CN116048156A - 一种电化学发光检测装置双向控温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学发光检测装置双向控温系统，属于电化学发光免疫分析控温技术领域。该系统利将采集到的检测装置中的温度变化转化成模拟电压信号，传输至微控制器，利用PID控制算法计算结果，并通过使能信号和脉宽调制方式控制双路BUCK变换器输出，使半导体制冷器电源方向形成正向驱动或者反向驱动回路；实现半导体致冷器加热或者致冷的换向和满足不同功率半导体制冷器的应用，同时利用电流高端检测电路和电压放大电路对双路BUCK变换器输出连接至半导体致冷器进行过流和过压实时检测，使双路BUCK变换器输出形成双路闭环反馈，保证对检测装置精确控温，有效防止半导体制冷器因过压或过流而损坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学发光检测装置双向控温系统，属于电化学发光免疫分析控温技术领域。
背景技术
电化学发光免疫分析技术是继放射免疫、酶免疫、荧光免疫、化学发光免疫分析之后的新一代标记免疫分析技术，是目前非常先进的标记免疫分析技术，具有灵敏度高、线性范围广、特异性优异、稳定性好和精度高等优点，为临床检验工作提供全新的技术手段。
在电化学化学发光免疫分析仪的核心部件为发光检测装置，承载反应液的测量池嵌套在检测装置内。由于反应液进行电化学反应时需要恒定室温环境，对温度环境非常敏感，当局部温度发生波动时，易导致反应液反应不充分，出现温度过高或者过低，直接导致反应液活性失效，从而直接影响测量稳定性和精度，因此对发光检测装置中实现精确控温尤为重要。
现有半导体制冷器温控主要采用开关模式控制：(1)采用继电器或者功率型MOS控制方式，可适合单向控制、输出大功率及控制方式简便，其缺点是功能单一，无法满足双向控温，应用于工作环境中温度有变化的场合，无法满足恒定控温；(2)采用专用高效热电冷却器芯片控制方式，可实现双向控温，其缺点是工作电压较低，不适合大功率下快速变温。(3)采用全桥或者半桥驱动芯片外接多个MOS管控制方式，可以实现双向控制和输出大功率，对于输出保护采用低端检测来监测过流，其缺点是外围电路复杂，一旦死区控制不合理，易产生震荡，输出纹波大，对半导体制冷器冲击大，采用低端检流方式产生误差大及对于负载多个故障状态无法检测。其缺点是外围电路繁多，由于外部MOS器件开启和关断有延时及多个器件一致性存在误差的原因，一旦死区时间和PWM信号逻辑控制不合理，会出现上下桥臂MOS管同时导通的现象，直接导致短路。
发明内容
为了满足电化学发光检测装置中对于温度控制的高精度要求以及大功率需求场景的适应，本发明提供一种电化学发光检测装置双向控温系统，包括微控制器、双路BUCK变换器、半导体制冷器、电化学发光检测装置、散热器、温度传感器、温度检测电路及过流和过压保护电路构成，利用温度传感器采集检测装置中的温度变化经温度检测电路转化成模拟电压信号，输入到模数转换电路传输至微控制器，利用PID控制算法，微控制器将计算结果，通过脉宽调制方式来控制双路BUCK变换器输出，使半导体制冷器电源形成正向驱动或者反向驱动回路和输入电压自动调节，从而来控制半导体致冷器加热和致冷，同时利用电流高端检测电路和电压放大电路对双路BUCK变换器输出连接至半导体致冷器进行过流和过压实时检测，从而使双路BUCK变换器输出形成双路闭环反馈，保证对检测装置精确控温，有效防止半导体制冷器因过压或过流而损坏。
本发明提供的电化学发光检测装置双向控温系统，包括：微控制器1、双路BUCK变换器2、散热器3、半导体制冷器4、电化学发光检测装置5、温度传感器6、温度检测电路7、过流及过压保护电路8；
其中，所述微控制器1的输入端与所述温度检测电路7相连，所述温度检测电路7与所述温度传感器6相连，所述微控制器1的输出端与所述双路BUCK变换2器的输入端相连，所述双路BUCK变换器2输出端串入检流电阻11后连接所述半导体制冷器4，同时与所述过流及过压保护电路8的输入端相连，所述过流及过压保护电路8的输出端与所述微控制器1的另一输入端相连；所述散热器3贴放在半导体制冷器4上部。
