stm32f系列步进电机微阀的液滴微流控系统

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步进电机微阀的液滴微流控系统

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液滴微流控技术在生物医学、化工等领域有着广泛的应用，目前液滴生成装
置大都基于常规尺寸的控制元件，如气动比例阀、注射泵等，扩大了液滴微流控
系统的体积，缩小了其应用范围。为此，本文提出了基于步进电机微阀的液滴微
流控系统，使用微阀代替常规阀组，具有微型的特点，且易于与微流控其他元件
集成，可用于生成稳定尺寸的液滴。

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液滴微流控技术是近年来在微流控芯片上发展起来的一种研究几微米至数百
微米尺度范围内微液滴的生成、操控及应用的新技术。微液滴可以作为反应器，
具有易于独立进行实验调控、节省反应试剂等特点，还可防止试剂污染，且凭借
其较高的比表面积，有效提高试剂融合与反应的速度。因此，液滴微流控技术在
药物控释、病毒检测、颗粒材料合成等领域均有着重要应用。
随着液滴应用的范围越来越广泛，对液滴生成系统的要求也日益提高。首先，
大部分液滴应用都要求液滴大小均匀，参照液滴生成的原理得知，液滴的生成需
要特定的条件，特别要求输入两相流量的平稳性 [1] 。若输入流量不稳定，存在脉动，
会造成生成液滴尺寸的不均匀性。在微流道中，任何流量的小波动都会产生比较
大的流动中断，且会造成实验的不可预测和不可重复。所以，为了保证生成液滴
大小的均匀性，有必要对流量控制系统进行设计，使其输出无脉动、平稳的流量。
目前常用的液滴生成流量控制系统有注射泵驱动系统和压力控制系统等。注
射泵操作简单，设置方便，但一般的注射泵输出流量都存在脉动，严重影响液滴
生成的稳定性和均一性。压力控制系统利用气体压力挤压密闭容腔中液体来提供
流量，流量输出特性好，几乎无流量脉动，因此成为目前液滴生成系统的重要驱
动和控制方式，得到越来越广泛的应用。但目前普遍应用的压力控制系统采用的
仍然是常规尺寸的气压控制元件，如气压比例压力阀和伺服阀，因此整个控制系
统与液滴生成芯片相比体积大，难以实现和芯片集成。随着液滴应用场合的发展
变化，要求液滴生成系统具有良好的便携性、与芯片的高度集成性和简单的操作
性。所以，有必要开发合适的微流控系统，使其既能满足液滴生成的条件，又具
有微型化和集成性的特点。

只看该作者 · 2021-4-22 10:11

液滴微流控技术中，液滴的形成和精确有效控制是其实现广泛应用的先决条
件，也是近十年来国内外研究的热点。液滴生成的过程主要使用两种互不相溶的
液体，一种作为分散相，另一种作为离散相，分散相以微小液滴的形式分散于连
续相中。液滴生成的方法总体上可以分为被动式和主动式。其中，被动式无需外
部的致动，而主动式需要由外部输入额外的能量来提高两相液体界面的不稳定性
从而生成液滴。
在被动式生成液滴中，两相流体的流量通常用能提供固定流量的注射泵或压力
调节器 [2,3] 控制。在液滴形成的过程中，从注射泵或压力调节器中引入的能量转化
成界面能因而造成两相液体界面的不稳定，破裂形成液滴。微流道作为流体流动
的边界，它的几何形状会影响液滴的生成模式。利用剪切力生成液滴的三种结构
有交错流、同轴流和流动聚焦流。利用微流道管路变化形成液滴的结构有阶梯乳
化和膜乳化等。各种结构生成液滴示意图如图 1-1 所示。

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单片机控制模块采用集成化设计，将具有不同功能的电路板通过针脚连接起
来，实现控制模块的多功能与微型化，便于携带与使用。单片机控制模块由四块
单板组成，分别实现电源供给与管理、控制计算、无线连接通讯和步进电机驱动
的功能，如图 4-4 所示。

其中，单片机控制模块采用 4.7V 移动电池供电，电源板实现电压的转换，为
单片机系统提供 3.3V 电源，为驱动模块提供 5V 电源；主控制板中芯片采用 stm32
芯片，其计算速度快，功耗小，且编程方式友好，易于上手，满足液滴微流控系
统的控制计算要求，可进行长时间的工作。无线通讯板上配有多颗通讯芯片，如
GPRS 和 wifi 芯片，可实现模块的无线操作，更加方便。步进电机驱动模块上配有
4 颗驱动芯片，可实现 4 个步进电机的独立控制，且可通过配置相关引脚的高低电
平，实现步进电机的细分，最多可达到 16 细分。

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液滴生成装置大都基于常规尺寸的控制元件

只看该作者 · 2021-5-9 14:13

单片机供电电源是多少

只看该作者 · 2021-5-9 14:17

液滴的形成和精确有效控制是如何实现的呢

只看该作者 · 2021-5-9 14:17

步进电机的运行稳定吗

只看该作者 · 2021-5-9 14:21

单片机用的哪个型号的啊