血型檢測(cè)卡灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 曦，高德釗

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

微柱凝膠卡式檢測(cè)技術(shù)是一種操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、靈敏度高、標(biāo)本用量少、結(jié)果可長(zhǎng)期保存的免疫學(xué)檢測(cè)技術(shù)[1]。近年來，快速診斷血型檢測(cè)卡在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，為了提高血型卡的生產(chǎn)效率，快速診斷血型檢測(cè)卡灌裝機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。而在血型卡灌裝機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)灌裝精度和生產(chǎn)效率要求很高，所以對(duì)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的控制和微量泵灌裝的控制最為關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)快速送卡和灌裝的精確度，該系統(tǒng)以STM32為控制核心，由步進(jìn)電機(jī)控制送卡轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、灌裝針移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速送卡和定位；由XMP6000微量泵實(shí)現(xiàn)精確灌裝。各機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作由軟件來實(shí)現(xiàn)。文中將步進(jìn)電機(jī)的線性加減速方法與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)有效地結(jié)合起來，根據(jù)各自的特點(diǎn)構(gòu)造出一個(gè)步進(jìn)電機(jī)加減速控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)控制器輸出的頻率，來提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度[2]。

1 設(shè)備工作原理

轉(zhuǎn)盤式血型檢測(cè)卡灌裝機(jī)主要由送卡單元、灌液?jiǎn)卧⒐喾蹎卧蜔岱鈫卧M成。送卡單元主要是將空的卡片送入到轉(zhuǎn)盤卡槽中；灌液?jiǎn)卧峭ㄟ^RS485通信發(fā)送命令給微量泵，完成凝膠藥液的灌裝；灌粉單元由氣缸控制，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，完成藥粉的灌裝；熱封單元主要是將血型卡送到封膜工作臺(tái)，完成送膜、封膜的工作。系統(tǒng)有4個(gè)工位分別是送卡工位、灌液工位、灌粉工位和封口工位，相互之間間隔90°。在轉(zhuǎn)盤上對(duì)應(yīng)4個(gè)工位的位置有4個(gè)定位擋光片，當(dāng)定位擋光片進(jìn)入到光電傳感器的有效識(shí)別范圍時(shí)，發(fā)出轉(zhuǎn)盤停轉(zhuǎn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤每次轉(zhuǎn)過90°的絕對(duì)位置的精確定位和送卡、灌液、灌粉和封膜4個(gè)工位的連續(xù)循環(huán)切換。血型卡灌裝機(jī)工作平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 灌裝工作臺(tái)示意圖Fig.1 Filling workbench schematic

2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤式血型卡灌裝機(jī)控制系統(tǒng)部分主要由嵌入式微控制器STM32模塊、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊、氣動(dòng)控制模塊、XMP6000微量泵模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊、供電電源模塊等幾部分構(gòu)成。血型卡灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止穩(wěn)定性的控制，對(duì)TECAN公司XMP6000微量注射泵和LCD觸摸屏的通信控制。本文就以上幾個(gè)模塊展開重點(diǎn)研究和講述。系統(tǒng)的模塊控制圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware configuration diagram

2.1 轉(zhuǎn)盤模塊

轉(zhuǎn)盤模塊需要保證送卡的快速性和穩(wěn)定性，其關(guān)鍵是對(duì)轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。轉(zhuǎn)盤的材質(zhì)需要有一定的剛度和重量，防止在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)和不穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)選用厚度h=4 mm，直徑d=280 mm的鋁制版型材料可以滿足系統(tǒng)的使用要求。轉(zhuǎn)盤動(dòng)力選用日本IAI的高精度電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為28式步進(jìn)電機(jī)，減速比為1∶30，允許負(fù)載力矩3.9 N·m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)該鋁制轉(zhuǎn)盤和電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)滿足設(shè)計(jì)使用要求。

