全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：為提高酶標(biāo)板清洗效率，減少操作人員的工作量，降低檢測(cè)交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)一種具有參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄、流程狀態(tài)顯示等功能的全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)。該洗板機(jī)的控制核心為嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)讀取及判斷接近傳感器、編碼器等設(shè)備的狀態(tài)信息，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，模擬人手拍擊自動(dòng)清理酶標(biāo)板清洗后的廢液。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，清洗后的酶標(biāo)板殘液量＜2 μL/孔，清洗效果良好。

關(guān)鍵詞：洗板機(jī)；拍擊式；酶標(biāo)板；STM32F103RET6

中圖分類號(hào)：TP273" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：1674-2605（2024）02-0005-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.02.005

Design of a Fully Automatic Tapping Enzyme Label Plate Washing Machine

ZHAO Xu" CHENG Hua" WANG Shuai" LI Yuxia" ZHANG Tianlong

（Hebei Institute of Automation Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： To improve the efficiency of enzyme label plate cleaning， reduce the workload of operators， and reduce the risk of cross infection detection， a fully automatic tapping enzyme label plate washing machine with functions such as parameter setting， data recording， and process status display is designed. The control core of this plate washer is an embedded system， which reads and judges the status information of proximity sensors， encoders， and other devices， controls each executing mechanism to perform corresponding actions， and simulates manual tapping to automatically clean the waste liquid after enzyme label plate cleaning. Through experimental testing， the residual liquid amount of the cleaned enzyme label plate is less than 2 μL/hole， good cleaning effect.

Keywords： plate washing machine; tapping; enzyme label plate; STM32F103RET6

0" 引言

洗板機(jī)是用于清洗酶標(biāo)板檢測(cè)后殘留物質(zhì)的專用儀器[1]，可降低后續(xù)因殘留物質(zhì)而導(dǎo)致的檢測(cè)誤差。殘留物質(zhì)通過(guò)清洗液和蒸餾水混合清洗去除[2]。現(xiàn)有的洗板機(jī)一般利用清洗針吸取廢液至廢液容器或采用離心甩干的方式清理廢液。但清洗針容易堵塞[3]，在酶標(biāo)板清洗后，還需要操作人員手動(dòng)磕打幾次，才能將剩余殘液基本清理干凈。采用離心甩干方式清理廢液，雖然殘液量較少，但在離心甩干的過(guò)程中可能產(chǎn)生氣溶膠，造成交叉干擾和生物污染，導(dǎo)致后續(xù)檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

為此，本文設(shè)計(jì)了全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)，通過(guò)模擬人手拍擊的方式清洗12×8孔的酶標(biāo)板廢液，提高酶標(biāo)板的清洗效率，減小清洗殘液量，降低檢測(cè)時(shí)的交叉感染。

1" 洗板機(jī)結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理

全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)（以下簡(jiǎn)稱洗板機(jī)）主要由洗針排動(dòng)作機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)拍擊機(jī)構(gòu)、擦拭及排液機(jī)構(gòu)、支撐框架、廢液槽等部分組成，其結(jié)構(gòu)及拍擊動(dòng)作示意圖如圖1所示。

洗針排動(dòng)作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清洗針橫向、縱向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)洗板動(dòng)作時(shí)的定位注液功能；翻轉(zhuǎn)拍擊機(jī)構(gòu)模擬人手進(jìn)行翻轉(zhuǎn)拍擊，將酶標(biāo)板上的廢液拍擊到廢液槽內(nèi)，在翻轉(zhuǎn)拍擊過(guò)程中，由于存在慣性和表面張力，酶標(biāo)板內(nèi)的清洗液不會(huì)揮灑，保證了洗板效果；擦拭及排液機(jī)構(gòu)盛接酶標(biāo)板排出的廢液，并用清潔紙擦拭剩余殘液，保證殘液盡量少；支撐框架可使洗板機(jī)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，降低由拍擊、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等引起的震動(dòng)，提高洗板機(jī)的可靠性。

2" 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

洗板機(jī)控制系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，以STM32F103RET6為控制核心，通過(guò)讀取限位開(kāi)關(guān)、接近傳感器、編碼器、中斷等信號(hào)狀態(tài)，控制滾珠絲杠、直流電機(jī)、液泵、液閥、狀態(tài)指示等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并通過(guò)RS232與串口觸摸屏通信，實(shí)現(xiàn)洗板機(jī)的人機(jī)交互與動(dòng)作控制功能。STM32F103RET6是一款A(yù)RM Cortex-M0 架構(gòu)的32位高密度性能微控制器，可提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通用計(jì)時(shí)器、PWM計(jì)時(shí)器、標(biāo)準(zhǔn)與高級(jí)通信接口以及多種增強(qiáng)型I/O與外設(shè)，最高運(yùn)行頻率為72 MHz。洗板機(jī)控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

