ITO薄膜微流体芯片的温控系统设计*

赵深林，田学隆，梁春燕

（重庆大学生物工程学院，重庆 400030）

0 引言

氧化铟锡（ITO）薄膜作为一种透明导电氧化物对可见光透光率达69%，具有电阻率低、可作导电加热膜的特性，对ITO进行通电加热，其温度分布均匀［1］。因此，ITO广泛应用于需要实时显微观察的微流体芯片制作。在进行微流体芯片聚合酶链反应（PCR）实验或其他芯片内细胞实验过程中，温度控制是实验成功进行的关键，并且温度的实时记录对后期分析实验结果具有重要作用。

ITO薄膜在100℃下温度和阻抗之间具有很好的线性关系。吴志勇等人利用此特性，以ITO薄膜为温度传感器，制备了自加热和温度传感一体化的ITO芯片，但具体温控系统在工程实现方面未见说明［2，3］。虽然微流体芯片的温度自动控制系统研制方面，已有相关研究，但温度控制精度还有待提高，在温度实时记录和保存方面的研究也还尚未见报道［4］。

本文对比了采用ITO薄膜作温度传感和数字温度传感器两种测温方案，并采用数字温度传感器设计开发了用于ITO基材微流体芯片的恒温控制系统。该系统采用USB接口与上位机通信，通过上位机可实时监测、控制ITO薄膜上的温度，并能根据需要对温度数据进行存储，有利于后期实验分析，并且操作简单，通用性强，易于在微流体芯片实验室使用。

1 系统硬件设计

ITO薄膜恒温控制系统模块框图如图1所示。系统首先采集ITO薄膜温度，然后与设定的目标温度比较后，MCU（微型控制单元）输出相应控制信号控制加热驱动电路对ITO薄膜加热，实现恒温控制。同时，实测ITO薄膜温度和目标温度一方面通过LED数码管实时显示，另一方面，通过USB接口传输到PC机。

系统的核心为MCU，控制温度采集及加热驱动，管理键盘输入，负责下位机和上位机之间的USB通信等。因此，本文采用C8051F340单片机。其内部集成的通用串行总线控制器（USB）符合USB 2．0规范，可以全速或低速工作，集成了收发器和端点FIFO RAM，无需外加USB控制器便可实现 USB 通信［5］。

1．1 温度采集模块

图1 系统模块框图Fig 1 Block diagram of system module

ITO薄膜阻抗与温度间具有很好线性关系，利用这一特性，通过测量ITO薄膜电阻值可实现薄膜温度测量，即在ITO薄膜边缘用铜箔焊接后接入惠登斯电桥，当温度变化时，电桥输出差分电压对应发生变化，采用仪用放大器放大，经过A/D转换后输入MCU。再利用查表法或线性计算根据A/D转换值推算出对应温度值［6］。但是，ITO薄膜制备时的退火温度及其退火环境均影响其阻抗特性，即ITO薄膜阻抗特性受制备工艺影响［7］。因此，采用ITO薄膜温阻特性研制的温控系统，要求ITO薄膜具有相同的制备工艺，兼容性不强。

本文采用数字温度传感器DS18B20测温，对ITO薄膜制备工艺没有特别要求。DS18B20为单总线输出控制温度传感器，可直接将被测物温度转换为数字信号，抗干扰能力强。精度高，转换分辨率最大可达 12位，测温范围为－55～125℃，适合测量微流体芯片温度。

1．2 加热驱动模块

利用三极管的开关特性，通过MCU输出PWM信号控制三极管的开闭，控制ITO薄膜加热。ITO薄膜在加热过程中，消耗功率较大，采用MOSFET管驱动。单片机输出PWM电平标准为3．3 V，MOSFET理想工作电平为10V标准，因此，采用三极管实现电平转换。在MOSFET管导通状态下，对ITO薄膜进行通电，实现加热。

1．3 人机交互

本文采用应用广泛的通用串行接口USB 2．0完成上位机与下位机通信，实现上位机实时监控下位机。用户可以方便的将该温控系统与电脑连接，仅需在电脑上安装一个应用程序即可实现实时温度监控。

系统下位机采用三按键操作输入，分别为增加、减少，以及位选择功能键，用户可以方便实现控制目标温度的设定。测量温度和设定温度采用独立的三位LED数码管显示，可以实时对比观察。

