Σχεδιασμός και κατασκευή ψηφιακού-αναλογικού συστήματος για σταθεροποίηση θερμοκρασίας σε κυτταρική κυψέλη

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική σχεδιάστηκε ένα ψηφιακό-αναλογικό σύστημα, το οποίο διατηρεί σε σταθερή θερμοκρασία βιολογικά δείγματα για τις ανάγκες του εργαστηρίου Βιοϊατρικής Οπτικής και Εφαρμοσμένης Βιοφυσικής. Το σύστημα που σχεδιάστηκε στηρίζεται σε ένα θερμοηλεκτρικό στοιχείο, το οποίο δίνει τη δυνατότητα διατήρησης της θερμοκρασίας με έλεγχο του ρεύματος που το διαρρέει. Για τον έλεγχο του ρεύματος κατασκευάστηκε ένας dc σε dc παλμικός μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (buck converter). Το κύκλωμα του ελέγχου κλείνει μέσω ενός αισθητήρα RTD συνδεδεμένου σε ένα αναλογικό κύκλωμα που ως έξοδο δίνει διαφορά τάσης. Για την μετατροπή αυτής της τάσης σε θερμοκρασία και τον έλεγχο του duty cycle του παλμικού τροφοδοτικού χρησιμοποιήθηκε ο μικροεπεξεργαστής C8051F411. Ο χρήστης της εφαρμογής που κατασκευάσαμε έχει την δυνατότητα να επικοινωνεί με τον μικροεπεξεργαστή μέσω μιας οθόνης αφής (ulcd32pt_gfx2). Μέσω της οθόνης, ο χρήστης λαμβάνει δεδομένα σε μορφή γραφικής παράστασης και εισάγει την επιθυμητή θερμοκρασία. Επομένως δεν απαιτείται σύνδεση του συστήματος με υπολογιστή στοιχείο που καθιστά την εφαρμογή εύχρηστη και αυτόνομη. Ο μικροεπεξεργαστής C8051F411 προγραμματίστηκε ώστε να συγχρονίζει τα επιμέρους κυκλώματα, να επικοινωνεί με την οθόνη αφής μέσω του UART και να πραγματοποιεί τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Ο έλεγχος της γίνεται με έναν ευριστικό αλγόριθμο κατάλληλο για τον 8-bit μικροεπεξεργαστή μας. Απεδείχθη με βάση τις μετρήσεις που έγιναν, ότι η ακρίβεια της θερμοκρασίας είναι της τάξης του 0,3οC. Τέλος αξίζει να αναφερθεί ότι ο μικροεπεξεργαστής προγραμματίστηκε σε γλώσσα c και η οθόνη αφής στην γλώσσα που την συνόδευε.

The main object of the present thesis was the design of a digital-analog system, which keeps biological samples at a constant temperature for the needs of the Biomedical Optics and Applied Biophysics Laboratory. The designed system is based on a thermoelectric module, which has the ability to adjust the temperature according to the current that flows through it. A dc-dc switch mode power supply was used for the control of the current. The control circuit is completed through an RTD sensor, which is connected to an analog circuit which has voltage as output. The microprocessor C8051F411 is used for the conversion of this voltage to temperature and the control of the duty cycle of the switch mode power supply. The user has the ability to communicate with the microprocessor via a touch screen (ulcd32pt_gfx2). Through the screen, the user receives data in graphical form and enters the desired temperature. Therefore a connection to the computer is not required. That makes the application easy to use. The microprocessor C8051F411 was programmed to synchronize the individual analog circuits, to communicate with the touch screen via the UART and to control the temperature. The control of the temperature is accomplished through a suitable algorithm for our 8-bit microprocessor. According to the measurements that took place, the accuracy of the temperature is 0,3οC. Finally, it is worth mentioning that the microprocessor was programmed in c and the touchscreen in its programming language.