可选的，所述系统在半导体制冷器4从加热切换到制冷或者制冷切换到加热时，所述双路BUCK变换器2内部通过两块同步降压芯片集成的四个MOS管构造H桥电路，两块同步降压芯片的输出脚分别连接电感，一路经过检流电阻11连接至半导体制冷器4供电电源端，另一路连接所述过压检测电路10；其双路BUCK变换器2的使能信号和PWM信号分别受微控制器1控制，系统运行过程中，先将双路BUCK变换器中两块同步降压芯片两组使能信号设置为高电平，然后将两组PWM信号中的一组PWM信号设置为开启，另一组PWM信号设置为关闭，使一路BUCK变换器输出有电压，另一路BUCK变换器输出为0V，反之通过两组PWM信号相互切换，实现半导体制冷器4供电电源行成正向或者反向驱动回路，从而达到对半导体制冷器4加热或者致冷控制。
可选的，所述过流及过压保护电路8包括高端电流检测电路9和过压检测电路10，将一路BUCK变换器中使能信号和PWM信号设置开启，利用过压检测电路10采集到BUCK变换器的输出电压，传输至微控制器1中的模数转换单元13进行计算转换，当检测电压为正常时，利用微控制器1将另一路BUCK变换器使能信号进行微小延时打开，再对输出PWM信号进行关闭，同时利用高端电流检测电路9实时检测流过双路BUCK变换器的电流的大小，当检测到为异常时，立即关闭两路BUCK变换器中的使能信号，使双路BUCK变换器处于关闭状态。
可选的，所述双路BUCK变换器2中的同步降压芯片采用AOS输出可调式开关稳压器AOZ5166QI-01，内部集成两个不对称MOSFET。
可选的，所述微控制器1包括PID控制单元12、模数转换单元13、数字量输出单元14、脉冲宽度调制单元15、串行通信单元16和输入控制单元17；
其中，温度检测电路7将温度传感器6采集温度转换成数字电压信号进行串行通信传输到微控制器1中，所述微控制器1利用PID控制单元12进行PID算法计算，根据计算结果控制脉冲宽度调制单元15的输出以调节双路BUCK变换器2中PWM的占空比，另外通过数字量输出单元14开启使能信号，数字量输出单元14和脉冲宽度调制单元15两者控制双路BUCK变换器2输出，实现半导体制冷器加热或者致冷；所述输入控制单元17通过RS422接口与计算机相连，通过计算机实现目标温度的设定以适应不同外部环境下温度的差异。
可选的，所述散热器3采用进出水管路中循环液进行冷却。
可选的，所述的温度检测电路7由信号放大电路和模数转换电路组成。
可选的，所述过压检测电路8中过压保护由电阻分压电路进行信号放大，将放大后的电压信号输入至微控制器1中，所述高端电流检测电路9由高端电流检测器和检流电阻组成，电流检测器采用Maxim检流放大器MAX4173，将双路BUCK变换器2串入检流电阻11连接到半导体制冷器4供电电源侧，利用高端电流检测器将流过检流电阻的电流转换成电压，将获取电压信号输入至微控制器1中，从而进一步控制和调节双路BUCK变换器输出。
可选的，控制半导体制冷器4的功率大小由微控制器1通过PWM输出占空比来调节双路BUCK变换器2输出的电压和流过半导体制冷器4的电流来决定。
可选的，所述延时开启的时长范围为0.1ms-1ms。
本发明有益效果是：
利用温度传感器采集检测装置中的温度变化经温度检测电路转化成模拟电压信号，输入到模数转换电路传输至微控制器，利用PID控制算法，微控制器将计算结果，通过脉宽调制方式来控制双路BUCK变换器输出，使半导体制冷器电源形成正向驱动或者反向驱动回路和输入电压自动调节，从而来控制半导体致冷器加热和致冷，同时利用电流高端检测电路和电压放大电路对双路BUCK变换器输出连接至半导体致冷器进行过流和过压实时检测，从而使双路BUCK变换器输出形成双路闭环反馈，保证对检测装置精确控温，有效防止半导体制冷器因过压或过流而损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的电化学发光检测装置双向控温系统的结构框图；
