適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置的製作方法
2023-05-28 18:28:01
專利名稱：適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及自動化裝置技術領域，是一種適用於電化學參數監測實驗的自動化控 制裝置，用於長時間電化學監測實驗。
背景技術：
電化學分析法是儀器分析的一個分支，它使待測對象組成一個化學電池，通過測 量電池的電位、電流、電導等電學量，實現對待測物質的分析。電化學分析的輸出為電學量 這一特點決定了特別適合於計算機分析。集成電路技術的發展使得運算放大器和模擬/數 字轉換電路晶片的應用非常廣泛，這些器件的廣泛應用和成本的降低，使得電化學測試電 路搭建越來越容易，很多商品化的電化學工作站相繼面世，如CHI電化學工作站、Zahner電 化學工作站、PAR恆電位裝置、Autolab電化學工作站等，所以電化學分析已經成為化學成 分分析中一個及其重要的分支。此外生物傳感器尤其是基於電化學原理的生物傳感器，尤 以電流型葡萄糖生物傳感器為代表，近年來取得了突飛猛進的發展，其研製過程離不開大 量的電化學實驗，這也極大地推動了電化學實驗技術的發展。在電化學分析實驗過程中，常常出現這種情況實驗需要很長時間但操作只是簡 單的重複，如監測電化學電極的穩定性和重複性；實驗過程中需要定期加入相關試劑，實驗 過程中需要測試方法的頻繁轉換，如無創血糖監測實驗中恆電流取樣功能與計時電流法檢 測功能的反覆切換。這些情況下，使用常規方法，實驗人員需要不停地手動切換電極引線， 需要不斷重複一些沒有技術含量的操作，既耗時費力，又難以準確控制操作時間以及試劑 加樣精度。基於這種實際情況，需要開發一套能夠實現監測實驗自動化的裝置，提高實驗效 率，讓實驗人員有更多的時間思考實驗方案的改進和結果的分析，甚至可以在開展監測實 驗的同時分身做其它的工作，而不是陷在繁瑣的重複性動作裡面。
發明內容
本發明的目的是針對長時間電化學監測實驗中耗時長、操作繁瑣、實驗效率低下 的情況，開發一種自動化控制裝置，可結合電化學工作站實現監測實驗的自動化和無人值 守，大幅度提高實驗效率。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是—種適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置，包括計算機，微控制器模塊， 繼電器陣列，用於控制裝置軟硬體偶聯的通信接口，用於控制試劑按照預定實驗流程自動 進樣的多泵體系，用於實驗報警提示的附加模塊；其計算機經通信接口與微控制器模塊雙 向通信，微控制器模塊分別與繼電器陣列、多泵體系、附加模塊電連接；繼電器陣列中的多 個繼電器分別控制電化學工作站的多個相應輸出通道，多泵體系中的多個蠕動泵分別控制 多個相應的試劑輸送通道；計算機硬碟內固化有基於Windows的控制臺軟體
A、通過控制臺軟體啟動CHI軟體，主要是利用API函數「Shell」，其輸入參數是 CHI軟體的存放路徑，其語言實現為Shell App. Path&〃 WorkDirX" &〃 CHI660a.exe"B、通過控制臺軟體查找要操作的窗口；在Windows作業系統中，用到 」FindffindowEx"函數查找有父窗口的子窗口，用「FindWindow，，函數查找頂層父窗口 ；F、通過控制臺軟體向目標窗口發送消息控制其運行情況，用API函數 "PostMessage，，或"Sendessage，，；G、通過控制臺軟體控制菜單操作，先通過目標窗口獲得菜單句柄，再用寄送消息 API函數向菜單發送點擊消息；H、操作日誌的保存通過硬碟文件的讀寫來實現Open GPathName For Append As#GblogPrint#Gblog，CDate (Now)&〃 開始檢測〃Close#Gblog其中GPathName為操作日誌的存放路徑，#Gblog是臨時分配的文件號， CDate(Now)是當時的系統時間，即把什麼時間進行怎樣的操作記錄到硬碟文件中了。