基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统设计

论文摘要

细胞作为生命形式的基本单元,观察和记录细胞生长过程中的数量及形态变化能使人们更细致地了解生物的成长过程。基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统能检测出细胞在生长过程中的变化,在生物制药、医疗卫生、食品发酵等多个领域应用广泛。本文首先介绍课题的研究背景,强调了课题研究意义,论述了国内外活细胞浓度和电导率测量的发展状况,通过对比不同的测量方案,分析了各个方案的优缺点,结合现有的测量方法提出了改进后的整体方案,介绍了方案的模块组成,描述了各个部分的功能和相互关系。其次,具体讲述了系统的硬件设计和软件设计,系统包含检测模块、激励信号源模块、调理模块、采集转换模块和上位机。硬件部分详细描述了各个模块的具体组成和各自的功能,包括检测传感模块的结构尺寸和防水设计,信号源的方案和电路设计,调理电路的差分接收、同步解调、低通滤波、低频增益电路设计,采集电路的模数转换模块、电压转换模块、收发电路设计等。软件部分包括信号源的工作模式的选择,寄存器的配置,采集传输电路的寄存器配置,过采样的逻辑流程等。最后,搭建了系统测试环境,完成了基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统的软硬件测试。测试了激励信号源的单频模式和扫频模式两种信号输出方式,在100kHz~20MHz频率范围内能稳定输出。调试了调理电路,各级电路都能正常工作。测试了采集模块的采集传输功能。验证了上位机显示功能。分析了测量数据,系统的电导率测量范围能达到0~40mS/cm,介电常数能达到0~400pF/cm。测试结果表明,测量系统各功能模块都能稳定运行,满足设计要求。

论文目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文研究内容及章节安排

2 活细胞浓度和电导率测量方法、理论及方案设计

2.1 测量方法研究

2.1.1 细胞浓度测量方法研究

2.1.2 溶液电导率测量方法研究

2.2 测量原理

2.2.1 细胞极化物理模型

2.2.2 数学模型

2.3 系统方案

2.3.1 测量方法对比

2.3.2 电容法测量技术发展

2.3.3 技术指标

2.3.4 方案设计

2.4 本章小结

3 硬件电路设计

3.1 检测传感模块设计

3.1.1 结构尺寸设计

3.1.2 密封防水设计

3.2 激励信号源设计

3.2.1 方案设计

3.2.2 电路设计

3.2.3 激励信号源加分压电阻

3.3 信号调理电路设计

3.3.1 信号差分接收

3.3.2 同步解调

3.3.3 低通滤波电路

3.3.4 可调增益低频放大电路

3.3.5 电源电路

3.4 分压电阻电压解调电路设计

3.5 采集传输电路

3.5.1 采集电路

3.5.2 外接时钟电路

3.5.3 备用电源电路

3.5.4 电压转换电路

3.5.5 复位和启动电路

3.5.6 信号传输电路

3.6 本章小结

4 软件设计

4.1 信号源控制逻辑设计

4.1.1 信号源单频模式配置

4.1.2 信号源扫频模式配置

4.2 采集板控制逻辑设计

4.2.1 采集模块寄存器配置

4.2.2 采样控制流程

4.2.3 采集模块过采样设计

4.2.4 发送和接收流程

4.3 本章小结

5 系统测试与结果验证

5.1 系统调试

5.1.1 测试环境

5.1.2 测试仪器

5.2 系统功能验证

5.2.1 激励信号源功能测试

5.2.2 调理模块功能测试

5.2.3 采集模块功能测试

5.2.4 上位机功能测试

5.3 数据分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张祥

导师: 崔永俊

关键词: 电容法,活细胞浓度,电导率,介电常数,激励信号源

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,化学

单位: 中北大学

分类号: O657.1;Q2-33

总页数: 75

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