洗板機(jī)控制系統(tǒng)除STM32F103RET6外，還包括光電隔離器、控制器件、DC-DC穩(wěn)壓電路、RS232通信電路等部分。光電隔離器用于隔離輸入信號(hào)，以提高抗干擾性；控制器件包括三極管、繼電器等，用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、液泵、液閥、蜂鳴器等動(dòng)作；該控制系統(tǒng)并非由單一電源統(tǒng)一供電，DC-DC穩(wěn)壓電路用于電壓轉(zhuǎn)換；RS232通信電路用于控制系統(tǒng)與串口觸摸屏的通信。

3" 轉(zhuǎn)速計(jì)算

洗板機(jī)工作時(shí)，通過(guò)翻轉(zhuǎn)拍擊可排出絕大部分注入酶標(biāo)板檢測(cè)孔內(nèi)的清洗液。但由于液體具有表面張力，若拍擊力度不夠，殘留在檢測(cè)孔壁上的清洗液難以被完全清理。因此，拍擊時(shí)離心力需大于殘液表面張力，才能清理殘液。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得知，檢測(cè)孔內(nèi)壁或底部的殘液一般為直徑約2 mm的凸起液珠，其表面張力公式為

（1）

式中：為殘液的表面張力，為清洗液的表面張力系數(shù)[4]，為液面邊界長(zhǎng)度。

由公式（1）計(jì)算得出，殘液表面張力。

在翻轉(zhuǎn)拍擊時(shí)，具有一定速度的旋轉(zhuǎn)臂受外力停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)殘液由于慣性作用繼續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，離心力計(jì)算公式[5]為

（2）

式中：為離心力，為旋轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)角速度，為旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，為凸起液珠的質(zhì)量。

變換公式（2），求值為

（3）

將， = 0.3 m，底部殘液質(zhì)量kg代入公式（2），可得rad/s；即294 r/m。當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)速度大于294 r/m時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂停止旋轉(zhuǎn)，可使殘液脫離酶標(biāo)板檢測(cè)孔壁。

4" 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

洗板機(jī)控制系統(tǒng)程序基于STM32CubeIDE編制。STM32CubeIDE是針對(duì)STM32微控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C/C++進(jìn)行代碼編制，具有STM32微控制器的配置、代碼生成、代碼編譯和調(diào)試等功能[6]。

4.1" 引腳配置

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)要求，洗板機(jī)控制系統(tǒng)共留有接近傳感器接口6個(gè)、編碼器接口1個(gè)、限位開(kāi)關(guān)接口4個(gè)、LED接口3個(gè)、蜂鳴器接口1個(gè)、直流電機(jī)接口2個(gè)、液泵、液閥接口5個(gè)、步進(jìn)電機(jī)接口4個(gè)、串口觸摸屏接口1個(gè)。根據(jù)接口的不同定義，設(shè)定控制系統(tǒng)的微控制器引腳的定義如圖3所示。

在STM32CubeIDE環(huán)境內(nèi)選擇STM32F103RETx作為開(kāi)發(fā)芯片，在PinOut amp; Configuration內(nèi)將對(duì)應(yīng)引腳按照功能進(jìn)行可視化配置，開(kāi)發(fā)環(huán)境即可按照配置自動(dòng)生成初始化代碼[7]。定時(shí)器、USART、中斷等配置操作類似。

4.2" PWM輸出占空比和頻率設(shè)定

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂對(duì)酶標(biāo)板進(jìn)行拍擊動(dòng)作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)需要一個(gè)加速過(guò)程，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，定時(shí)器3的通道1為PWM發(fā)生器，帶動(dòng)拍擊動(dòng)作的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制脈沖輸出，即微控制器的第37引腳連接步進(jìn)電機(jī)的脈沖接收端。進(jìn)行拍擊動(dòng)作時(shí)，設(shè)定PWM輸出占空比為50%，以保證脈沖信號(hào)高/低周期相同，避免因脈寬調(diào)整影響翻轉(zhuǎn)拍擊效率，并以中斷PWM輸出的方式開(kāi)啟定時(shí)器3的通道1，其代碼為：

HAL_TIM_PWM_Start_IT（amp;htim3， TIM_CHANNEL_1）;

