单片机电磁铁式微流体驱动控制系统设计(4)
表面张力 无 能 25mm/s 几百毫伏电压 否 原理阶段
热（气泡） 无 能 0.5nL/min 几十伏电压 通用 研发阶段
离心力 无 能 0.5nL/s～0.1mL/s 马达 通用 研发阶段
1.2 研究内容
本文采用微流体脉冲驱动-控制技术，微流体脉冲驱动-控制技术通过人为地产生和运用可预测、可控制的小幅间歇急变脉冲运动序列，来解决微流体系统中的流动容易陷入不正常的问题，形成合理的间歇急变脉冲运动形态。实施上述方法的装置原理性系统由一个含有微流道的流路本体和一个整体作动器组成。整体作动器应有良好的动态响应特性，大的驱动力，能使流路本体获得瞬间的绝对值足够的大的加速度[9]。采用微流体脉冲驱动方式适用性广，包括各种液体和粉体；流动分辨率高达分升级；脉冲量规整、序列可控的数字化流动；可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断，工作条件利于保持生物活性；结构简单、成本低。
电磁铁是一种常见的执行机构，是将电磁能转换为机械能的一种装置。电磁铁主要由线圈、铁芯及衔铁三部分组成。当线圈通电后，铁芯和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。根据电磁原理，可通过控制线圈中电流大小来控制电磁力大小。通常情况下它具有非线性的控制特性和较大的电气时间常数，因此多用于只需进行开关控制的场合，如电磁继电器、电磁吸盘等。近年来，随着控制技术的发展，人们通过优化磁路结构，施加预偏置磁场、以及控制器校正等手段，发挥电磁铁输出力大，可进行非接触式的运动控制等优点将其应用于精密运动控制、主动式电磁轴承、隔振、以及风洞模型悬浮等领域取得不少成果[10-14]。
本课题使用电磁铁作为作动器，将作动器安装在流路本体的外部。这样，就可能采用尺寸较大的整体作动器，以获得足够的驱动力，为流路本体及其微流道固壁获得绝对值足够大的加速度提供了有力的保证。
2 电磁铁驱动控制的硬件电路设计
为了能实现电磁铁线圈两端电源自动通断电，从而控制电磁铁铁芯往复运动，本文设计了基于单片机的电磁铁作动器驱动控制电路。
系统中驱动控制电路有体积小、功耗小、价格低廉以及控制功能强的要求，单片机作为微控制器具有功能强大、应用电路成熟、软件编写环境简单、价格低廉等特点能满足电路设计要求，电路设计中选用单片机进行控制。
整个驱动电路采用单片机最小系统实现预想功能，通过单片机发送矩形波信号控制电磁铁电路的通断，通过改变矩形波周期来控制电磁铁动作频率，频率由键盘输入。控制电路简单、成本低，且通过ISP下载电路可以非常简单地将程序下载到单片机中实现程序修改，硬件调试十分便捷。
本课题要求设定一个频率0-99Hz的方波信号来控制电磁铁作动器的往复运动，并设定该频率文持时间，从而实现微流体的驱动。通过键盘输入频率和定时时间数值，并在LCD1602上显示，并把频率输出控制电磁铁往复运动。键盘的扫描、键值的处理、LCD显示和频率产生可以由单片机处理。本课题采用Atmel公司的ATmegal 8535单片机来进行实验研究。
设计微流体驱动电路流程图如图2.1所示。
图2.1微流体驱动电路流程图
将程序烧录进ATmegal 8535单片机中后，为电路板通电。当键盘被按下时，单片机运行键盘扫描程序，确认哪个键被按下，并获得键值，确定所要求产生频率的大小和定时时间。同时，将频率值和定时时间处理后的结果发送给LCD显示。在确定频率值后，单片机会产生相应的时钟信号，驱动电磁铁运动。