基于數(shù)控電位器X9C103的溫度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

戚丹，李開良

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 南京 210029

引言

試管嬰兒即體外受精聯(lián)合胚胎移植技術(shù)，又稱試管嬰兒，是指分別將卵子與精子取出后，置于試管內(nèi)使其受精，再將胚胎前體—受精卵移植回母體子宮內(nèi)發(fā)育成胎兒[1]。在此過程中，重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是從女性體內(nèi)通過B超圖像引導(dǎo)穿刺取得卵泡，然后再進(jìn)行后續(xù)工作。卵泡離開體內(nèi)需要及時(shí)放入溫度為37℃的Falcon試管中，該試管是放在試管加熱器中進(jìn)行恒溫加熱的[2]。因此，試管加熱器溫度控制的準(zhǔn)確性極為重要，每天均需要對(duì)試管加熱器的控制溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)，停止使用試管加熱器，并對(duì)加熱器控制溫度進(jìn)行重新校準(zhǔn)等。本文介紹了一種基于X9C103的試管加熱器溫度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[3]。

1 COOK試管加熱器工作原理

澳大利亞COOK K-FTH-1012試管加熱器用于在卵母細(xì)胞恢復(fù)期間控制試管及其內(nèi)容物的溫度，并盡可能減少溫度對(duì)卵母細(xì)胞的損傷。最多可容納6只Falcon 2001試管，實(shí)物圖，見圖1。該試管加熱器采用12 VDC電源適配器直接供電，提高安全性和便捷性。加熱器出廠時(shí)溫度均調(diào)節(jié)至36.9℃，其面板沒有任何調(diào)節(jié)按鈕，僅有一琥珀色指示燈表示本機(jī)已通電。當(dāng)燈閃爍時(shí)，加熱器處于其最佳工作溫度[4]。

圖1 COOK試管加熱架實(shí)物圖

為了確保絕對(duì)安全，在用戶層面，其溫度是不能進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)用第三方溫度計(jì)檢測發(fā)現(xiàn)溫度存在偏移時(shí)，需要將試管加熱器整體寄往廠家進(jìn)行調(diào)校，每次調(diào)校所花時(shí)間在30天左右，需要支付近萬元調(diào)校費(fèi)用，可以說費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，降低了工作效率，有時(shí)嚴(yán)重影響工作。因此，尋找一種對(duì)試管加熱器進(jìn)行溫度調(diào)校的方法十分必要。

仔細(xì)研究試管加熱器工作電路，發(fā)現(xiàn)其加熱控制部分是利用一個(gè)電橋電路將溫度信號(hào)反饋給控制電路，來控制試管加熱器內(nèi)部加熱電阻工作與否，進(jìn)一步精確控制電路，其部分電路圖，見圖2。其中RT1、R1、R4和芯片X9C103共同組成電橋電路。RT1為100 kΩ的NTC負(fù)溫度系數(shù)的溫度電阻，R1和R4為固定阻值電阻，芯片X9C103為可編程電位器，可編程輸出所需要的阻值[5]。RT1感應(yīng)加熱器溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值36.9℃時(shí)其阻值為60.88 kΩ，此阻值與R1、R4以及芯片X9C103共同組成電橋輸出至后面比較電路，進(jìn)行電路控制。改變芯片X9C103的輸出阻值可以改變電橋的平衡狀態(tài)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)試管加熱器的溫度[6]。

圖2 溫度調(diào)節(jié)器電路圖

2 芯片X9C103原理

在各種電橋電路中，為了調(diào)節(jié)電橋平衡， 必須對(duì)電位器進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，方能使電橋達(dá)到平衡。芯片X9C103是100 階的數(shù)字電位器。 其電阻范圍為4 Ω～10 kΩ。X9C103片內(nèi)包含有99個(gè)電阻單元的電阻陣列，以串聯(lián)的形式連接。在每個(gè)單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有被滑動(dòng)單元訪問的抽頭點(diǎn)。其內(nèi)部電路，見圖3?；瑒?dòng)單元的位置由和三個(gè)輸入端控制，一旦位置選定后，可存放在非易失性存儲(chǔ)器中，因而在下一次上電時(shí)可重新調(diào)用，輸出所設(shè)定的阻值，不需要每次進(jìn)行輸入控制量[7-8]。

