淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0907201919252900
中文論文名稱 全自動模糊控制微量分注器設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of Fully Automatic Micropipette with Fuzzy Control
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical And Computer Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 黃聖桓
研究生英文姓名 Sheng-Huan Hunag
電子信箱 a0927183626@gmail.com
學號 706440053
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-24
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-李世安
委員-陳慶逸
委員-劉智誠
中文關鍵字 液面偵測  微量分注器  微量吸管  步進馬達  模糊控制 
英文關鍵字 Liquid level detect  Micropipette  Stepper motor  Fuzzy control  Linear regression 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文提出一個低成本高精準度的全自動模糊控制微量分注器的設計方法。本微量分注器可以控制微量吸管吸取三種不同的吸取量,分別為40、50及200µl,透過模糊控制概念與液體吸取高度誤差設計出一個模糊調節控制系統,並使用解模糊化介面來自動調節吸取量。本文透過線性回歸(liner regression, LR)的方式,得到馬達的步進數與吸取量之間的關係方程式。之後可以透過此關係方程式控制吸取器準確吸取10-200µl的液體。由實驗結果可知,所設計之全自動模糊控制微量分注器能精準地控制三種吸取量於±1µl內;經調節過後可控制吸取量於±7µl內,改善吸取器步進馬達在不同液體密度下所造成失步及失速的不確定性。
關鍵字:液面偵測、微量分注器、微量吸管、步進馬達、模糊控制
英文摘要 This thesis aims to raise the low cost and high accuracy design method of fully automatic micropipette with a fuzzy control system, which can aspirate three different volumes to 40µl, 50µl, and 200µl. Through the fuzzy control concept and the height of aspirating liquid, the module of the fuzzy control system can be constructed, and automatically adjust the error of the volume in accordance with the defuzzification. On the other hand, the correlation equation is derived in terms of the steps of the stepper motor and aspirating volume via the linear regression (LR). With the equation, the volume can be aspirated accurately from 10µl to 200µl afterward. Finally, the result of the experiment indicates the fully automatic micropipette with fuzzy control system can precisely aspirate three different volumes either within the error of ±1µl of non-adjustment or within the error of ±7µl of adjustment. Improving the uncertainty of step losses of stepper motor of micropipette caused by the different liquid density.
論文目次 目錄 III
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 文獻回顧與研究動機 1
1.2 論文架構 3
第二章 背景知識 4
2.1 二相步進馬達簡介 4
2.2 二相步進馬達驅動方式 8
2.3 二相步進馬達激磁方式 11
2.4 步進馬達轉矩與轉速特性 13
第三章 全自動模糊控制微量分注器設計方法 16
3.1 系統架構 16
3.1.1 系統架構 16
3.1.2 電路架構 19
3.1.3 液體控制系統架構 20
3.2 全自動模糊控制微量分注器機械手臂 21
3.2.1 微量分注器機械手臂各部位介紹 21
3.2.2 R軸各位置分佈(旋轉軸) 25
3.2.3 Z軸各位置分佈(垂直軸) 28
3.2.4 自動微量分注器機械手臂驅動電路 31