步進(jìn)電機(jī)從靜止以較大的頻率啟動(dòng)或從較高頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，突然停止時(shí)，會(huì)有較大的抖動(dòng)。而轉(zhuǎn)盤模塊需頻繁的啟動(dòng)和停止，為了防止電機(jī)啟動(dòng)及停止時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)，產(chǎn)生抖動(dòng)，使卡片和灌裝針頭位置不準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)必須以較小的頻率啟動(dòng)，經(jīng)勻加速達(dá)到最高勻速運(yùn)行速度；停止時(shí)，經(jīng)勻減速達(dá)到較小速度時(shí)再停止。轉(zhuǎn)盤電機(jī)速度曲線如圖3所示，在圖中縱坐標(biāo)是頻率f，橫坐標(biāo)是運(yùn)行時(shí)間t。其中從靜止以初始頻率加速到最高頻率和從最高頻率降到末頻率，再到停止是控制的關(guān)鍵[3]。由圖3可知電機(jī)加減速階段是頻率線性變化的過程，電機(jī)運(yùn)行頻率和時(shí)間滿足以下關(guān)系：

圖3 轉(zhuǎn)盤電機(jī)速度曲線Fig.3 Speed curve of turntable motor

式中：f為瞬時(shí)頻率；f0為啟動(dòng)頻率；a為頻率加速度；t為加速時(shí)間。STM32控制器的通用定時(shí)器使用上面的線性加減速算法，通過改變定時(shí)器比較捕獲寄存器CCRx的值，產(chǎn)生4路頻率可調(diào)的脈沖，達(dá)到控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)穩(wěn)定快速啟動(dòng)和停止的目的。

2.2 灌液模塊

灌液模塊是血型卡灌裝機(jī)設(shè)計(jì)的核心部分，通過使用美國(guó)TECAN公司XMP6000微量注射泵，解決了灌裝精度問題。該微量泵專用于10 μl～5 ml范圍內(nèi)液體濃度和劑量的精確控制。該微量泵有2種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式下（6000增量）和微動(dòng)模式下（48000增量），在針管的整個(gè)灌裝量程內(nèi)，灌裝誤差≤0.05%，并且整個(gè)量程所需的灌裝時(shí)間可通過控制命令設(shè)置在1.2 s～160 min范圍內(nèi)[4]。此外，該微量泵還有自診斷、自測(cè)試和故障報(bào)告等功能，可廣泛應(yīng)用于精密灌裝領(lǐng)域。

XMP6000與STM32通信方式有RS232、RS485和CAN總線。本控制系統(tǒng)采用傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、相對(duì)使用方便的RS485協(xié)議進(jìn)行通信，XMP6000的通信格式有多種：DT模式 （ASCII碼字符）、OEM模式（十六進(jìn)制）和CAN格式（二進(jìn)制）。本文選擇方便使用的ASCII碼字符格式進(jìn)行通信，STM32控制器通過RS485通信發(fā)送命令或命令字符串來控制XMP6000微量泵的工作。如“/1ZR”是執(zhí)行復(fù)位操作；“/1ZA6000A0R”是微量泵先復(fù)位，活塞再移動(dòng)到針管6000處，最后回到初始位置。ASCII碼字符通信格式如圖4所示。

圖4 ASCII碼字符通信格式Fig.4 ASCII code character communication format

2.3 灌粉模塊

灌粉模塊是在藥液灌裝完成后，再灌裝藥粉的過程。該模塊主要由氣動(dòng)部分完成，控制器控制2個(gè)XMC氣缸完成卡片定位和投粉。氣動(dòng)部分主要包含繼電器模塊、電磁閥模塊、空壓機(jī)部分和氣缸。STM32控制器輸出開關(guān)量信號(hào)控制繼電器的閉合，來控制氣缸電磁閥的閉合，從而間接地控制各個(gè)氣缸的進(jìn)氣和排氣工作。繼電器模塊帶有光耦隔離，抗干擾性能好。STM32與氣動(dòng)部分連接示意圖如圖5所示。