普通定時(shí)器8，設(shè)定每10 μs產(chǎn)生1次中斷，在中斷回調(diào)程序中寫(xiě)入設(shè)定的PWM重裝值與分頻值。其中，重裝值可固定；分頻值在普通定時(shí)器8中每中斷一次增加一定的值，可實(shí)現(xiàn)PWM輸出頻率逐漸增加，以此逐漸加大步進(jìn)電機(jī)的速度，其代碼為：

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD（amp;htim3，value1）; //設(shè)定重裝值

__HAL_TIM_SET_PRESCALER（amp;htim3，value2）; //設(shè)定分頻值

PWM以中斷的方式輸出，該方式通過(guò)脈沖數(shù)量計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)達(dá)到設(shè)定速度并保持一段時(shí)間后，微控制器控制步進(jìn)電機(jī)脫機(jī)，由于慣性作用，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到碰到廢液槽，從而實(shí)現(xiàn)拍擊功能，并避免翻轉(zhuǎn)拍擊機(jī)構(gòu)與廢液槽的硬接觸。在將酶標(biāo)板檢測(cè)孔內(nèi)的殘液排到廢液槽后，步進(jìn)電機(jī)回到初始位置。

4.3" 控制系統(tǒng)流程程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)流程程序具有數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、洗板流程控制等功能。

數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與串口觸摸屏之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)RS232協(xié)議互相發(fā)送數(shù)據(jù)指令實(shí)現(xiàn)界面顯示、按鍵操作、數(shù)據(jù)切換等功能，一條完整的串口指令結(jié)構(gòu)如表1所示。

洗板機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在微控制器的flash里。由于洗板機(jī)控制程序也存儲(chǔ)在flash內(nèi)，為保證程序運(yùn)行不紊亂，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相對(duì)較后的空間內(nèi)。本系統(tǒng)以0x804B000作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的初始地址，每2 k字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，以此類推，其代碼為：

#define flash_ADDR 0x804B000" " //flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)初始地址

在數(shù)據(jù)寫(xiě)操作時(shí)，首先，解鎖flash的只讀功能，擦除要寫(xiě)入扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)；然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地址的寫(xiě)操作；最后，加鎖flash的只讀功能，其代碼為：

HAL_FLASH_Unlock（）; //解鎖flash

Erase_Flash（Flash_ADDR）; //擦除扇區(qū)

Write_Flash（0xa5， Flash_ADDR）; //寫(xiě)入數(shù)據(jù)

Write_Flash（0xb6， Flash_ADDR+4）; //寫(xiě)入數(shù)據(jù)

Write_Flash（0xc7， Flash_ADDR+8）; //寫(xiě)入數(shù)據(jù)

HAL_FLASH_Lock（）; //加鎖flash

微控制器數(shù)據(jù)讀出操作非常方便，讀出數(shù)據(jù)的代碼為：

tmp=*（__IO uint32_t*）（Flash_ADDR）; //讀取flash地址值

洗板機(jī)控制程序流程圖如圖4所示。

在處理酶標(biāo)板殘液子流程和清洗酶標(biāo)板子流程中，拍擊次數(shù)、清洗排數(shù)、清洗液注入量均可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。清洗液注入量為50～300 μL/孔，根據(jù)注入清洗液持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)大量實(shí)際操作并計(jì)量，50～300 μL/孔的清洗液注入量能夠控制在±5%以內(nèi)，可使酶標(biāo)板的殘液量盡可能少。

5" 使用測(cè)試

全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)實(shí)物如圖5所示。

清洗12×8孔的酶標(biāo)板、清洗液注入量為300 μL/孔、清洗7次，記錄酶標(biāo)板的空板質(zhì)量和清洗后的質(zhì)量，以便于計(jì)算殘液量；記錄每次清洗流程所用時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每塊酶標(biāo)板清洗流程在1～2 min，清洗殘液量如表2所示。

由表2可知，平均殘液量lt; 2 μL/孔，滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)于殘液量的要求，說(shuō)明該洗板機(jī)使用效果良好。

6" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)拍擊式酶標(biāo)板洗板機(jī)，可清洗12×8孔的酶標(biāo)板，具有清洗次數(shù)、清洗排數(shù)、清洗液注入量、拍擊次數(shù)設(shè)置等功能。該洗板機(jī)適用于醫(yī)院、血站、衛(wèi)生防疫站、試劑廠、研究室的酶標(biāo)板清洗工作，提高了酶標(biāo)板的清洗效率，減輕了操作人員的工作量，降低了檢測(cè)時(shí)的交叉感染。但該洗板機(jī)后續(xù)仍需在體積、質(zhì)量等方面進(jìn)行改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：

趙旭，男，1975年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。E-mail： yonlone@163.com