胶体金喷膜仪的设计与开发

陈 曦 赵玉玲 郭 勇

(河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130)

0 引言

胶体金免疫层析技术是一种将胶体金标记技术、免疫层析技术等多种技术有机结合在一起的固相标记免疫检测技术［1］。它利用胶体金本身的显色特点，结合免疫层析技术达到检测的目的。在此技术上发展起来的胶体金免疫层析试纸条技术发展迅速，在生物医学领域特别是医学检验中得到了广泛应用，是一项新型体外诊断技术［2］。试纸条上的胶体金浓度对检测的结果影响很大，如果胶体金的浓度不均匀或处理不好，就会使得被检测的样品释放速度不同，从而导致不同免疫层析速测试纸条上的检测线颜色深浅不一，影响对检测结果的分析。

截止目前，还没有一种专门用于胶体金免疫层析试纸喷金工艺的设备。鉴于胶体金免疫层析试纸条的广泛应用，以及其喷金的工艺要求，研究并开发一套专门应用于实现胶体金喷金操作的设备显得尤为重要。该设备具有广阔的市场和应用前景。

1 系统总体设计

1.1 研究方法和实施方案

本文设计的胶体金喷膜仪，要求每次进行喷金操作时喷量准确，所喷出的胶体金均匀。对此，系统采用SMC精密减压阀，它具有动作灵敏、密封性好、压力设定点低等优点。胶体金溶液盛放在诺信工程流体分发(engineered fluid dispensing，EFD)储液罐中，SMC 减压阀可维持储液罐中液压的稳定。系统使用空气压缩机向储液罐加压，SMC减压阀通过控制储液罐中的压力，可以准确地控制每次的喷金量。喷嘴选用美国斯普瑞的Spray雾状喷嘴，在SMC减压阀不同的压力作用下，喷嘴喷出溶液的角度不同，从而改变喷金的范围。系统使用2个喷嘴，因此，喷金的范围更大;同时每个喷嘴的高度也可以在仪器上手动调整，从而实现了在胶体金免疫层析试纸条上的喷金操作。系统采用高精度步进电机驱动丝杠，实现龙门架操作平台的前后往复移动。喷膜仪通过液晶显示屏进行操作，仪器的喷金参数可由按键设定;可存储记忆程序;具有每次自动计数及限制数量的功能，方便用户操作［3］。

1.2 系统设计原理

系统包括硬件和软件两部分。系统组成原理框图如图1所示。高精度步进电机驱动器用于驱动步进电机，通过控制丝杠的移动来控制平台的移动。平台的原点处设有一个微动开关，微动开关是一种施压促动的快速转换开关，方便每次喷金操作开始时检测平台是不是在原点处。平台在原点开始进行喷金，当完成喷金操作时，平台运动到原点位置极限处会被弹回，重新开始喷金操作。键盘电路的设计用来实现系统各个参数的输入，液晶显示电路实现系统菜单和参数的显示。胶体金溶液盛放在储液罐中，空气压缩机向储液罐中加压，通过减压阀可以控制储液罐中的压力，从而控制每次喷金量，达到定量喷金的目的。单片机控制电磁阀的开闭，从而控制每次喷金操作的开始与结束。实际应用中，用户可以根据自己的需要手动调节喷嘴的高度。

图1 系统组成原理框图Fig.1 Principle of the system composition

2 系统的硬件构成

系统硬件结构如图2所示。根据系统要完成的功能，系统的硬件主要分为主控模块、液晶显示和键盘输入模块、步进电机驱动模块、看门狗及EEPROM模块。

图2 系统硬件结构Fig.2 Hardware structure of the system

2.1 主控模块

系统采用AT89C52单片机作为控制核心，进行系统控制和数据处理，实现对液晶显示屏、键盘以及步进电机的控制。AT89C52单片机是一个低电压、高性能CMOS的8位单片机，具有结构简单、集成度高、可靠性高、处理功能强、速度快、功耗低、成本低、稳定性好、外围电路简单以及易实现嵌入式应用等优点，并可以在编程器上实现闪烁式电擦写达数万次以上，使用方便［4］。