所述的自動化控制裝置，其所述步驟B中，在查找多文檔窗口中的名為「detect」 一個子窗口時，用以下語句實現a、查找 CHI 軟體的主窗口 GHwndMenu = FindWindow (vbNullString，「 CHI660A Electrochemical Workstation")b、查找多文檔窗口GHdlMDI = FindWindowEx(GHwndMenu，0&，「 MDIClient 「, vbNullString)c、查找多文檔窗口中的一個窗口 GHdlDetect = FindWindowEx(GHdlMDI，0&， vbNullString, 「 detect")d、最後一個函數返回值GHdlDetect就是要查找的「detect」窗口的句柄。所述的自動化控制裝置，其所述步驟C中「PostMessage」或「Sendessage」函數， 差別在於前者不需等待返回值，而後者必須等待目標窗口的響應才能返回。所述的自動化控制裝置，其所述步驟C中，當我們要執行保存對話框窗口的 「Save」操作，只需由控制臺軟體向子窗口發送點擊消息實現模擬點擊即可PostMes sage HSaveButton, BM_CLICK, 0&，0& 其中 HSaveButton 為通過步驟 B 獲 得的「Save」按鈕的句柄，而BM_CLICK是滑鼠點擊消息標識。所述的自動化控制裝置，其所述步驟D中，獲得菜單句柄的方法是要操作主窗口 下的第i個主菜單的第j個菜單項，語句實現hi = GHwndMenuh2 = GetMenu (hi)h2 = GetSubMenu (h2, i)id = GetMenuItemID(h2, j)PostMessage hi, WM_C0MMAND, id, ByVal 0&其中GHwndMenu為通過步驟B獲得的主窗口句柄。所述的自動化控制裝置，其所述微控制器模塊包括繼電器陣列驅動電路和附加模塊的驅動電路，該控制器內部預裝微控制程序，以對計算機發送過來的命令進行解碼並執 行。所述的自動化控制裝置，其所述基於Windows系統的控制臺軟體，能夠控制基於 Windows作業系統的電化學工作站軟體，並能夠通過計算機通信接口向控制裝置的微控制 器模塊發送操作命令，此外，控制臺軟體還能自動保存實驗數據並記錄操作過程，生成操作
日誌ο所述的自動化控制裝置，其所述附加模塊，包括蜂鳴器、發光二極體及其驅動電路。所述的自動化控制裝置，其控制的實驗流程在實驗前通過設置窗口進行定製。本發明的控制裝置，結構簡單、操作精確、性能穩定，適用於需要長時間進行的電 化學參數監測實驗、電極壽命實驗、梯度實驗、配方驗證實驗、陣列電極實驗，簡化操作流 程，提高實驗效率。
圖1為本發明的整個自動化控制裝置的組成示意圖；圖2為本發明的CHI電化學工作站軟體界面；圖3為本發明的控制臺軟體的中文界面；圖4為本發明的控制臺軟體的英文界面；圖5為本發明的繼電器驅動示意圖。圖6為本發明的計算機與微控制器通信接口電路。
具體實施例方式本發明的一種適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置，如圖1所示，包含 計算機中一套基於Windows的控制臺軟體1，微控制器模塊2，繼電器陣列3，用於控制裝置 軟硬體偶聯的通信接口 4，用於控制試劑按照預定實驗流程自動進樣的多泵體系5，用於實 驗報警提示的鬧鈴、狀態燈等附加模塊6。計算機經通信接口 4與微控制器模塊2雙向通信，微控制器模塊2分別與繼電器 陣列3、多泵體系5、附加模塊6電連接；繼電器陣列3中的多個繼電器分別控制電化學工作 站的多個相應輸出通道，多泵體系5中的多個蠕動泵分別控制多個相應的試劑輸送通道。計算機內固化有基於Windows的控制臺軟體1。本發明的控制裝置適用的控制對象是基於Windows的電化學工作站軟體，而現在 大部分的電化學工作站包括CHI，BAS, Gamry都是基於Windows系統的產品。所以本發明的 控制裝置有很寬的適用範圍。本發明優選CHI電化學工作站作為受控對象，實現電化學監 測實驗自動化。計算機中固化的一套控制臺軟體1，是基於Windows環境開發，可以基於Visual Basic和Visual C++等多種開發環境編制，其能夠控制CHI軟體這種基於Windows操作系 統的電化學工作軟體，是基於Windows作業系統的消息傳遞機制。比如菜單的操作是由實 驗人員點擊滑鼠，系統會生成一條消息，這條消息會沿著一定路徑傳遞，進入Windows消息 隊列，每個軟體都有一些消息處理函數，這些函數可以判斷用戶希望進行的操作，並做出相
