全自動拍擊式酶標板洗板機設計

摘要：為提高酶標板清洗效率，減少操作人員的工作量，降低檢測交叉感染風險，設計一種具有參數設定、數據記錄、流程狀態顯示等功能的全自動拍擊式酶標板洗板機。該洗板機的控制核心為嵌入式系統，通過讀取及判斷接近傳感器、編碼器等設備的狀態信息，控制各執行機構進行對應動作，模擬人手拍擊自動清理酶標板清洗后的廢液。通過實驗測試，清洗后的酶標板殘液量＜2 μL/孔，清洗效果良好。

關鍵詞：洗板機；拍擊式；酶標板；STM32F103RET6

中圖分類號：TP273" " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

洗板機是用于清洗酶標板檢測后殘留物質的專用儀器[1]，可降低后續因殘留物質而導致的檢測誤差。殘留物質通過清洗液和蒸餾水混合清洗去除[2]。現有的洗板機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]，在酶標板清洗后，還需要操作人員手動磕打幾次，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，但在離心甩干的過程中可能產生氣溶膠，造成交叉干擾和生物污染，導致后續檢測結果不準確。

為此，本文設計了全自動拍擊式酶標板洗板機，通過模擬人手拍擊的方式清洗12×8孔的酶標板廢液，提高酶標板的清洗效率，減小清洗殘液量，降低檢測時的交叉感染。

1" 洗板機結構及動作原理

全自動拍擊式酶標板洗板機（以下簡稱洗板機）主要由洗針排動作機構、翻轉拍擊機構、擦拭及排液機構、支撐框架、廢液槽等部分組成，其結構及拍擊動作示意圖如圖1所示。

洗針排動作機構帶動清洗針橫向、縱向移動，實現洗板動作時的定位注液功能；翻轉拍擊機構模擬人手進行翻轉拍擊，將酶標板上的廢液拍擊到廢液槽內，在翻轉拍擊過程中，由于存在慣性和表面張力，酶標板內的清洗液不會揮灑，保證了洗板效果；擦拭及排液機構盛接酶標板排出的廢液，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結構更加穩固，降低由拍擊、機構運動等引起的震動，提高洗板機的可靠性。

2" 控制系統硬件設計

洗板機控制系統采用嵌入式系統，以STM32F103RET6為控制核心，通過讀取限位開關、接近傳感器、編碼器、中斷等信號狀態，控制滾珠絲杠、直流電機、液泵、液閥、狀態指示等執行機構動作，并通過RS232與串口觸摸屏通信，實現洗板機的人機交互與動作控制功能。STM32F103RET6是一款ARM Cortex-M0 架構的32位高密度性能微控制器，可提供模數轉換器、通用計時器、PWM計時器、標準與高級通信接口以及多種增強型I/O與外設，最高運行頻率為72 MHz。洗板機控制系統硬件示意圖如圖2所示。

洗板機控制系統除STM32F103RET6外，還包括光電隔離器、控制器件、DC-DC穩壓電路、RS232通信電路等部分。光電隔離器用于隔離輸入信號，以提高抗干擾性；控制器件包括三極管、繼電器等，用于驅動滾珠絲杠的步進電機、直流電機、液泵、液閥、蜂鳴器等動作；該控制系統并非由單一電源統一供電，DC-DC穩壓電路用于電壓轉換；RS232通信電路用于控制系統與串口觸摸屏的通信。

3" 轉速計算

洗板機工作時，通過翻轉拍擊可排出絕大部分注入酶標板檢測孔內的清洗液。但由于液體具有表面張力，若拍擊力度不夠，殘留在檢測孔壁上的清洗液難以被完全清理。因此，拍擊時離心力需大于殘液表面張力，才能清理殘液。經過多次試驗得知，檢測孔內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[4]，為液面邊界長度。

由公式（1）計算得出，殘液表面張力。

在翻轉拍擊時，具有一定速度的旋轉臂受外力停止運動，此時殘液由于慣性作用繼續運動產生離心力，離心力計算公式[5]為

（2）

式中：為離心力，為旋轉臂運動角速度，為旋轉臂長度，為凸起液珠的質量。

變換公式（2），求值為

（3）

將， = 0.3 m，底部殘液質量kg代入公式（2），可得rad/s；即294 r/m。當旋轉臂旋轉速度大于294 r/m時，旋轉臂停止旋轉，可使殘液脫離酶標板檢測孔壁。

4" 控制系統軟件設計

洗板機控制系統程序基于STM32CubeIDE編制。STM32CubeIDE是針對STM32微控制器的開發平臺，采用C/C++進行代碼編制，具有STM32微控制器的配置、代碼生成、代碼編譯和調試等功能[6]。

4.1" 引腳配置

根據硬件設計要求，洗板機控制系統共留有接近傳感器接口6個、編碼器接口1個、限位開關接口4個、LED接口3個、蜂鳴器接口1個、直流電機接口2個、液泵、液閥接口5個、步進電機接口4個、串口觸摸屏接口1個。根據接口的不同定義，設定控制系統的微控制器引腳的定義如圖3所示。

在STM32CubeIDE環境內選擇STM32F103RETx作為開發芯片，在PinOut amp; Configuration內將對應引腳按照功能進行可視化配置，開發環境即可按照配置自動生成初始化代碼[7]。定時器、USART、中斷等配置操作類似。

