免疫層析試紙劃液儀的設計與實現(xiàn)

王 清，于 娜，梁 舒

（邢臺職業(yè)技術學院 電氣工程系，河北 邢臺 054035）

免疫層析試紙劃液儀的設計與實現(xiàn)

王 清，于 娜，梁 舒

（邢臺職業(yè)技術學院 電氣工程系，河北 邢臺 054035）

針對免疫層析檢測試紙C/T線在生產制作上存在的不足，設計了一套對恒線速度運動的NC膜進行劃液的專業(yè)設備，主要用于在試紙的NC膜表面劃上定量均勻的蛋白質液。為了滿足劃液要求，劃液儀以單片機為主要控制核心，設計了自主調節(jié)的劃液平臺和精確穩(wěn)定的傳動裝置，通過鍵盤和液晶顯示使操作更加簡單直觀，檢測裝置增加了劃液儀的精度和穩(wěn)定性。另外加入RS-485通訊接口，PC機可通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)對劃液儀的控制，便于設備組網后的集中監(jiān)控。實驗證明：該儀器經濟簡便、性能穩(wěn)定、操作精準，適用于各種免疫層析試紙條的科研以及中小型企業(yè)的研發(fā)。

免疫層析；劃液儀；單片機；傳動裝置；步進電機

近年來免疫學快速診斷技術和檢測方法得到了迅速的發(fā)展并廣泛應用于各個領域。目前在醫(yī)學檢驗中的應用主要是免疫層析法和快速免疫金滲濾法，用于檢測HBsAg、HCG和抗雙鏈DNA抗體等，其中膠體金免疫層析技術憑借其快速、簡便、精確、穩(wěn)定等優(yōu)點，已經成為近年來生物產業(yè)化最成功的產品之一。劃液儀作為免疫層析試紙生產的專業(yè)設備內的主要設備之一，主要就是用于在NC膜表面劃出C/T線，鑒于免疫層析檢測試紙的廣泛應用，劃液設備的研究與開發(fā)具有廣闊的市場和應用前景。

一、系統(tǒng)的整體設計方案

目前國內生產的專業(yè)設備遠不及國外，主要因為國內的儀器在載體試紙上均勻穩(wěn)定的噴灑是一個重要問題。劃液頭將抗體劃到膜表面時，由于NC膜本身的物理性質較為軟脆，劃液頭很容易在其表面留下印痕。進口的噴液儀由于使用的材料和控制系統(tǒng)較好，所以留下的劃痕較輕，而國產儀器較差，留下的劃痕也就比較嚴重。劃痕容易對層析試紙上的金標復合物形成阻力，導致假陽性。同時跑板時容易在T線位置出現(xiàn)若有若無一條細線（鬼線），而形成跑板結束后鬼線又消失的奇怪現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，開發(fā)一套控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操作簡便，價格便宜且對劃液精度有所保障的劃液裝置顯得尤為重要。

劃液儀需滿足對恒速運動中的NC膜劃液的要求，其具體操作需要精準穩(wěn)定的供給裝置給予保證，滿足不同寬度的NC膜劃液。劃液頭與NC膜之間的距離為2mm-3mm，最大不能超過5mm，不允許出現(xiàn)印痕或劃痕。

主要設計思路是：設計一個位置調節(jié)平臺用于固定和調節(jié)劃液頭，調節(jié)方向可在多個自由度內移動。做劃膜操作時，劃液頭與NC膜之間的距離和檢測線與質控線之間的距離手動可調。主控裝置采用STC89C52作為主控芯片進行數(shù)據(jù)處理和整體控制，通過按鍵來選擇功能菜單，液晶屏顯示所選中的功能并在運行中顯示相關運行參數(shù)。單片機控制步進電機帶動絲杠上的滑塊按照設定參數(shù)或動作運動，實現(xiàn)均勻穩(wěn)定的劃液操作。在裝置的后電路板上設計RS485接口，便于PC通過RS485連接控制劃液儀。在PC機控制多個儀器通訊模式中，需設定每個劃液儀的地址和相同的波特率。

二、系統(tǒng)的硬件構成

（一）機械裝置

劃液儀的機械裝置包括位置調節(jié)裝置、傳動裝置和注射器固定裝置。注射器固定裝置與劃液儀的傳動系統(tǒng)設計如圖1和圖2。其中位置調節(jié)平臺符合四個半的自由度要求。其中平臺本身滿足三個自由度：XY三維，兩個劃液頭滿足一個半的自由度：升降和靠近。手動調節(jié)平臺使其在正確的位置劃液，平臺設計為交叉滾珠導軌，側面可鎖緊，很好地保證了每軸運動的平行度和垂直度。位移調整采用差動測微頭，使得裝置精度保證在納米級的微位移調整。劃液頭采用中空纖維管，因其柔韌而有彈性，特別適合在NC膜表面劃液，對微孔膜表面沒有損傷，不易留下劃痕。工作時，將注射器固定在裝置上的V型槽內并旋轉螺母夾緊注射器，按下釋放按鈕推動滑塊在絲杠上滑動，并和注射器的活塞固定在一起，單片機控制驅動電路提供步進電機所需的脈沖與電壓，絲杠將回轉運動轉化為直線運動，繼而推動注射器完成劃液操作。