6應的響應。而控制臺軟體可以根據預定程序自動向CHI軟體發送消息來模擬用戶的滑鼠、 鍵盤操作而進行CHI軟體的自動操作。這一功能的技術實現主要是調用Windows系統用接 Π (Application ProgrammingInterface,簡稱 API)函數。如圖2所示，所述控制臺軟體配有設置、語言、幫助、文件等菜單。其中設置是根據 實驗需要，把監測過程中可能涉及的菜單操作或工具欄操作寫入流程中，實驗開始後控制 臺軟體會按照預定流程進行相關操作。比如操縱CHI軟體開始實驗，如圖3所示，一般情況 下是需要點擊主菜單Contro 1下的Run Experiment子菜單項，而在本控制臺軟體中可以在 流程設置時，只需輸入菜單序號2 (主菜單)-O (次級菜單)即可，類似地，要設置停止實驗 的步驟(Stop Run)，只需輸入2-2即可，依此類推。語言選擇菜單可以根據用戶的習慣選擇 中文界面(圖3)或英文界面(圖4)。文件菜單和幫助菜單是Windows界面常規菜單。本發明優選Visual Basic進行開發，但不限於這一開發環境。下面以VB編程優 選實施例說明控制臺軟體的編程思路1、通過控制臺軟體啟動CHI軟體，主要是利用API函數「Shell」，其輸入參數是 CHI軟體的存放路徑。其語言實現為Shell App. Path&〃 WorkDirX" &〃 CHI660a.exe"2、通過控制臺軟體查找要操作的窗口。在Windows作業系統中，每一個界面 元素都可以看作一個串口，包括界面上的按鈕和文本框，每個窗口都對應一個窗口句 柄(Handle)，而每個窗口在某個時刻都會有一個唯一的標題名稱(Caption)，所以要向 某個窗口發送消息，只要通過標題檢索到句柄就可以，這就要用到「FindWindowEx」或 「FindWindow」函數。前者用於查找有父窗口的子窗口，後者用於查找父窗口。例如要查找 多文檔窗口中的名為「detect」 一個子窗口，可以用以下語句實現。GHwndMenu = Findffindow(vbNullString, 「 CH I 6 6 O A Electrochemicalfforkstation「)(查找 CHI 軟體的主窗口 )GHdlMDI = FindWindowEx(GHwndMenu，0&，「 MDIClient"，vbNulIString)(查找 多文檔窗口)GHdlDetect = FindffindowEx(GHdlMDI,0&, vbNulIString, 「 detect")(查找 多文檔窗口中的一個窗口)最後一個函數返回值GHdlDetect就是要查找的「detect」窗口的句柄。3、通過控制臺軟體向目標窗口發送消息控制其運行情況，這要用到API函數 「PostMessage」或「Sendessage」，二者的差別在於前者不需等待返回值，而後者必須等待目 標窗口的響應才能返回。例如我們要執行保存對話框窗口的「Save」按鈕，只需由控制臺軟 件向子窗口發送點擊消息即可PostMessage HSaveButton，BM_CLICK，0&，0&其中HSaveButton為通過步驟2所述方法獲得的「Save」按鈕的句柄，而BM_CLICK 是滑鼠點擊消息標識。4、通過控制臺軟體控制菜單操作，也是利用寄送消息API函數，只不過，獲得菜單 句柄的方法與獲得窗口句柄的方法略為有些差異。比如要操作主窗口下的第i個主菜單的 第j個菜單項，語句實現hi = GHwndMenu
h2 = GetMenu (hi)h2 = GetSubMenu (h2, i)id = GetMenuItemID(h2, j)PostMessage hi, WM COMMAND, id, ByVal 0&其中GHwndMenu為通過步驟2所述方法獲得的主窗口句柄。5、操作日誌的保存可以通過硬碟文件的讀寫來實現。比如Open GPathName For Append As#GblogPrint#Gblog，CDate (Now)&〃 開始檢測〃Close#Gblog其中GPathName為操作日誌的存放路徑，#Gblog是臨時分配的文件號， CDate(Now)是當時的系統時間。這樣就可以把什麼時間進行怎樣的操作記錄到硬碟文件中 了。以上軟體編程思路是以Visual Basic為優選例實現的，但實際開發中，按照上述 方法，具備初步Windows編程常識的技術人員均可使用Visual C++或其他環境實現自動化 控制裝置的軟體。微控制器模塊2，主要基於單片機和相應的驅動接口電路組合實現。單片機程序運 行時，可以接收計算機(PC機)上的控制臺軟體發送過來的命令，並進行相應的操作，控制 繼電器陣列和多泵體系的動作。