圖3 X9C103內(nèi)部電路圖

在兩個(gè)端點(diǎn)( VH和VL) 和每個(gè)電阻之間有一個(gè)電子開關(guān), 它能把該點(diǎn)的電位傳輸?shù)交瑒?dòng)端三個(gè)輸人引腳能控制滑動(dòng)端在電阻陣列中移動(dòng)的位置, 當(dāng)為低電平時(shí), 則芯片X9C103被選中，這時(shí)和輸入引腳才能接受信號(hào)[9]。當(dāng)輸入引腳由高到低的變化可能增加或減小一個(gè)7 位計(jì)數(shù)器的值, 主要由輸入引腳電平?jīng)Q定。當(dāng)為高電平，計(jì)數(shù)器的值增加；當(dāng)為低電平，計(jì)數(shù)器的值減小。進(jìn)而增加或減小輸出的阻值[10]。其工作原理模式選擇情況，見表1。

表1 X9C103工作模式選擇表

3 溫度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

根據(jù)1和2所介紹的COOK試管加熱器工作原理以及芯片X9C103原理，設(shè)計(jì)出電路如圖1所示的COOK試管加熱器溫度調(diào)節(jié)器。圖中，開關(guān)S3為單刀雙擲開關(guān)，連接X9C103片選引腳，默認(rèn)與a點(diǎn)聯(lián)通，使片選端為高電平，芯片以阻值輸出模式工作；當(dāng)S3與b點(diǎn)連接時(shí)，端為低電平，為片選狀態(tài)。開關(guān)S2為單刀雙擲開關(guān)，其控制阻值增加或減小，與芯片引腳相連，當(dāng)為低電平時(shí)有效[11]。按鍵S1為引腳信號(hào)輸入端，在芯片為片選狀態(tài)下，根據(jù)的狀態(tài)，每按一次，阻值輸出就會(huì)增加或減少相應(yīng)的值，根據(jù)需要選擇按鍵次數(shù)。電容C1為按鍵防抖動(dòng)電容。根據(jù)電路圖所制作的實(shí)物圖（圖4）。實(shí)物中兩連接線分別與COOK試管加熱器和12VDC電源適配器相連，選擇合適狀態(tài)通過按鍵即可調(diào)節(jié)試管加熱器的溫度（表 1）[12-13]。

圖4 溫度調(diào)節(jié)器實(shí)物圖

4 溫度調(diào)節(jié)器應(yīng)用

科室送修COOK試管加熱器溫度不準(zhǔn)確，用溫度計(jì)測量發(fā)現(xiàn)偏低，只有34℃，影響使用，需要對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)校。將溫度調(diào)節(jié)器與熱管加熱器按照連接方式連接好，發(fā)現(xiàn)試管加熱器面板指示燈常亮，開始加溫，試管加熱架內(nèi)放一盛水的試管，試管內(nèi)放一個(gè)溫度計(jì)用于檢測溫度[14]。當(dāng)指示燈閃爍時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)溫度為34℃，此時(shí)將片選開關(guān)撥至開關(guān)撥至UP，連續(xù)按鍵10次后，將撥至ffffd3端，從真值表可以看出，此步驟是將新的阻值保存[15]。此時(shí)發(fā)現(xiàn)指示燈常亮說明試管加熱架在加熱，當(dāng)指示燈閃爍時(shí)，溫度計(jì)指示溫度為34.5℃，溫度仍然偏低。繼續(xù)片選，連續(xù)按鍵30次，保存阻值，指示燈常亮開始加溫，如此反復(fù)調(diào)校，將試管加熱器溫度調(diào)至36.9℃[16]。

溫度調(diào)校完成后，測量數(shù)字電位器X9C103輸出的阻值，找到與該阻值一致的1/8W的固定色環(huán)電阻，用固定阻值電阻替換數(shù)字電位器，讓加熱器重新工作，待電路穩(wěn)定后測量試管加熱器溫度為36.9℃，說明使用數(shù)字電位器進(jìn)行溫度調(diào)校的方法是準(zhǔn)確和可行的。

5 總結(jié)與討論

此溫度調(diào)節(jié)器可以方便快捷的調(diào)校COOK試管加熱器的溫度，每次調(diào)校均可為臨床節(jié)省時(shí)間以及相關(guān)的調(diào)校費(fèi)用，一定程度上提高了工作效率，確保了臨床使用的安全，保證了試管嬰兒取卵環(huán)節(jié)的可靠性。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于，能夠利用COOK試管加熱器加熱控制原理，設(shè)計(jì)制作出能夠?qū)訜峥刂齐娐愤M(jìn)行調(diào)節(jié)的外圍電路，解決了該試管加熱器溫度調(diào)校問題，確保溫度準(zhǔn)確。不足之處是，該設(shè)計(jì)目前只能完成試管加熱器的調(diào)校工作，不能對(duì)試管加熱器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)校方面還有較大的擴(kuò)展空間。