图2是本发明一个实施例提供的电化学发光检测装置双向控温系统的结构框图；
图3是本发明本发明提供的电化学发光检测装置双向控温系统中双路BUCK变换器和过流及过压保护电路原理图；
其中，1-微控制器、2-双路BUCK变换器、3-散热器、4-半导体制冷器、5-电化学发光检测装置、6-温度传感器、7-温度检测电路、8-过压、过流保护电路、9-高端电流检测、10-过压检测电路、11-检流电阻、12-PID控制单元13-模数转换单元、14-数字量输出单元、15-脉冲宽度调制单元、16-串行通信单元、17-输入控制单元、18-RS422接口、19-模数转换电路、20-信号放大电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种电化学发光检测装置双向控温系统，参见图1，该系统包括：微控制器1、双路BUCK变换器2、散热器3、半导体制冷器4、电化学发光检测装置5、温度传感器6、温度检测电路7、过流及过压保护电路8组成；微控制器1的输入端与温度检测电路7相连，温度检测电路7与温度传感器6相连，微控制器1的输出端与双路BUCK变换2器的输入端相连，双路BUCK变换器2的输出端串入检流电阻11后连接半导体制冷器4，同时与过流及过压保护电路8的输入端相连，过流及过压保护电路8的输出端与微控制器1的另一输入端相连；所述散热器3贴放在半导体制冷器4上部。
如图2所示，微控制器1包括PID控制单元12、模数转换单元13、数字量输出单元14、脉冲宽度调制单元15、串行通信单元16、输入控制单元17；其中，温度检测电路7将温度传感器6采集温度转换成数字电压信号进行串行通信传输到微控制器1中，利用PID控制单元12进行PID算法计算，将计算结果来控制脉冲宽度调制单元15输出，另外通过数字量输出单元14开启使能信号，数字量输出单元14和脉冲宽度调制单元15两者控制双路BUCK变换器2输出，实现半导体制冷器加热或者致冷。输入控制单元通过RS422接口与计算机相连，实现目标温度的设定，可以适应不同外部环境下温度的差异。
需要进行说明的是，PID控制单元12进行PID算法计算的过程可采用已有的PID算法实现。
双路BUCK变换器2由高效率同步降压功率级模块、自举电容、储能电感、滤波电容和RC吸收电路组成，其中降压功率级模块采用AOS输出可调式开关稳压器AOZ5166QI-01，封装体积为6mm x 6mm，具有内部集成两个不对称MOSFET、输出电流高达60A和纹波小。双路BUCK变换器分别由2两路信号输入端受微控制器1控制，输出端经过检流电阻连接至半导体制冷器4供电电源。具体控制过程为一路BUCK变换器输入使能信号和输入PWM信号为开启；另一路BUCK变换器使能信号输入为开启，输入PWM信号为关断，使半导体制冷器供电电源行成正向驱动回路，其输入供电电源的大小受PWM信号的脉冲宽度调制来调节；反之为反向驱动回路，即可实现对半导体制冷器加热或者致冷控制。
双路BUCK变换器2由两块高效率同步降压芯片、自举电容、滤波电路组成，其中同步降压芯片采用降压功率级AOZ5166QI-01，封装6mm x 6mm，具有内部集成两个不对称MOSFET、输出电流高达60A和体积小特点；滤波电路中的电感采用储能电感，可满足大电流输出，电容可采用高频低阻电解电容，滤波效果好。双路BUCK变换器2内部实现通过两块同步降压芯片集成的四个MOS管来构造H桥电路，两块同步降压芯片的BOOT脚各接一个自举电容，两块同步降压芯片的VSWH各接一个电感和并联一个电容，两块同步降压芯片的输出脚VSWH分别连接电感一路经过检流电阻连接至半导体制冷器4供电电源端，另一路连接过压检测电路10，其双路BUCK变换器2的使能信号和PWM信号分别受微控制器1控制。具体控制过程为先将双路BUCK变换器中两块同步降压芯片两组使能信号设置为高电平，然后将两组PWM信号中的一组PWM信号设置为开启，另一组PWM信号设置为关闭，使一路BUCK变换器输出有电压，另一路BUCK变换器输出为0V，反之通过两组PWM信号相互切换，实现半导体制冷器供电电源行成正向或者反向驱动回路，从而达到对半导体制冷器加热或者致冷控制，其控制半导体制冷器的功率大小由双路BUCK变换器2中PWM输出电压和流过半导体制冷器的电流大小来决定。