4.2" PWM輸出占空比和頻率設定

在步進電機驅動旋轉臂對酶標板進行拍擊動作時，步進電機需要一個加速過程，以確保系統的穩定運行[8]。根據系統設定，定時器3的通道1為PWM發生器，帶動拍擊動作的步進電機進行控制脈沖輸出，即微控制器的第37引腳連接步進電機的脈沖接收端。進行拍擊動作時，設定PWM輸出占空比為50%，以保證脈沖信號高/低周期相同，避免因脈寬調整影響翻轉拍擊效率，并以中斷PWM輸出的方式開啟定時器3的通道1，其代碼為：

HAL_TIM_PWM_Start_IT（amp;htim3， TIM_CHANNEL_1）;

普通定時器8，設定每10 μs產生1次中斷，在中斷回調程序中寫入設定的PWM重裝值與分頻值。其中，重裝值可固定；分頻值在普通定時器8中每中斷一次增加一定的值，可實現PWM輸出頻率逐漸增加，以此逐漸加大步進電機的速度，其代碼為：

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

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

PWM以中斷的方式輸出，該方式通過脈沖數量計數，實現步進電機的控制。當步進電機達到設定速度并保持一段時間后，微控制器控制步進電機脫機，由于慣性作用，步進電機繼續旋轉直到碰到廢液槽，從而實現拍擊功能，并避免翻轉拍擊機構與廢液槽的硬接觸。在將酶標板檢測孔內的殘液排到廢液槽后，步進電機回到初始位置。

4.3" 控制系統流程程序設計

控制系統流程程序具有數據通信、數據存儲、洗板流程控制等功能。

數據通信實現了控制系統與串口觸摸屏之間的數據交換。通過RS232協議互相發送數據指令實現界面顯示、按鍵操作、數據切換等功能，一條完整的串口指令結構如表1所示。

洗板機的數據存儲在微控制器的flash里。由于洗板機控制程序也存儲在flash內，為保證程序運行不紊亂，數據存儲在相對較后的空間內。本系統以0x804B000作為存儲數據的初始地址，每2 k字節為一個扇區，以此類推，其代碼為：

#define flash_ADDR 0x804B000" " //flash存儲數據初始地址

在數據寫操作時，首先，解鎖flash的只讀功能，擦除要寫入扇區內的數據；然后，進行數據對應地址的寫操作；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

Write_Flash（0xa5， Flash_ADDR）; //寫入數據

Write_Flash（0xb6， Flash_ADDR+4）; //寫入數據

Write_Flash（0xc7， Flash_ADDR+8）; //寫入數據

HAL_FLASH_Lock（）; //加鎖flash

微控制器數據讀出操作非常方便，讀出數據的代碼為：

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

洗板機控制程序流程圖如圖4所示。

在處理酶標板殘液子流程和清洗酶標板子流程中，拍擊次數、清洗排數、清洗液注入量均可根據實際情況設定。清洗液注入量為50～300 μL/孔，根據注入清洗液持續時間進行控制。經過大量實際操作并計量，50～300 μL/孔的清洗液注入量能夠控制在±5%以內，可使酶標板的殘液量盡可能少。

5" 使用測試

全自動拍擊式酶標板洗板機實物如圖5所示。

清洗12×8孔的酶標板、清洗液注入量為300 μL/孔、清洗7次，記錄酶標板的空板質量和清洗后的質量，以便于計算殘液量；記錄每次清洗流程所用時間。經統計，每塊酶標板清洗流程在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，滿足實驗室對于殘液量的要求，說明該洗板機使用效果良好。

6" 結論

本文設計了一款全自動拍擊式酶標板洗板機，可清洗12×8孔的酶標板，具有清洗次數、清洗排數、清洗液注入量、拍擊次數設置等功能。該洗板機適用于醫院、血站、衛生防疫站、試劑廠、研究室的酶標板清洗工作，提高了酶標板的清洗效率，減輕了操作人員的工作量，降低了檢測時的交叉感染。但該洗板機后續仍需在體積、質量等方面進行改進。

參考文獻

[1] 崔麗娟，陳治水，袁蓉，等.安圖iWO-960全自動洗板機的維護與保養[J].醫療衛生裝備，2014，35（2）：155;164.

[2] 方志軍，劉耀煌，劉金柱.DEM-Ⅲ型自動酶標洗板機清洗針頭堵塞的預防及處理[J].現代檢驗醫學雜志，2004（4）：46.

[3] 譚志文，劉鑫，徐明明.全自動洗板機故障分析維修與保養[J].中國醫療器械信息，2021，27（5）：179-181.

[4] 胡粉娥，魏生賢，時有明，等.水的表面張力系數與溫度的關系的對比研究[J].曲靖師范學院學報，2015，34（3）：7-10.

[5] 周卿倩，岳曉婷.離心力概念辨析[J].物理教學探討，2021， 39（9）：59-62.

[6] 郭朕.STM32CubeIDE官方免費集成開發環境初探[J].電子世界，2020（13）：9-10.

[7] ST. STM32CubeIDE 快速入門指南[EB/OL]. [2024-04-23]. https：//www.st.com/resource/en/user_manual/dm00598966-stm32cubeide-quick-start-guide-stmicroelectronics.pdf.

[8] 鄒志強，何玉定.基于QT的步進電機加速曲線生成工具的研究與實現[J].廣東工業大學學報，2017，34（6）：83-87.

作者簡介：

趙旭，男，1975年生，本科，高級工程師，主要研究方向：嵌入式系統應用及工業自動化現場應用。E-mail： yonlone@163.com