微控制器模塊2的核心以AT89C51單片機為優選例，其具有多個輸入輸出接口和 通用異步收發器串口等資源，能夠滿足本控制裝置的要求。繼電器驅動電路的設計與實現 如圖5所示，採用雙極型三極體Ql電流放大電路提高驅動能力，P2.0為單片機的一個I/ 0 口線，當P2. 0輸出高電平時，三極體Ql導通，繼電器得電帶動觸點閉合；當P2. 0輸出低 電平時，三極體Ql截止，繼電器失電帶動觸點斷開。二極體Dl的作用在於Ql由導通變 為截止的過程中，繼電器的線圈由於自感作用，電流不能突變為零，這時繼電器線圈可以與 Dl形成迴路，將電流慢慢消耗掉(繼電器線圈和二極體均有一定內阻)，二極體起到續流作 用。這樣就避免了繼電器線圈電流突變造成較大的電動勢而導致電路損壞。通信接口 4主要用於偶聯單片機內置的通用異步收發器(UART)和計算機之間的 信息傳送，可以有以下幾種方案1)採用1個USB轉串口的晶片，與PC機的USB進行通信， 使用USB的+5V供電，2)包括一個電平轉換晶片和外圍器件，與PC機的RS-232串口進行通 信，PC機串口採用EIA電平，而單片機串口採用TTL或CMOS電平，二者之間必須經過電平 轉換才能進行通信。通信接口 4在本發明中優選使用SP3232E電平轉換晶片實現計算機RS232串口和 單片機之間的電平轉換，如圖6所示。這種晶片一般內部集成了電荷泵升壓電路，外圍電容 (C53、C54、C55、C51)是電荷泵電路中實現電荷存儲的重要載體，在電路中不可或缺。繼電器陣列3和多泵體系5受控於微控器模塊2。繼電器陣列3中的繼電器，可以選用普通電磁式繼電器，也可以選用固態繼電器 以減小體積，因為電化學實驗中電流一般不是很大，所以對繼電器的電流要求不高。繼電器陣列3中的每個繼電器的驅動電路可以採用商業化的驅動晶片，也可以自 行設計。如圖5所示，繼電器的原理是基於線圈得電和失電造成磁場的變化而控制銜鐵帶
8動觸點的通斷，由於自感作用，線圈失電會因為電流的突變而產生較大的電動勢對系統造 成危害，所以必須通過二極體旁路避免電流突變。多泵體系5優選採用蠕動泵組成陣列，蠕動泵具有控制精度高，易於單片機接口 的特點。附加模塊6，主要包括蜂鳴器、發光二極體及其驅動電路，其作用是在電化學監測 實驗過程中，定期提示實驗人員進行必要的人工幹預。例如實驗結束，需要向實驗人員提示 關閉軟體。實驗過程中試劑用完需要提示實驗人員添加試劑。以上所述，均為本發明的優選實施方式。應當指出，本領域的技術人員，依據本發 明的創造原理，可做出許多變形和改進，如採用Visual C++開發按照本發明的編程思路開 發控制臺軟體，如採用其他泵體代替蠕動泵自動進樣，如所控制的系統不是CHI電化學工 作站而是其它商業化的電化學工作站，但這些均落入本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
一種適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置，包括計算機，微控制器模塊，繼電器陣列，用於控制裝置軟硬體偶聯的通信接口，用於控制試劑按照預定實驗流程自動進樣的多泵體系，用於實驗報警提示的附加模塊；其特徵在於，計算機經通信接口與微控制器模塊雙向通信，微控制器模塊分別與繼電器陣列、多泵體系、附加模塊電連接；繼電器陣列中的多個繼電器分別控制電化學工作站的多個相應輸出通道，多泵體系中的多個蠕動泵分別控制多個相應的試劑輸送通道；計算機硬碟內固化有基於Windows的控制臺軟體A、通過控制臺軟體啟動CHI軟體，主要是利用API函數「Shell」，其輸入參數是CHI軟體的存放路徑，其語言實現為Shell App.Path&″\WorkDir\″&″CHI660a.exe″B、通過控制臺軟體查找要操作的窗口；在Windows作業系統中，用到「FindWindowEx」函數查找有父窗口的子窗口，用「FindWindow」函數查找頂層父窗口；C、通過控制臺軟體向目標窗口發送消息控制其運行情況，用API函數「PostMessage」或「Sendessage」；D、通過控制臺軟體控制菜單操作，先通過目標窗口獲得菜單句柄，再用寄送消息API函數向菜單發送點擊消息；E、操作日誌的保存通過硬碟文件的讀寫來實現Open GPathName For Append As#Gb logPrint#Gblog，CDate(Now)&″開始檢測″Close#Gblog其中GPathName為操作日誌的存放路徑，#Gblog是臨時分配的文件號，CDate(Now)是當時的系統時間，即把什麼時間進行怎樣的操作記錄到硬碟文件中了。
