX Ct rl &0x8000) ) ;

5、/ / 等待直至AD 转换完毕STEP = 3 P ADC L INEIN Data ; / / 读数并开始下一次AD 转换AD = STEP &0xFFC0 ;利用SPCE061A 芯片内置的在线仿真电路ICE和凌阳公司的在线串行编程技术, EZ2PROBE 工作于凌阳IDE 集成开发环境软件包下,通过5 芯的仿真头分别连接到最小系统板的缓冲电路输入管脚和SPCE061A 芯片相应管脚上实现在目标电路板上的CPU 调试、运行用户编制的程序;另一头是标准25针打印机接口,直接连接到计算机打印口与上位机通讯。在计算机IDE 集成开发环境软件包下完成在线调试功能。利用EZ2PROBE 的这

6、种方式,便于程序调试,无须在线实时仿真器和程序烧写器,减少了开发费用。EZ2PROBE 电路原理如图3 所示。SPCE061A 的工作电压为216316V。本系统采用SPY0029 稳压到313V 为MCU 供电,其电源电路原理图如图4 所示。3.2 按键及显示部分本系统采用三个按键分别作为“ + ”“ - ”“确认”;3 位七段数码管数值显示及电源、设定值L ED指示。该部分原理如图5 所示。数值显示程序如下:void display Nnm(void)/ / 显示百位i = 0x00F8 & * P_ IOB_ Buffer ;i| = 0x0006 ;/ / 位扫描if ( E

7、= = 0) i| = 0xFF00 ; / / 带消隐功能else i| = num E ;*P _IOB_ Data = i ;delay () ;/ / 显示十位i = 0x00F8 & * P _IOB _Buffer ;i| = 0x0005 ;/ / 位扫描i| = num T ;* P _IOB_ Data = i ;delay () ;/ / 显示个位,为0i = 0x00F8 &*P_ IOB_ Buffer ;/ / 清零,保护键值i| = 0x0003 ;/ / 位扫描i| = num0 ;*P_ IOB_Data = i ;delay() ;/ / EN

8、D void display Nnm(void)取键值程序:key = 0x0038 &*P_ IOB_ Data ; / / 取键值switch(key)case 0x0020 : / / key1if (m = = 1) SET + ;m = 0 ;break ;case 0x0010 : / / key2if (m = = 1) SET - - ;m = 0 ;break ;case 0x0008 : / / key3if (m = = 1) Y= 0 ;m = 2 ;) / / 确认break ;default : |m = 1 ;/ / 按键已被释放,置位标志位break ;

9、*P_ IOB_ Data = *P_ IOB_Buffer ;/ / 复位key ;清IOB3 、IOB4 、IOB5 (为低) ;键值处理:switch (SET)case 0 :E = 0 ; T = 5 ; / / 50mNbreak ;case 1 :E = 1 ; T = 0 ; / / 100mNbreak ;case 2 :E = 1 ,T = 5 ; / / 150mNbreak ;case 3 :E = 2 ; T = 0 ; / / 200mNbreak ;case 4 :E = 2 ; T = 5 ; / / 250mNbreak ;case 5 :E = 3 ; T

10、= 0 ; / / 300mNbreak ;case 6 :E = 0 ; T = 5 ;SET = 0 ; / / > 300mN ,溢出break ;default :E = 3 ; T = 0 ;SET = 5 ; / / < 50mN 或出错break ;/ / ENDswitch (SET)313 步进电机驱动部分本系统的执行机构采用四相步进电机驱动。步进电机的电压为415715V ,为简化系统,采用了与控制部分同样的供电电压5V。由于步进电机运行时对电源电压、电流的影响很小,不会对控制系统造成干扰,因此没有必要采取光电隔离等措施。本系统中被控对象(琼脂) 只要求最大300mN 的压力,步进电机工作在5V 时已经完全可以满足输出力矩要求,且功耗低,发热量小。基于上述原因,本系统采用单一的不加DC/ DC隔离的5V 电源。经实际运行实验,步进电机和控制部分共用5V 电源时运行正常,且不