3.3 液面偵測系統及感測器系統設計 34
3.3.1 液面偵測設計原理 34
3.3.2 感測器設計原理 36
3.4 電動微量吸取器 38
3.4.1 電動微量吸取器介紹 38
3.4.2 電動微量吸取器驅動電路設計 40
3.4.3 單及雙相激磁方式及程式撰寫 41
3.4.4 確認吸取量、馬達步數及活塞距離關係 43
3.4.5 40µl、50µl、200µl與步數、活塞距離及吸取量的關係 44
3.5 液體控制系統電路設計 47
3.6 吸取量的檢測與調節 49
3.7 微量調節控制流程設計 51
3.7.1 迴路調節控制設計方式 51
3.7.2 微量模糊控制器設計介紹 53
第四章 實驗結果 63
4.1 全自動模糊控制微量分注器實體呈現 63
4.2 驗證全自動模糊控制微量分注器的準確度及精確度 64
4.3 驗證全自動模糊控制微量分注器馬達步數及吸取量關係 67
4.4 反電動勢消除電路驗證及比較 70
4.5 Arduino調節吸取量呈現 73
4.5.1 迴路控制呈現 73
4.5.2 模糊控制呈現 74
4.5.3 不同檢體管徑之模糊調節呈現 75
4.5.4 迴路控制與模糊控制比較 78
第五章 結論與未來展望 79
參考文獻 80
圖目錄
圖1.1、手動微量吸管[1] 2
圖1.2、電動微量吸管[5] 2
圖1.3、全自動微量檢體分注器[6] 3
圖2.1、兩相單雙極步進馬達對照圖[8][9] 6
圖2.2、兩相與五相步進馬達對照圖[10] 7
圖2.3、複合式步進馬達轉子圖 7
圖2.4、複合式步進馬達定子與線圈繞組圖 7
圖2.5、複合式步進馬達雙極線圈繞組及接線圖[8] 8
圖2.6、ZB17BBK-11B步進馬達規格[11] 8
圖2.7、雙極驅動方式單極性驅動[12] 9
圖2.8、單極驅動方式[13] 10
圖2.9、FT5754[13] 10
圖2.10、FT5754應用電路[13] 11
圖2.11、單相激磁控制圖[8] 11
圖2.12、雙向激磁控制圖[8] 12
圖2.13、單及雙向激磁[8] 13
圖2.14、雙向激磁轉矩特性[11] 15
圖2.15、單及雙向激磁轉矩特性[11] 15
圖3.1、系統架構圖 18
圖3.2、ARDUINO MEGA 2560 18
圖3.3、全自動模糊控制微量分注器電路方塊圖 19
圖3.4、液體控制系統架構 20
圖3.5、全自動模糊控制微量分注器機械手臂俯視圖[14] 22
圖3.6、全自動模糊控制微量分注器機械手臂側視圖[14] 23
圖3.7、Z軸及R軸步進馬達 24
圖3.8、Z軸及R軸定位感測器 24
圖3.9、撞針感測器 24
圖3.10、200步扇形圖 25
圖3.11、R軸各位置分佈圖 28
圖3.12、Z軸位置分佈圖[14] 30
圖3.13、吸管洗淨Z軸位置分佈圖[14] 30
圖3.14、Arduino L298 步進馬達驅動器[15] 31
圖3.15、L298N線路圖[16] 32
圖3.16、Z軸馬達驅動電路Arduino L298N線路圖 33
圖3.17、R軸馬達驅動電路Arduino L298N線路圖 33
圖3.18、步進馬達兩相一步激磁控制方式[16] 34
圖3.19、液面偵測電路板 35
圖3.20、液面偵測未使用電壓隨耦器 35
圖3.21、液面偵測電路圖使用射極隨耦器來設計電路 36
圖3.22、感測器電路板 37
圖3.23、感測器電路圖 37
圖3.24、電動微量吸取器 39
圖3.25、活塞尺寸圖 39
圖3.26、電動微量吸取器驅動電路設計[12] 40
圖3.27、單及雙相激磁控制程式撰寫 42
圖3.28、單及雙相激磁250HZ脈 43
圖3.29、Program 480半步脈波圖 43
圖3.30、空杯重量0.1146g 46
圖3.31、40ul重量0.1546g 46
圖3.32、50ul重量0.1643g 46
圖3.33、200ul重量0.3144g 46
圖3.34、電磁閥控制電路 47
圖3.35、電磁閥300V反電動勢 48
圖3.36、電磁閥反電動勢持續3.46ms 48
圖3.37、液體系統控制電路 48
圖3.38、液體系統控制電路圖 49
圖3.39、迴路控制流程圖 52
圖3.40、輸出輸入變數 53
圖3.41、前件部輸入歸屬函數圖形 55
圖3.42、NB及PB梯形歸屬函數圖形 55
圖3.43、NS三角形歸屬函數圖形 56
圖3.44、後件部輸出歸屬函數圖形 57
圖3.45、PB(+)單點歸屬函數圖形 57
圖3.46、zero-order Sugeno推論流程 59
圖3.47 zero-order Sugeno推論範例S = -3, u= +24 61
圖3.48、模糊控制流程圖 62
圖4.1、全自動模糊控制微量分注器實體圖 63
圖4.2、步數與水重量關係圖≦80半步 68
圖4.3、步數與水重量關係圖80-720半步 69
圖4.4、步數與吸取量關係圖≦80半步 69
圖4.5、步數與吸取量關係圖80-720半步 70
圖4.6、飛輪二極體消除反電動勢 71
圖4.7、電磁閥0V反電動勢 71
圖4.8、飛輪二極體串基納二極體消除反電動勢 72
圖4.9、飛輪二極體串基納二極體使反電動勢維持10V 72
圖4.10、40µl吸取量不足而調節 73
圖4.11、40µl吸取量過多而調節 74
圖4.12、25µl調節到40µl 74
圖4.13、55µl調節到40µl 75
圖4.14、不同吸取量於檢體管徑8mm單次模糊控制調節 76
圖4.15、不同吸取量於檢體管徑6mm單次模糊控制調節 76
圖4.16、檢體管管徑8mm模糊控制調節分佈圖 77
圖4.17、檢體管管徑6mm模糊控制調節分佈圖 77
表目錄
