梯度凝胶胶片自动制作装置控制系统研究设计

　　凝胶胶片被用在生物医学领域进行生化检测，是一种特殊的材料。它可以分离不同物理性质(如大小、形状、等电点等)的分子，通常是用来分析样品成分。梯度凝胶胶片是指胶片介质物的浓度按照要求进行梯度分布的，这可以解决电泳技术分辨能力不够的问题^[1] ，即在电泳时使质量较小运动快的蛋白质尽早遇到密度较高的支撑介质而附着在该点，这样，就可以使所要检测的蛋白质按照大小规格均匀地排列，即提高了电泳的分辨能力^[2] 。

　　目前国内还没有全自动制作梯度凝胶胶片的设备，胶片制作需人工凭经验和技巧操作，不但费时费力，而且制作出的梯度凝胶胶片参数差别很大，直接影响应用时的测试精度。因此，利用步进电机控制灌胶过程替代人工操作，实现梯度胶片生产的自动化、简单化、批量化，是很有必要的。这就需要一种能按一定浓度梯度全自动灌胶的制胶设备。本文介绍了一套自行研制的全自动梯度凝胶胶片制作系统。

　　1 梯度凝胶系统构架

　　梯度凝胶胶片制作系统由上位机(计算机)、下位机(C8051F020)控制系统及附属机械装置组成^[3] ,系统基本构架如图 1 所示。该系统的工作过程：先由上位机根据生产需求进行一定的数据拟合计算，然后将计算结果由通信电缆传送给下位机，下位机将依据上位机的各项参数来精确控制灌胶的制作过程。本系统硬件设计部分采用由 Cygnal 推出的C8051F020 单片机作为主控单元，选用驱动能力强的SLA7026M 作为步进电机的驱动芯片，实现系统制胶精度为步进电机运动一步的位移量为 0.005mm，同时产生胶液体积变化量为(3.5325e-3)ml; 系统软件设计部分主要使用曲线插补原理来控制步进电机的运作，采用 C51 技术对控制系统进行编程。胶片浓度按照一定梯度要求均匀分布，灌胶器中胶和水的给进量按照一定的浓度和数量曲线进行变化，这取决于控制灌胶器的步进电机的精确可靠地运作。

　　2 系统硬件电路设计

　　系统硬件电路主要包括以下几个部分，即系统主控单元电路、步进电机驱动电路、胶液管路控制电路、系统运行监控与检测电路、系统电源电路，系统电路框图如图 2 所示。

　　2.1 主控单元电路设计

　　主控单元选用 MCU 芯片 C8051F020，该芯片是高集成的系统级芯片 (SOC)，采用 Silabs 公司的高速CIP-51 内核，它与 8051 兼容，且有与 MCS-51 兼容的指令集，CPU 高速而稳定，具有片内调试电路，可以通过 JTAG 接口进行非侵入式在系统调试。

　　系统液晶屏选用带中文字库的 12864-15C, 接在单片机 P4、P5 口上，键盘模块设计使得系统能手动控制，采用非编码的 4*4 矩阵式线反转法键盘，接单片机 P6 口，按键扫描功能可以方便的通过软件编程实现。系统与上位机之间的串行通信采用 RS-232通信接口。