圖5 氣動(dòng)部分控制圖Fig.5 Control chart of the pneumatic part

2.4 LCD彩色液晶模塊

LCD是灌裝機(jī)的上位機(jī)監(jiān)控操作界面，LCD液晶屏與STM32通過RS232協(xié)議進(jìn)行串口通信。通過觸摸屏可以對(duì)工作參數(shù)“灌裝量”和“封膜寬度”進(jìn)行修改設(shè)置，并將修改后的工作參數(shù)先存儲(chǔ)到E2PROM中，再通過RS232通信發(fā)送給STM32控制器，控制器經(jīng)數(shù)據(jù)處理，來調(diào)整設(shè)備的生產(chǎn)工作狀態(tài)。同時(shí)LCD屏接收主控制器發(fā)出的命令和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)。下次灌裝機(jī)設(shè)備上電開機(jī)時(shí)控制器首先讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理后調(diào)整為設(shè)定參數(shù)的工作狀態(tài)，避免重復(fù)數(shù)據(jù)設(shè)定并將數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶屏進(jìn)行顯示。LCD屏與控制器的通信電路[5]如圖6所示。

圖6 通信電路圖Fig.6 Circuit diagram of communication

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用KEIL_MDK軟件為交叉編譯工具來編寫控制程序，程序的整體流程如圖7所示。軟件主體程序主要包括控制系統(tǒng)時(shí)鐘初始化和各變量的定義，各模塊初始化，各標(biāo)志位清零，通用定時(shí)器中斷子程序，故障急停中斷子程序，串口通訊子程序，轉(zhuǎn)盤定位子程序。設(shè)備開機(jī)，控制系統(tǒng)先執(zhí)行初始化工作，再讀E2PROM中存儲(chǔ)的設(shè)定數(shù)據(jù)：藥液灌裝量和封膜寬度，并在液晶屏上顯示。

程序主循環(huán)結(jié)構(gòu)采用while（）語句的形式，在循環(huán)中用3個(gè)標(biāo)志位flag1、flag2和flag3來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。進(jìn)入主循環(huán)程序后，先執(zhí)行觸摸屏串口通訊程序，控制器讀入觸摸屏的指令，并處理執(zhí)行相應(yīng)的操作。然后檢測(cè)封膜標(biāo)志flag3是否為1，若為1，則執(zhí)行封膜程序；再檢測(cè)灌粉標(biāo)志flag2是否為1，若為1，則執(zhí)行灌粉程序；最后檢測(cè)灌液標(biāo)志flag1是否為1，若為1，則執(zhí)行灌液程序。此后循環(huán)檢測(cè)送卡信號(hào)，若是檢測(cè)到送卡開關(guān)信號(hào)，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)，使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過90°，并以此循環(huán)。主程序流程如圖8所示。

圖7 程序整體流程Fig.7 Flow chart of the overall process

圖8 主程序循環(huán)Fig.8 Main program loop diagram

4 結(jié)語

灌裝機(jī)生產(chǎn)控制系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，綜合運(yùn)用電子、機(jī)械等方面的知識(shí)，利用步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)、電子電路技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)及光電傳感器技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)微柱凝膠法血型檢測(cè)卡的自動(dòng)灌裝生產(chǎn)，且灌裝精度高、可操作性強(qiáng)。該控制系統(tǒng)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)，調(diào)試成功，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力成本，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)要求。

[1]李毅，佟力，董偉群，等.微柱凝膠卡法在血型檢測(cè)中的應(yīng)用[J].昆明醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（1）：118-119.

[2]陳曦，郭勇，趙玉玲.基于PID算法的快速診斷試紙切割機(jī)的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（7）：80-82.

[3]余建國(guó).基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)加減速的控制方法[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2006（5）：123-125.

[4]Operating manualRof XMP6000 Multichannel Syringe Pump[M].USA：TeCan System Inc，2006.

[5] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.