表2.1、無負載時單相激磁轉速極限 14
表2.2、無負載時雙相激磁轉速極限 14
表2.3、無負載時單及雙相激磁轉速極限 15
表3.1、不同吸取量之活塞距離 45
表3.2、吸取前預先吸空的步數與活塞距離及吸取量的關係 45
表3.3、檢體管徑6mm、8 mm及10 mm吸取量的高度比較 50
表3.4、模糊規則庫 58
表3.5、模糊推論結果 60
表3.6、吸取量調節步數 61
表4.1、文獻[24]吸取40µl的精確度與準確度 65
表4.2、文獻[24]吸取50µl的精確度與準確度 65
表4.3、文獻[24]吸取200µl的精確度與準確度 66
表4.4、迴路控制與模糊控制的比較 78
參考文獻 [1]手動微量吸管,URL:http://www.hongyee.com.tw/products_detail_69.htm
[2]劉淑君,手動微量吸管設計與操作評估,華梵大學工業設計研究所碩士論文,2004。
[3]江孟聲,微量吸管設計與人因工程之評估,國立台灣工業技術學院工程技術研究所碩士論文,1997。
[4]謝兆平,應用品質機能展開法於電動微量分注吸管之研究開發,國立台灣科技大學工業管理系碩士論文,2008。
[5]傳統型電動微量吸管,URL:https://www.bertec.com.tw/%E5%82%B3%E7%B5%B1%E5%9E%8B%E9%9B%BB%E5%8B%95%E5%BE%AE%E9%87%8F%E5%88%86%E6%B3%A8%E5%99%A8.html
[6]全自動微量檢體分注器NIBUS,URL: https://www.youtube.com/watch?v=xED9ux0gkbE
[7]許溢适,特殊電機,新北市:全華,pp.264-270,1983。
[8]兩相雙極步進馬達,URL:http://www.bertda.com/Companies/EAD%20motors/Stepping%20Motors/Bipolar%20Connection%20Diagram.htm
[9]兩相單極步進馬達,URL:http://www.bertda.com/Companies/EAD%20motors/Stepping%20Motors/Unipolar%20Connection%20Diagram.htm
[10]五相步進馬達線路圖,URL:http://www.hanmark.com.tw/technology.asp?s_no=7
[11]EAD motors, “Stepping motor”, ZB17BBK-11 datasheet, Mar. 2018.
[12]Sanken Electric, “PNP + NPN Darlington H-bridge,” STA434A
datasheet, 2013.
[13]張義和和黃國倫,FPGA設計實務,新北市:新文京開發,2010。
[14]PHARMACIA DIAGNOSTIC, Unicap 100 SERVICE MENU, pp.30,pp.357, Mar.2005.
[15]L298圖,URL:https://www.taiwaniot.com.tw/product/l298n-dc
[16]STMicroelectronics, “DUAL FULL-BRIDGE DRIVER,” L298N
datasheet, Jan. 2000.
[17]Saia, “Linear Stepper Motor,” UBL13 datasheet, URL:
http://www.lempel.hu/media/2010/02/Saia_Motor.pdf
[18]陳玉佩、張珮綺、李佳芸和李佳樺,奇妙的液體積木,全國中小學科展,民國91年。
[19]Zener and command diode in series,URL:https://electronics.stackexchange.com/questions/201713/zener-and-common-diode-in-series
[20]A zener with series diode,URL:https://electronics.stackexchange.com/questions/245140/a-zener-with-series-diode
[21]容量定義維基百科,URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Litre
[22]Mathwork Inc., “Sugeno-Type Fuzzy Inference,” Fuzzy Inference System Modeling, 2019, URL:https://www.mathworks.com/help/fuzzy/what-is-sugeno-type-fuzzy-inference.html
[23]劉寧漢,模糊專家系統,國立屏東科技大學資訊管理系課程網頁,2019。URL:http://140.127.22.205/100-2/ai/le5.pp
[24]Y.C. Chang, Pipette calibration, Laboratory manual of Clinical Biochem. Res. Lab, Taipei Veterans General Hospital, pp.1-4, APR.14, 2007
[25]生醫研究之統計方法,URL:http://amebse.nchu.edu.tw/new_page_535.htm
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