圖1 注射器固定裝置示意圖

圖2 傳動裝置示意圖

（二）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)的硬件組成如圖2：裝置設計由外部交流電源供電，提供8-12V的電壓。在劃液裝置的設計中，要實現(xiàn)對多個負載的控制，系統(tǒng)占用I/O口數(shù)量較多，且考慮到單片機功耗和開發(fā)環(huán)境及功能等因素，系統(tǒng)選用STC89C52單片機作為主控制器，STC89C52具有八位數(shù)據(jù)處理功能，具有很好的兼容性，許多外圍接口芯片都可以與之匹配，并且具有功耗低、功能強大、價格低、性能穩(wěn)定等特點。裝置設置了兩種分配模式：一是總量分配模式：劃液儀保持設定流量跟蹤分配，當達到設定的注射目標容量后自動停止。二是運行模式：劃液儀按照設定速率運行直到手動停止或失步緊急停止。

圖3 硬件系統(tǒng)組成圖

當在運行中出現(xiàn)斷電恢復時，劃液裝置設定為保持停止直到給予新指令。為了方便快捷的操作，所有設置信息都存儲在EEPROM內，這樣可以有效地減少劃液儀設置次數(shù)。

1.液晶、鍵盤與開關

劃液儀中的液晶和鍵盤用于顯示和輸入命令，液晶用于實時顯示各種參數(shù)和運行狀態(tài)，如注射器直徑、劃液速度、目標劃液容量、劃液狀態(tài)、已劃液容量、劃液時間等，使操作者能夠實時掌握劃液儀的工作狀態(tài)，同時為人工控制劃液儀提供良好的人機交互界面。由于液晶顯示界面的特殊性，設計采用定制的液晶，預先把要顯示的參數(shù)、字符定制到液晶里面。液晶顯示采用芯片HT1621控制，HT1621直接與微控制器4線串行接口，控制簡單。劃液儀上電運行前需設定的參數(shù)包括注射器直徑，劃液速度和劃液目標容量，設定完成后劃液儀按照分配模式1進行工作，若沒有設定注射目標容量則按照分配模式2工作。

鍵盤電路主要用于劃液儀的各種參數(shù)或動作的設定，設計四個按鍵分別是：UP、DOWN、Select和RUN/STOP。設置地址撥碼開關用于設置儀器的地址，便于實現(xiàn)多機配合使用。多機模式中最多可連接15臺劃液儀，地址撥碼開關保證每個儀器有唯一的地址，便于上位機與每臺儀器分別通訊。

2.檢測電路

狀態(tài)檢測主要完成檢測注射器活塞運動位置、劃液阻塞判斷等任務。報警電路用于當裝置在工作過程中出現(xiàn)供電錯誤、注射完畢、注射器阻塞等不正常工作情況時提供聲光報警功能。報警聲音由蜂鳴器提供，發(fā)光二極管提供光報警功能。

在傳動裝置的機械設計中，在注射器活塞的初始位置和結束位置設置了兩個行程開關用來限制活塞的滑動，避免對注射針管底部的損壞。當活塞到達這兩個位置時會使相應的行程開關閉合，那么對位置的檢測就轉換為對行程開關狀態(tài)的檢測，由此判斷活塞運動是否開始或到達末端。

為了避免傳動系統(tǒng)的磨損，電機通過光電編碼器進行失步檢測，若因為干擾或流量限制等原因引起壓力增加并被光電編碼器檢測到后，編碼器停止編碼，進入堵轉狀態(tài)，發(fā)送脈沖信號，使電機停轉。此時屏幕顯示“失速”并產生聲光報警，按下select鍵后可清除報警。

3.電機傳動電路

控制器通過步進電機驅動器驅動步進電機，系統(tǒng)采用兩相混合式步進電機。步進電機驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電。從單片機I/O口出來的信號分別連接到驅動器的方向端、脈沖端和脫機端，驅動器與單片機的接線采用共陽端接法接5V電壓，輸出端接步進電機，直接控制其轉動。