2.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述步驟B中，在查找多文檔窗 口中的名為「detect」 一個子窗口時，用以下語句實現a、查找CHI 軟體的主窗口 GHwndMenu = Findffindow (vbNullString, 「 CHI660A Electrochemical Workstat ion")b、查找多文檔窗口GHdlMDI = FindffindowEx(GHwndMenu,0&, 「 MDIClient 「， vbNullString)c、查找多文檔窗口中的一個窗口 GHdlDetect = FindWindowEx (GHdlMDI，0&， vbNullString, 「 detect")d、最後一個函數返回值GHdlDetect就是要查找的「detect」窗口的句柄。
3.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述步驟C中「PostMessage」或 「Sendessage」函數，差別在於前者不需等待返回值，而後者必須等待目標窗口的響應才能 返回。
4.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述步驟C中，當我們要執行保 存對話框窗口的「 Save 」操作，只需由控制臺軟體向子窗口發送點擊消息實現模擬點擊即 可PostMessage HSaveButton, BM_CLICK，0&，0& 其中 HSaveButton 為通過步驟 B 獲得的 "Save"按鈕的句柄，而BM_CLICK是滑鼠點擊消息標識。
5.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述步驟D中，獲得菜單句柄的2方法是要操作主窗口下的第i個主菜單的第j個菜單項，語句實現 hi = GHwndMenu h2 = GetMenu(hi) h2 = GetSubMenu(h2, i) id = GetMenuItemID(h2, j) PostMessage hi, WM_C0MMAND, id, ByVal 0& 其中GHwndMenu為通過步驟B獲得的主窗口句柄。
6.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述微控制器模塊包括繼電器 陣列驅動電路和附加模塊的驅動電路，該控制器內部預裝微控制程序，以對計算機發送過 來的命令進行解碼並執行。
7.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述基於Windows系統的控制臺 軟體，能夠控制基於Windows作業系統的電化學工作站軟體，並能夠通過計算機通信接口 向控制裝置的微控制器模塊發送操作命令，此外，控制臺軟體還能自動保存實驗數據並記 錄操作過程，生成操作日誌。
8.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，所述附加模塊，包括蜂鳴器、發 光二極體及其驅動電路。
9.如權利要求1所述的自動化控制裝置，其特徵在於，其控制的實驗流程在實驗前通 過設置窗口進行定製。
全文摘要
本發明公開了一種適用於電化學參數監測實驗的自動化控制裝置，涉及自動化裝置技術，包括計算機，微控制器模塊，繼電器陣列，用於控制裝置軟硬體偶聯的通信接口，用於控制試劑按照預定實驗流程自動進樣的多泵體系，用於實驗報警提示的附加模塊；計算機硬碟內固化有基於Windows的控制臺軟體。該控制裝置能夠以軟硬體結合的方式，控制整個電化學工作站體系按照預定實驗流程進行，控制繼電器陣列進行電極切換，並實現自動進樣。本發明的控制裝置，結構簡單、性能穩定，適用於需要長時間進行的電化學參數監測實驗、電極壽命實驗、梯度實驗、配方驗證實驗、陣列電極實驗等，簡化操作流程，提高實驗效率。
文檔編號G05B19/048GK101907873SQ20091008588
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月3日 優先權日2009年6月3日
發明者劉春秀, 劉紅敏, 楊慶德, 蔡新霞, 賀銀增 申請人:中國科學院電子學研究所