膠體金噴膜儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

陳 曦 趙玉玲 郭 勇

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

0 引言

膠體金免疫層析技術(shù)是一種將膠體金標(biāo)記技術(shù)、免疫層析技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起的固相標(biāo)記免疫檢測(cè)技術(shù)［1］。它利用膠體金本身的顯色特點(diǎn)，結(jié)合免疫層析技術(shù)達(dá)到檢測(cè)的目的。在此技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的膠體金免疫層析試紙條技術(shù)發(fā)展迅速，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特別是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用，是一項(xiàng)新型體外診斷技術(shù)［2］。試紙條上的膠體金濃度對(duì)檢測(cè)的結(jié)果影響很大，如果膠體金的濃度不均勻或處理不好，就會(huì)使得被檢測(cè)的樣品釋放速度不同，從而導(dǎo)致不同免疫層析速測(cè)試紙條上的檢測(cè)線顏色深淺不一，影響對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析。

截止目前，還沒(méi)有一種專門(mén)用于膠體金免疫層析試紙噴金工藝的設(shè)備。鑒于膠體金免疫層析試紙條的廣泛應(yīng)用，以及其噴金的工藝要求，研究并開(kāi)發(fā)一套專門(mén)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)膠體金噴金操作的設(shè)備顯得尤為重要。該設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 研究方法和實(shí)施方案

本文設(shè)計(jì)的膠體金噴膜儀，要求每次進(jìn)行噴金操作時(shí)噴量準(zhǔn)確，所噴出的膠體金均勻。對(duì)此，系統(tǒng)采用SMC精密減壓閥，它具有動(dòng)作靈敏、密封性好、壓力設(shè)定點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。膠體金溶液盛放在諾信工程流體分發(fā)(engineered fluid dispensing，EFD)儲(chǔ)液罐中，SMC 減壓閥可維持儲(chǔ)液罐中液壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)使用空氣壓縮機(jī)向儲(chǔ)液罐加壓，SMC減壓閥通過(guò)控制儲(chǔ)液罐中的壓力，可以準(zhǔn)確地控制每次的噴金量。噴嘴選用美國(guó)斯普瑞的Spray霧狀噴嘴，在SMC減壓閥不同的壓力作用下，噴嘴噴出溶液的角度不同，從而改變噴金的范圍。系統(tǒng)使用2個(gè)噴嘴，因此，噴金的范圍更大;同時(shí)每個(gè)噴嘴的高度也可以在儀器上手動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了在膠體金免疫層析試紙條上的噴金操作。系統(tǒng)采用高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)龍門(mén)架操作平臺(tái)的前后往復(fù)移動(dòng)。噴膜儀通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行操作，儀器的噴金參數(shù)可由按鍵設(shè)定;可存儲(chǔ)記憶程序;具有每次自動(dòng)計(jì)數(shù)及限制數(shù)量的功能，方便用戶操作［3］。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制絲杠的移動(dòng)來(lái)控制平臺(tái)的移動(dòng)。平臺(tái)的原點(diǎn)處設(shè)有一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種施壓促動(dòng)的快速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，方便每次噴金操作開(kāi)始時(shí)檢測(cè)平臺(tái)是不是在原點(diǎn)處。平臺(tái)在原點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行噴金，當(dāng)完成噴金操作時(shí)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置極限處會(huì)被彈回，重新開(kāi)始噴金操作。鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的輸入，液晶顯示電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)菜單和參數(shù)的顯示。膠體金溶液盛放在儲(chǔ)液罐中，空氣壓縮機(jī)向儲(chǔ)液罐中加壓，通過(guò)減壓閥可以控制儲(chǔ)液罐中的壓力，從而控制每次噴金量，達(dá)到定量噴金的目的。單片機(jī)控制電磁閥的開(kāi)閉，從而控制每次噴金操作的開(kāi)始與結(jié)束。實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)自己的需要手動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴的高度。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Principle of the system composition

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)要完成的功能，系統(tǒng)的硬件主要分為主控模塊、液晶顯示和鍵盤(pán)輸入模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、看門(mén)狗及EEPROM模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of the system

2.1 主控模塊

系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心，進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示屏、鍵盤(pán)以及步進(jìn)電機(jī)的控制。AT89C52單片機(jī)是一個(gè)低電壓、高性能CMOS的8位單片機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、可靠性高、處理功能強(qiáng)、速度快、功耗低、成本低、穩(wěn)定性好、外圍電路簡(jiǎn)單以及易實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式電擦寫(xiě)達(dá)數(shù)萬(wàn)次以上，使用方便［4］。