2 软件设计

系统软件设计主要包括下位机和上位机软件设计两部分。下位机实现DS18B20温度传感器实时测温，管理键盘输入、LED显示及与上位机实时USB通信;上位机软件设计主要是图形用户界面的编写，本文基于Visual Basic 6．0编程开发。在图形用户界面，实现ITO薄膜温度变化曲线的实时绘制，目标温度的设定，以及根据需要存储记录温度数据。

2．1 下位机软件设计

2．1．1 改进的PID控制算法设计与实现

ITO薄膜通电加热时，升温快，断电后降温也快。本文对PID控制算法做了改进，采用将模糊分档控制与改进的增量式PID控制相结合的方法，实现了两种控制方法的优势互补，且计算量小，易于单片机实现。具体算法实现框图如图2所示，当偏差|e|=|y（t）－r（t）|大于e0，对ITO持续通电或停止通电，使系统拥有粗调快速的优点;当偏差|e|小于e0时，系统采用改进增量式PID控制［8］。其中，y（t）和r（t）分别为t时刻实测温度值和目标温度值。

图2 改进的PID控制原理Fig 2 Principle of improved PID control

图3 改进PID算法的实现流程Fig 3 Realization process of improved PID algorithm

软件实现流程图如图3所示，设置静态变量数组保存输入偏差值以及最近几次偏差值，采用全局变量保存当前设定目标温度。根据上述计算原理计算当前控制量输出，即PWM占空比D，同时更新静态变量数组中的偏差值，用于下一次控制量计算。

2．1．2 系统实现

系统上电后，单片机首先对内部振荡器、内部稳压器、中断等初始化，然后通过单总线控制DS18B20传感器测温，测得温度放入缓存中，待缓存满则产生USB控制器的发送中断将数据发送到上位机。同时，每次测量温度与设定的目标温度比较，得出偏差。偏差小于预先设定的初值e0（本系统设定初值为1℃）时调用PID控制子程序，返回的控制量控制PCA计数值的更新，从而调节PWM输出的占空比，控制ITO薄膜接入加热电路时间实现恒温控制。

下位机软件实现流程图如图4所示，系统在每次测温完成后扫描按键，判断是否设定新的目标温度。测量温度和目标温度的显示，采用定时器中断控制。定时器中断服务程序控制数字LED分时点亮实现动态显示。系统开始运行后处于循环运行状态，因此，启用单片机自带的看门狗模块功能，使在程序异常运行出错情况下能自动恢复正常。

图4 下位机软件实现流程图Fig 4 Realization flow chart of lower computer software

2．2 上位机软件设计

Visual Basic 6．0开发工具提供了丰富的控件可直接调用，上位机使用Visual Basic工具开发用户界面［9］。本文采用Picture Box控件显示实测温度，Text控件设定目标温度。使用定时器定时，每隔1 s读取USB接收缓冲区数据，即实测温度，显示在Picture Box控件中，并用Line命令连接相邻两次测量值，得到实测温度曲线。此外，本文还增加了绘制栅格、停止、保存等功能，采用Command Button控件实现，点击这些控件发出相应命令，使界面更人性化。USB接口通信操作，通过调用Silicon公司提供的C8051F340单片机USB通信开发包中的API（应用程序接口）函数实现，具体包括检测USB器件、读取USB数据缓冲区、写数据缓冲区等功能操作。

3 实验结果

系统监测ITO薄膜温度变化曲线如图5所示，三条曲线分别为温度设定40，50，60℃时的监测曲线，薄膜的初始温度均在30℃以下。在温度升高至与目标温度相差1℃前，系统处于全速加热模式;温度超过目标温度1℃时，系统停止加热;温度处于目标温度1℃范围内时，由PID控制器控制ITO薄膜温度。图中，三条曲线为ITO薄膜温度变化曲线，数据由上位机存储功能获取;虚线表示温度界限，分别为各目标温度的±0．2℃。由图可知，ITO薄膜最终恒定温度在目标温度偏差±0．2℃范围内，因此，该系统温度控制精度可达±0．2℃。

图5 ITO薄膜温度变化曲线Fig 5 Temperature variation curve of ITO film

4 结论

本文以C8051F340单片机为控制核心，成功研制了ITO薄膜基材的微流体芯片温控系统。系统采用数字温度传感器测温，USB接口与上位机通信。在上位机，用户通过用户界面可实时监控ITO薄膜温度，并存储监控温度，益于微流体芯片实验后期分析。系统温度控制精度高达±0．2℃，可以广泛应用于ITO薄膜基材的微流体芯片实验中监控芯片温度。

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