膠體金噴膜儀的設計與開發

陳 曦 趙玉玲 郭 勇

(河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130)

0 引言

膠體金免疫層析技術是一種將膠體金標記技術、免疫層析技術等多種技術有機結合在一起的固相標記免疫檢測技術［1］。它利用膠體金本身的顯色特點，結合免疫層析技術達到檢測的目的。在此技術上發展起來的膠體金免疫層析試紙條技術發展迅速，在生物醫學領域特別是醫學檢驗中得到了廣泛應用，是一項新型體外診斷技術［2］。試紙條上的膠體金濃度對檢測的結果影響很大，如果膠體金的濃度不均勻或處理不好，就會使得被檢測的樣品釋放速度不同，從而導致不同免疫層析速測試紙條上的檢測線顏色深淺不一，影響對檢測結果的分析。

截止目前，還沒有一種專門用于膠體金免疫層析試紙噴金工藝的設備。鑒于膠體金免疫層析試紙條的廣泛應用，以及其噴金的工藝要求，研究并開發一套專門應用于實現膠體金噴金操作的設備顯得尤為重要。該設備具有廣闊的市場和應用前景。

1 系統總體設計

1.1 研究方法和實施方案

本文設計的膠體金噴膜儀，要求每次進行噴金操作時噴量準確，所噴出的膠體金均勻。對此，系統采用SMC精密減壓閥，它具有動作靈敏、密封性好、壓力設定點低等優點。膠體金溶液盛放在諾信工程流體分發(engineered fluid dispensing，EFD)儲液罐中，SMC 減壓閥可維持儲液罐中液壓的穩定。系統使用空氣壓縮機向儲液罐加壓，SMC減壓閥通過控制儲液罐中的壓力，可以準確地控制每次的噴金量。噴嘴選用美國斯普瑞的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。系統使用2個噴嘴，因此，噴金的范圍更大;同時每個噴嘴的高度也可以在儀器上手動調整，從而實現了在膠體金免疫層析試紙條上的噴金操作。系統采用高精度步進電機驅動絲杠，實現龍門架操作平臺的前后往復移動。噴膜儀通過液晶顯示屏進行操作，儀器的噴金參數可由按鍵設定;可存儲記憶程序;具有每次自動計數及限制數量的功能，方便用戶操作［3］。

1.2 系統設計原理

系統包括硬件和軟件兩部分。系統組成原理框圖如圖1所示。高精度步進電機驅動器用于驅動步進電機，通過控制絲杠的移動來控制平臺的移動。平臺的原點處設有一個微動開關，微動開關是一種施壓促動的快速轉換開關，方便每次噴金操作開始時檢測平臺是不是在原點處。平臺在原點開始進行噴金，當完成噴金操作時，平臺運動到原點位置極限處會被彈回，重新開始噴金操作。鍵盤電路的設計用來實現系統各個參數的輸入，液晶顯示電路實現系統菜單和參數的顯示。膠體金溶液盛放在儲液罐中，空氣壓縮機向儲液罐中加壓，通過減壓閥可以控制儲液罐中的壓力，從而控制每次噴金量，達到定量噴金的目的。單片機控制電磁閥的開閉，從而控制每次噴金操作的開始與結束。實際應用中，用戶可以根據自己的需要手動調節噴嘴的高度。

圖1 系統組成原理框圖Fig.1 Principle of the system composition

2 系統的硬件構成

系統硬件結構如圖2所示。根據系統要完成的功能，系統的硬件主要分為主控模塊、液晶顯示和鍵盤輸入模塊、步進電機驅動模塊、看門狗及EEPROM模塊。

圖2 系統硬件結構Fig.2 Hardware structure of the system

2.1 主控模塊

系統采用AT89C52單片機作為控制核心，進行系統控制和數據處理，實現對液晶顯示屏、鍵盤以及步進電機的控制。AT89C52單片機是一個低電壓、高性能CMOS的8位單片機，具有結構簡單、集成度高、可靠性高、處理功能強、速度快、功耗低、成本低、穩定性好、外圍電路簡單以及易實現嵌入式應用等優點，并可以在編程器上實現閃爍式電擦寫達數萬次以上，使用方便［4］。

2.2 液晶顯示和鍵盤輸入模塊

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(溶液的噴量、噴金的范圍、運行時間和運行狀態)，使操作者能夠實時掌握噴膜儀的工作狀態，同時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方式與微處理器相連接［6］。液晶顯示模塊的數據口直接與所選單片機的數據口P0口連接，串并口工作方式由跳線決定;數據信號輸入端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

噴膜儀控制系統的參數設置都是通過按鍵來完成的。系統采用獨立式鍵盤形式，按鍵控制電路如圖4所示。按鍵模塊共有6個鍵，分別通過+/－鍵、菜單鍵、設置鍵、停止鍵和運行鍵完成噴膜儀操作平臺運動參數和工作參數的輸入、光標的移動以及系統的啟動/暫停等。