2.2 液晶顯示和鍵盤(pán)輸入模塊

液晶模塊選用金鵬OCMJ2X8C液晶顯示屏。液晶用于顯示膠體金噴膜儀的各種參數(shù)(溶液的噴量、噴金的范圍、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài))，使操作者能夠?qū)崟r(shí)掌握噴膜儀的工作狀態(tài)，同時(shí)為人工控制噴膜儀提供良好的控制界面［5］。液晶顯示模塊采用串口訪問(wèn)方式與微處理器相連接［6］。液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口直接與所選單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P0口連接，串并口工作方式由跳線決定;數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端STD與P1.0連接;液晶顯示模塊RESET/HALT掛接在+5 V電源上;片選信號(hào)與P1.1連接。液晶顯示連接圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示連接圖Fig.3 Liquid crystal display connection diagram

噴膜儀控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置都是通過(guò)按鍵來(lái)完成的。系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤(pán)形式，按鍵控制電路如圖4所示。按鍵模塊共有6個(gè)鍵，分別通過(guò)+/－鍵、菜單鍵、設(shè)置鍵、停止鍵和運(yùn)行鍵完成噴膜儀操作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工作參數(shù)的輸入、光標(biāo)的移動(dòng)以及系統(tǒng)的啟動(dòng)/暫停等。

圖4 按鍵控制電路Fig.4 Control circuit for key buttons

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)操作平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成噴金過(guò)程。系統(tǒng)采用AT89C52作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制器，用于控制兩相(A、B相)混合式步進(jìn)電機(jī)［7］?？紤]到電壓和電流的匹配，選用北京時(shí)代超群公司的兩相高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ZD-6560-V3。ZD-6560-V3驅(qū)動(dòng)器具有集成度高、可靠性高等特點(diǎn)，最高驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到3.5 A;具有整步、二細(xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào)，過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)，自動(dòng)半流鎖定，衰減4檔可調(diào)，支持脫機(jī)、使能、鎖定等功能;輸入信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向控制信號(hào)U/D、脫機(jī)控制信號(hào)FREE。在該系統(tǒng)中，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，通過(guò)改變所發(fā)脈沖的頻率來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。它將接收的一系列脈沖信號(hào)，按一定的順序分配給電機(jī)繞組，使各繞組按照預(yù)先規(guī)定的控制方式通斷電，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行［8］。在本系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓為24 V，細(xì)分前它每一步轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，若將細(xì)分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)到16，則它每一步將轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°/16，并根據(jù)系統(tǒng)要求的分辨率計(jì)算發(fā)出的脈沖數(shù)。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接口電路如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)與控制器之間采用共陽(yáng)極的接線方法。由于單片機(jī)的供電電壓為5 V，因此R=0。

圖5 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路Fig.5 The interface circuit for single chip machine and stepping motor driver

2.4 看門(mén)狗模塊和EEPROM模塊

看門(mén)狗電路可以為系統(tǒng)提供可靠的復(fù)位，并且當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)死機(jī)時(shí)可以使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)。EEPROM用于存儲(chǔ)一些掉電時(shí)應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)的重要參數(shù)，以便使前一次修改的參數(shù)設(shè)置能保存下來(lái)，以備下次使用［9］。系統(tǒng)選用芯片AT24C02完成上述兩項(xiàng)功能。AT24C02具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)部EEPROM可存儲(chǔ)2 kB的數(shù)據(jù)，可重復(fù)擦寫(xiě)100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存不丟失，完全滿足上述要求。AT24C02連接圖如圖6所示。

圖6 AT24C02連接圖Fig.6 AT24C02 connection diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在這個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件編寫(xiě)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，軟件的質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。噴膜儀控制系統(tǒng)軟件采用易于維護(hù)和功能擴(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)，它主要由初始化、步進(jìn)電機(jī)控制、定時(shí)中斷、液晶顯示等模塊組成。為方便調(diào)用，各模塊均編寫(xiě)為子程序形式。整個(gè)程序設(shè)計(jì)在時(shí)鐘中斷和外部中斷下并行運(yùn)行，并通過(guò)多級(jí)中斷優(yōu)先方式相互銜接來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)接通電源或復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化，即對(duì)AT89C52單片機(jī)數(shù)據(jù)口、鍵盤(pán)、液晶顯示、中斷方式等進(jìn)行初始化。當(dāng)使用者按下“運(yùn)行”鍵后，主程序啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)工作，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)作開(kāi)始或結(jié)束，并隨時(shí)查詢步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作正常;當(dāng)按下“設(shè)置”鍵時(shí)，即對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為使得整個(gè)系統(tǒng)軟件流程清楚、結(jié)構(gòu)清晰，便于以后系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，本文以 KeilμVision2［10］為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)整體流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.7 The main program flowchart of system

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了膠體金噴膜儀系統(tǒng)的工作原理，提出了一套可在膠體金免疫層析試紙條上實(shí)現(xiàn)噴金工藝的控制系統(tǒng)的軟硬件方案，彌補(bǔ)了現(xiàn)有噴金操作的缺點(diǎn)和不足，滿足了噴金操作噴量準(zhǔn)確均勻、操作自動(dòng)化的要求。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，經(jīng)試驗(yàn)分析表明，該儀器滿足膠體金免疫層析試紙生產(chǎn)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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