为了保证半导体制冷器从加热切换到制冷或者制冷切换到加热正常的输出，此处在控制使能信号开启时需要做延时处理，具体逻辑为将一路BUCK变换器中使能信号和PWM信号设置开启，利用过压检测电路10来实时检测BUCK变换器的输出电压的大小，将采集到电压信号反馈至微控制器1，有利于对BUCK变换器精确输出，当此路检测为正常时，利用微控制器1将另一路BUCK变换器使能信号进行微小延时打开，再对输出PWM信号进行关闭，同时电压检测电路10也可实时检测该路BUCK变换器的输出状态，当检测到为异常时，可立即关闭两路BUCK变换器中的使能信号，使双路BUCK变换器处于关闭状态，起到很好保护作用，其中微小延时的时长设置范围可设置为0.1ms-1ms。以上消除因双路BUCK变换器2中的两块同步降压芯片本身一致性的误差、内部集成H桥因MOS导通延迟和PMM信号逻辑切换不当带来H桥臂上下MOS导通问题。
所述的半导体制冷器4贴放在电化学发光检测装置5的上表面，散热器3贴放在半导体制冷器4上部，将半导体制冷器4的热量传递到散热器3上。
所述的散热器3采用进出水管路中循环液进行冷却，其作用带走半导体制冷器4产生的热量。
所述的温度传感器6用来采集电化学发光检测装置4中的温度，并将其转变为模拟电压信号。
所述的温度检测电路7由信号放大电路和模数转换电路组成，将温度传感器6经过信号放大电路转换成模拟电压信号，连接至模数转换电路转换成数字电压信号，通过串行通信连接到微控制器1中。
所述的过流及过压保护电路8中过压保护电路由电阻分压电路进行信号放大，将电压信号输入至微控制器1中模数转换单元13进行计算转换，过流保护电路由高端电流检测器和检流电阻组成，电流检测器采用Maxim检流放大器MAX4173，具有低失调、低成本和高精度特性，将两路BUCK电路2串入检流电阻11连接到半导体制冷器4供电电源侧，利用高端电流检测器将流过检流电阻的电流转换成电压，将获取电压信号输入至微控制器1中模数转换单元13进行计算转换，从而进一步控制和调节双路BUCK变换器输出。
图3是本实施例提供的用于电化学发光检测装置双向控温系统中双路BUCK变换器和过流及过压保护电路原理图。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电化学发光检测装置双向控温系统，其特征在于，所述系统包括：微控制器(1)、双路BUCK变换器(2)、散热器(3)、半导体制冷器(4)、电化学发光检测装置(5)、温度传感器(6)、温度检测电路(7)、过流及过压保护电路(8)；
其中，所述微控制器(1)的输入端与所述温度检测电路(7)相连，所述温度检测电路(7)与所述温度传感器(6)相连，所述微控制器(1)的输出端与所述双路BUCK变换(2)器的输入端相连，所述双路BUCK变换器(2)输出端串入检流电阻(11)后连接所述半导体制冷器(4)，同时与所述过流及过压保护电路(8)的输入端相连，所述过流及过压保护电路(8)的输出端与所述微控制器(1)的另一输入端相连；所述散热器(3)贴放在半导体制冷器(4)上部。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统在半导体制冷器(4)从加热切换到制冷或者制冷切换到加热时，所述双路BUCK变换器(2)内部通过两块同步降压芯片集成的四个MOS管构造H桥电路，两块同步降压芯片的输出脚分别连接电感，一路经过检流电阻(11)连接至半导体制冷器(4)供电电源端，另一路连接所述过压检测电路(10)；其双路BUCK变换器(2)的使能信号和PWM信号分别受微控制器(1)控制，系统运行过程中，先将双路BUCK变换器中两块同步降压芯片两组使能信号设置为高电平，然后将两组PWM信号中的一组PWM信号设置为开启，另一组PWM信号设置为关闭，使一路BUCK变换器输出有电压，另一路BUCK变换器输出为0V，反之通过两组PWM信号相互切换，实现半导体制冷器(4)供电电源行成正向或者反向驱动回路，从而达到对半导体制冷器(4)加热或者致冷控制。