高精密微量注射自动控制系统的制作方法

本发明属于生化分析仪的自动化控制应用领域，涉及一种高精密微量注射自动控制系统，能实现高精密微量(微升级别)的抽取、注射检测液。

背景技术：

微生物发酵过程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础，微生物发酵过程是及其复杂的生化过程，生化过程中各种组分的浓度在线分析显得就更加重要，根据组分分析结果调整发酵参数对于提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率有重要意义。

微生物发酵多组分浓度在线监控仪的注射装置在整个仪器中是非常关键的一部分，注射装置在检测过程中的主要工作有高精密、微量抽样、打样以及清洗注射针的内外壁；高精密微量注射与生化分析仪的检测精度密不可分，目前高精密微量注射是很难实现的一个技术，本发明高精密微量自动控制的注射仪器系统可以实现检测过程中移液针的高精密微量抽取与注射检测液。

技术实现要素：

本发明为解决背景技术中存在的问题，提出了一种高精密微量注射自动控制系统。

技术方案：

一种高精密微量注射自动控制系统，系统包括精密柱塞泵、嵌入式控制系统、步进电机、塑料连接管、移液针，嵌入式控制系统发出脉冲控制，步进电机基于脉冲控制精密柱塞泵；精密柱塞泵通过塑料连接管同移液针连接，精密柱塞泵控制液体的抽取和注出实现移液。

优选的，移液过程包括以下步骤：

s1、设定加速度a1、减速度a2、取空气脉冲k1数值，计算取液脉冲k数值和匀速速度vm；

s2、抽取空气柱；

s3、抽取液体：

s3-1、加速抽取过程；

s3-2、匀速抽取过程；

s3-3、减速抽取过程；

结束。

优选的，脉冲k的数值获取方法为：

k＝v*m/c

其中，v为目标取液量，c为柱塞泵容量，m为精密柱塞泵走完全部量程所需脉冲数。

优选的，它还包括注射时间t控制，均速速度vm通过下式获得：

式中，k为设定的取液脉冲数值，vm为匀速速度，a1为设定的加速度，a2为设定的减速度；在时间t为设定情况下，通过上式方程获得vm以实现注射时间t控制。

优选的，确定当目标取液量v＝最小抽取量，且m1+m2＝k时，加速度a1和减速度a2；以该情况下的加速度a1、减速度a2作为精密柱塞泵启动时的加速度和停止时的减速度。

具体的：

优选的，通过不断自动修改寄存器crr的值来改变脉冲频率，进而连续控制精密柱塞泵的速度变化；不改变寄存器crr的值时，精密柱塞泵的速度保持匀速不变。

优选的，加速度a1>减速度a2，防止精密柱塞泵速度减少到零的时候产生抖动现象。

优选的，步进电机采用细分驱动，该系统应用于微生物发酵多组分在线分析仪的检测液或标准液的高精密注射；在线分析仪的主控系统包括嵌入式控制系统、电机驱动控制模块和嵌入式数据采集模块；在电机驱动控制模块中通过采用电机细分驱动和高精密微量注射自动控制；电机驱动模块包括多个步进电机驱动，步进电机驱动受主芯片1输出控制并作用于执行单元，步进电机驱动包括三个蠕动泵驱动、机械臂水平运动电机驱动、机械臂垂直运动电机驱动和柱塞泵驱动，分别用于取样、清洗和排除废液；机械臂水平运动电机通过控制机械臂的水平运动实现移液针的水平位移；机械臂垂直运动电机通过控制机械臂的垂直运动实现移液针的垂直位移；柱塞泵为移液针提供液体抽取和注出动力；高精密微量注射自动控制系统可以保证微生物发酵多组分在线分析仪标准样和检测样的高精度进样。

本发明的有益效果

本发明连续控制速度过程防止柱塞泵产生丢步、堵转的现象，从而实现控制移液针高精密微量抽取或注射，并防止精密柱塞泵速度减少到零的时候产生抖动现象。

附图说明

图1为本系统移液过程的操作流程图

图2为本发明连续控制速度过程原理示意图

图3为本发明所用连续控制速度过程速度变化示意图

图4为一种不理想的连续控制速度过程速度变化示意图(达到匀速速度，且加速步数+减速步数＝总步数)

图5为一种不理想的连续控制速度过程速度变化示意图(未达到匀速速度)

图6为移液针抽取空气柱与检测液示意图

图7为实施例中本发明的具体应用系统框图

图8为实施例中本发明在微生物发酵多组分分析仪的具体应用示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

本发明公开了一种高精密微量注射自动控制系统，系统包括精密柱塞泵、嵌入式控制系统、步进电机、塑料连接管、移液针，嵌入式控制系统发出脉冲控制，步进电机基于脉冲控制精密柱塞泵；精密柱塞泵通过塑料连接管同移液针连接，精密柱塞泵通过控制液体的抽取和注出实现移液。在移液针抽取空气柱(结合图6，为了实现高精密注射，移液针在抽取检测液前必须要抽取一定体积的空气柱，设定抽取空气柱的步数为k1，使用上述连续控制速度过程抽取空气柱，在注射检测液时精密柱塞泵所走步数为k+k1步，使所抽取的检测液完全注射到检测池中，不会产生残留影响实验结果)、移液针抽取检测液、移液针注射检测液时都会采用连续控制速度过程，从而使移液针高精密微量的抽取或注射。结合图1，移液过程包括以下步骤：