通過絲杠的導程和步進電機旋轉速度可以調整注射活塞的推進速度，實現(xiàn)對劃液速度和容量的控制。系統(tǒng)采用絲杠的導程為1mm，即滾珠絲杠每旋轉360度滾珠絲杠移動一個導程，也就是1mm。選擇的步進電機的步進角為0.9度，步進電機工作在整步時，步進電機裝一周需要400個脈沖，每個脈沖可以使絲杠傳動0.0025mm。步進電機驅動器可以達到128細分，能更好地提高劃液儀的劃液精度和速度范圍。為了使推動滑塊具有足夠的推動力推動兩個注射器進行工作，選擇使用同步帶傳動步進電機和絲杠，其減速比為1：2.4。

4.RS485通訊接口

在劃液儀設計中加入通信模塊，便于PC控制儀器進行劃液操作，設計采用RS-485通訊接口，既實現(xiàn)多站收發(fā)，又使得裝置精度高、傳輸快、抗干擾能力強。采用SN75176BP完成從TTL電平到RS-485電平的相互轉換。同時選擇使用的通信協(xié)議是較為通用的Modbus協(xié)議。

三、系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)采用模塊化設計方法，軟件包括主控程序、菜單顯示模塊程序、步進電機驅動模塊程序和RS-485通訊程序。軟件的整個運行過程都是在外部中斷和時鐘中斷的共同調度下并行運行的，通過多級中斷優(yōu)先方式相互銜接來完成任務。

劃液儀上電后或者復位后，首先進行初始化，其中包括了單片機的初始化、液晶初始化以及開啟總中斷和中斷方式的選擇。接著進入菜單顯示模塊和鍵盤管理程序，相應的操作參數(shù)由液晶顯示屏顯示出來，通過延時去抖來判斷按鍵的鍵值，根據(jù)按鍵的不同來調用相應的子程序，開始儀器的運行過程。當按下運行鍵后，首先判斷滑塊的位置在起始位置后，確定步進電機的頻率，定時器完成初始化后，單片機采用中斷方式驅動步進電機開始動作。

RS-485通訊程序用于完成與上位機數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，上位機通過Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)與劃液儀的通訊。當需要數(shù)據(jù)通信時，RS-485通訊發(fā)送和接收模塊按Modbus協(xié)議進行通訊，啟動主程序后，上位機可自主設定劃液儀的各項參數(shù)，給予控制指令，并可以實時查詢工作狀態(tài)和錯誤代碼，保證系統(tǒng)工作正常。劃液儀主程序流程圖如圖4。

四、結束語

文章論述了免疫層析試紙劃液儀的整體設計，提出了一套可實現(xiàn)的硬件和軟件方案。劃液儀有經濟實用、輕巧簡便、劃液準確、維護便捷等特點，可對劃液狀態(tài)進行簡便的跟蹤和顯示。步進電機驅動器的高細分提高了運行速度范圍和劃液精度。實驗中可選擇的注射器的容量范圍：1ml-60ml，劃液流量可達到每小時0.1ml-200ml，實現(xiàn)了對劃液速度和劃液量的可靠控制。結果表明：系統(tǒng)具有可行性。目前，系統(tǒng)正不斷地進一步完善，使其擁有更廣泛的應用前景。

圖4 劃液儀主程序流程圖

［1］付海霞.免疫層析快速檢測技術的研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［2］蔣智勇.單片微型計算機原理及接口技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1992.

［3］劉新生.可編程注射泵控制系統(tǒng)的設計［D］.太原：中北大學，2008.

［4］馬忠梅，籍順心，張凱等.單片機C語言程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999.

Design and Implementation of Dispenser Device for Immunochromatographic Strip

WANG Qing，YU Na，LIANG Shu

（Xingtai Polytechnic College ， Xingtai， Hebei 054035， China）

According to the shortage of the production of immunochromatographic strip C/T line， the authors designed a professional draw liquid equipment for a set of constant linear velocity movement of NC membrane，mainly used to draw quantitative protein solution in the strip of NC film surface. In order to meet the requirements，dispenser instrument used single chip microcomputer as main control core， manual adjusted the position platform marking the appropriate location and spacing. Designed the position platform of independently regulate and precise and stable gearing， through the keyboard and LCD display made operation more simple and intuitive，liquid detection device increased the precision and stability. Add the RS-485 communication interface， so PC could control the instrument through the Modbus protocol when it used in the network. Practice proves that the performance of the instrument is economical and simple， stable performance and accuracy operation. It can be applied to the research and the development of small and medium-sized enterprises.

immunochromatographic； dispenser instrument； SCM； gearing； step motor

R446.6

A

1008—6129（2015）03—0092—04

（責任編輯 李建武）

2015—04—10

王清（1990—），女，河北邢臺人，邢臺職業(yè)技術學院電氣工程系，助教。