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

2.3 步進電機驅動模塊

步進電機驅動模塊用于驅動步進電機，帶動操作平臺往復運動，從而完成噴金過程。系統采用AT89C52作為步進電機驅動電路的控制器，用于控制兩相(A、B相)混合式步進電機［7］。考慮到電壓和電流的匹配，選用北京時代超群公司的兩相高性能步進電機驅動器ZD-6560-V3。ZD-6560-V3驅動器具有集成度高、可靠性高等特點，最高驅動電流達到3.5 A;具有整步、二細分、八細分、十六細分可調，過熱自動保護，自動半流鎖定，衰減4檔可調，支持脫機、使能、鎖定等功能;輸入信號包括步進脈沖信號CP、方向控制信號U/D、脫機控制信號FREE。在該系統中，步進驅動器接收單片機發送的脈沖信號和方向信號，通過改變所發脈沖的頻率來改變步進電機的轉向和轉速。它將接收的一系列脈沖信號，按一定的順序分配給電機繞組，使各繞組按照預先規定的控制方式通斷電，從而控制步進電機的運行［8］。在本系統中，驅動器驅動電壓為24 V，細分前它每一步轉動1.8°，若將細分數調節到16，則它每一步將轉動1.8°/16，并根據系統要求的分辨率計算發出的脈沖數。單片機與步進電機驅動器的接口電路如圖5所示。步進電機與控制器之間采用共陽極的接線方法。由于單片機的供電電壓為5 V，因此R=0。

圖5 單片機與步進電機驅動器接口電路Fig.5 The interface circuit for single chip machine and stepping motor driver

2.4 看門狗模塊和EEPROM模塊

看門狗電路可以為系統提供可靠的復位，并且當系統運行出錯死機時可以使系統自動恢復。EEPROM用于存儲一些掉電時應當存儲的重要參數，以便使前一次修改的參數設置能保存下來，以備下次使用［9］。系統選用芯片AT24C02完成上述兩項功能。AT24C02具有可編程看門狗定時器，內部EEPROM可存儲2 kB的數據，可重復擦寫100萬次，數據保存不丟失，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 系統軟件設計

在這個控制系統的設計過程中，軟件編寫是一個非常重要的環節，軟件的質量直接影響整個系統功能的實現。噴膜儀控制系統軟件采用易于維護和功能擴展的模塊化結構，它主要由初始化、步進電機控制、定時中斷、液晶顯示等模塊組成。為方便調用，各模塊均編寫為子程序形式。整個程序設計在時鐘中斷和外部中斷下并行運行，并通過多級中斷優先方式相互銜接來完成相應的任務。當系統接通電源或復位后，首先進行初始化，即對AT89C52單片機數據口、鍵盤、液晶顯示、中斷方式等進行初始化。當使用者按下“運行”鍵后，主程序啟動，步進電機工作，在設定的時間間隔內作開始或結束，并隨時查詢步進電機工作狀態，保證系統工作正常;當按下“設置”鍵時，即對系統參數進行設置。為使得整個系統軟件流程清楚、結構清晰，便于以后系統的維護和升級，本文以 KeilμVision2［10］為軟件開發環境完成系統的程序設計。控制系統整體流程圖如圖7所示。

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

4 結束語

本文介紹了膠體金噴膜儀系統的工作原理，提出了一套可在膠體金免疫層析試紙條上實現噴金工藝的控制系統的軟硬件方案，彌補了現有噴金操作的缺點和不足，滿足了噴金操作噴量準確均勻、操作自動化的要求。該系統工作穩定、可靠，經試驗分析表明，該儀器滿足膠體金免疫層析試紙生產要求，具有廣闊的應用前景。

［1］詹曦菁，泰曉勇.膠體金快速診斷技術的研究進展［J］.中國人獸共患病學報，2007，23(1):86.

［2］林彤，獨軍政，叢國正，等.膠體金標記免疫層析技術的最新應用進展［J］.安徽農業科學報，2010，38(16):8430.

［3］代炳媛.往復式NC膜滑膜儀的研究與開發［D］.天津:河北工業大學，2011.

［4］張迎新.單片機微型計算機原理、應用及接口技術［M］.北京:國防工業出版社，2004.

［5］ Chi Hong，Chen Ming，Sun Zhihong.A step drive for let-off mechanism of looms［J］.Journal of China Textile University，1998，15(1):14 －15.

［6］馬成，何培祥，李慶東.圖形點陣式液晶顯示模塊與51單片機的接口設計［J］.應用天地，2007，26(5):77.

［7］付云強，宋鳳娟，韓來吉.AT89C51單片機在步進電動機控制系統中的應用［J］.煤礦機械，2007，28(8):90.

［8］王曉明.電動機的單片機控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［9］馬光.單片機原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［10］譚浩強.C 程序設計［M］.2版.北京:清華大學出版社，1999.