s1、设定加速度a1、减速度a2、取空气脉冲k1数值，计算取液脉冲k数值和匀速速度vm；

s2、抽取空气柱；

s3、抽取液体：

s3-1、加速抽取过程；

s3-2、匀速抽取过程；

s3-3、减速抽取过程；

结束。

连续控制速度过程可能有三种情况：第一种如图3，正是本发明采用的速度控制方式；第二种如图4，精密柱塞泵在加速阶段所走步数为全部步数的一半，速度达到希望的速度vm，精密柱塞泵在下个脉冲直接进入减速阶段；第三种如图5，精密柱塞泵在加速阶段没有达到希望的速度vm时已经走完全部步数的一半，精密柱塞泵在下个脉冲直接进入减速阶段。

本发明的连续控制速度过程分为启动过程，匀速过程，停止过程，如图2所示，所述步进电机由嵌入式系统中定时器发出脉冲控制，通过不断自动修改寄存器crr的值来改变脉冲频率，进而连续控制精密柱塞泵的速度变化，达到连续控制速度的过程；在启动过程精密柱塞泵从低速启动快速到达一定速度，然后到达匀速过程，最后进入停止过程，精密柱塞泵从一定速度缓慢减小到停止运转，停止时的加速度小于启动时的加速度，这样会防止移液针产生抖动现象。

为保证发明实施过程中包括启动过程、匀速过程、停止过程，以及停止时的加速度小于启动时的加速度。本申请提出了一系列控制策略：

它包括脉冲k的数值获取方法：

k＝v*m/c

其中，v为目标取液量，c为取液针容量，m为精密柱塞泵走完全部量程所需脉冲数。

它还包括注射时间t控制，均速速度vm通过下式获得：

式中，k为设定的取液脉冲数值，vm为匀速速度，a1为设定的加速度，a2为设定的减速度；在时间t为设定情况下，通过上式方程获得vm以实现注射时间t控制。

它还包括根据加速度a1、匀速速度vm获得加速所走步数m1；根据减速度a2、匀速速度vm获得减速所走步数m2；比较m1和m2获得加减速策略：

-如图3所示，若m1+m2<k，则连续控制速度过程首先进入启动过程，然后进入匀速过程，最后停止过程；

-如图4所示，若m1+m2＝k，则连续控制速度过程首先进入启动过程，达到匀速速度vm，立即进入停止过程；

-如图5所示，若m1+m2>k，则连续控制速度过程首先进入启动过程，未达到匀速速度vm，当加速步数走完直接进入停止过程。

鉴于图4和图5属于不理想的连续控制速度过程，为确保实施过程落入图3所示理想的连续控制速度过程。采用如下方法：令目标取液量v＝最小抽取量(如5ul)，通过实验获得当m1+m2＝k时，实际加速度a1和减速度a2；以该情况下的加速度a1、减速度a2作为精密柱塞泵启动时的加速度和停止时的减速度。由于其它情况下的抽取体积会大于5ul，步数k也就大于5ul时的步数，在不改变加减速和最大速度的情况下都能满足第一种策略。

其中：

本发明连续控制速度过程是在停止过程会不断自动修改寄存器ccr的值，使输出脉冲频率不断减小，精密柱塞泵的速度会按照减速度a2不断减小，精密柱塞泵在走m2步后速度达到0，精密柱塞泵减速度a2的是小于精密柱塞泵速度增加的加速度a1，防止精密柱塞泵速度减少到零的时候产生抖动现象。

结合图7，作为一种高精密微量注射自动控制系统在微生物发酵多组分浓度在线分析中的应用，系统还包括嵌入式控制系统、精密电源、电压转换电路、温度信息采集电路、存储电路、多个驱动电路、电机驱动模块和嵌入式数据采集模块；该系统可应用于微生物发酵多组分在线分析仪的检测液或标准液的高精密注射。在线分析仪的主控系统包括嵌入式控制系统、电机驱动控制模块和嵌入式数据采集模块。

在电机驱动控制模块中通过采用电机细分驱动和高精密微量注射自动控制。电机驱动模块包括多个步进电机驱动，步进电机驱动受主芯片1输出控制并作用于执行单元，步进电机驱动包括三个蠕动泵驱动、机械臂水平运动电机驱动、机械臂垂直运动电机驱动和柱塞泵驱动，分别用于取样、清洗和排除废液；机械臂水平运动电机通过控制机械臂的水平运动实现移液针的水平位移；机械臂垂直运动电机通过控制机械臂的垂直运动实现移液针的垂直位移；柱塞泵为移液针提供液体抽取和注出动力；

高精密微量注射自动控制系统可以保证微生物发酵多组分在线分析仪标准样和检测样的高精度进样。

结合图8，各液体管路均为塑料连接管，标样池中储存已知浓度的标准液体、取样池中储存待测液体，取样机械手和高精密微量注射自动控制系统控制移液针进行自标样池或取样池的取液操作；移液针在取样机械手和高精密微量注射自动控制系统的控制下还进行对检测池的注液操作；清洗池中储存清洗液体，缓冲液在蠕动泵的作用下进行清洗；多组分检测池通过出料泵(蠕动泵)连接废液罐，将废弃液排除。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。