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述过流及过压保护电路(8)包括高端电流检测电路(9)和过压检测电路(10)，将一路BUCK变换器中使能信号和PWM信号设置开启，利用过压检测电路10采集到BUCK变换器的输出电压，传输至微控制器(1)中的模数转换单元13进行计算转换，当检测电压为正常时，利用微控制器(1)将另一路BUCK变换器使能信号进行微小延时打开，再对输出PWM信号进行关闭，同时利用高端电流检测电路(9)实时检测流过双路BUCK变换器的电流的大小，当检测到为异常时，立即关闭两路BUCK变换器中的使能信号，使双路BUCK变换器处于关闭状态。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述双路BUCK变换器(2)中的同步降压芯片采用AOS输出可调式开关稳压器AOZ5166QI-01，内部集成两个不对称MOSFET。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述微控制器(1)包括PID控制单元(12)、模数转换单元(13)、数字量输出单元(14)、脉冲宽度调制单元(15)、串行通信单元(16)和输入控制单元(17)；
其中，温度检测电路(7)将温度传感器(6)采集温度转换成数字电压信号进行串行通信传输到微控制器(1)中，所述微控制器(1)利用PID控制单元(12)进行PID算法计算，根据计算结果控制脉冲宽度调制单元(15)的输出以调节双路BUCK变换器(2)中PWM的占空比，另外通过数字量输出单元(14)开启使能信号，数字量输出单元(14)和脉冲宽度调制单元(15)两者控制双路BUCK变换器(2)输出，实现半导体制冷器加热或者致冷；所述输入控制单元(17)通过RS422接口与计算机相连，通过计算机实现目标温度的设定以适应不同外部环境下温度的差异。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述散热器(3)采用进出水管路中循环液进行冷却。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的温度检测电路(7)由信号放大电路和模数转换电路组成。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述过压检测电路(8)中过压保护由电阻分压电路进行信号放大，将放大后的电压信号输入至微控制器(1)中，所述高端电流检测电路(9)由高端电流检测器和检流电阻组成，电流检测器采用Maxim检流放大器MAX4173，将双路BUCK变换器(2)串入检流电阻(11)连接到半导体制冷器(4)供电电源侧，利用高端电流检测器将流过检流电阻的电流转换成电压，将获取电压信号输入至微控制器(1)中，从而进一步控制和调节双路BUCK变换器输出。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，控制半导体制冷器(4)的功率大小由微控制器1通过PWM输出占空比来调节双路BUCK变换器(2)输出的电压和流过半导体制冷器(4)的电流来决定。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述延时开启的时长范围为0.1ms-1ms。
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