2.2 液晶显示和键盘输入模块

液晶模块选用金鹏OCMJ2X8C液晶显示屏。液晶用于显示胶体金喷膜仪的各种参数(溶液的喷量、喷金的范围、运行时间和运行状态)，使操作者能够实时掌握喷膜仪的工作状态，同时为人工控制喷膜仪提供良好的控制界面［5］。液晶显示模块采用串口访问方式与微处理器相连接［6］。液晶显示模块的数据口直接与所选单片机的数据口P0口连接，串并口工作方式由跳线决定;数据信号输入端STD与P1.0连接;液晶显示模块RESET/HALT挂接在+5 V电源上;片选信号与P1.1连接。液晶显示连接图如图3所示。

图3 液晶显示连接图Fig.3 Liquid crystal display connection diagram

喷膜仪控制系统的参数设置都是通过按键来完成的。系统采用独立式键盘形式，按键控制电路如图4所示。按键模块共有6个键，分别通过+/－键、菜单键、设置键、停止键和运行键完成喷膜仪操作平台运动参数和工作参数的输入、光标的移动以及系统的启动/暂停等。

图4 按键控制电路Fig.4 Control circuit for key buttons

2.3 步进电机驱动模块

步进电机驱动模块用于驱动步进电机，带动操作平台往复运动，从而完成喷金过程。系统采用AT89C52作为步进电机驱动电路的控制器，用于控制两相(A、B相)混合式步进电机［7］。考虑到电压和电流的匹配，选用北京时代超群公司的两相高性能步进电机驱动器ZD-6560-V3。ZD-6560-V3驱动器具有集成度高、可靠性高等特点，最高驱动电流达到3.5 A;具有整步、二细分、八细分、十六细分可调，过热自动保护，自动半流锁定，衰减4档可调，支持脱机、使能、锁定等功能;输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号U/D、脱机控制信号FREE。在该系统中，步进驱动器接收单片机发送的脉冲信号和方向信号，通过改变所发脉冲的频率来改变步进电机的转向和转速。它将接收的一系列脉冲信号，按一定的顺序分配给电机绕组，使各绕组按照预先规定的控制方式通断电，从而控制步进电机的运行［8］。在本系统中，驱动器驱动电压为24 V，细分前它每一步转动1.8°，若将细分数调节到16，则它每一步将转动1.8°/16，并根据系统要求的分辨率计算发出的脉冲数。单片机与步进电机驱动器的接口电路如图5所示。步进电机与控制器之间采用共阳极的接线方法。由于单片机的供电电压为5 V，因此R=0。

图5 单片机与步进电机驱动器接口电路Fig.5 The interface circuit for single chip machine and stepping motor driver

2.4 看门狗模块和EEPROM模块

看门狗电路可以为系统提供可靠的复位，并且当系统运行出错死机时可以使系统自动恢复。EEPROM用于存储一些掉电时应当存储的重要参数，以便使前一次修改的参数设置能保存下来，以备下次使用［9］。系统选用芯片AT24C02完成上述两项功能。AT24C02具有可编程看门狗定时器，内部EEPROM可存储2 kB的数据，可重复擦写100万次，数据保存不丢失，完全满足上述要求。AT24C02连接图如图6所示。

图6 AT24C02连接图Fig.6 AT24C02 connection diagram

3 系统软件设计

在这个控制系统的设计过程中，软件编写是一个非常重要的环节，软件的质量直接影响整个系统功能的实现。喷膜仪控制系统软件采用易于维护和功能扩展的模块化结构，它主要由初始化、步进电机控制、定时中断、液晶显示等模块组成。为方便调用，各模块均编写为子程序形式。整个程序设计在时钟中断和外部中断下并行运行，并通过多级中断优先方式相互衔接来完成相应的任务。当系统接通电源或复位后，首先进行初始化，即对AT89C52单片机数据口、键盘、液晶显示、中断方式等进行初始化。当使用者按下“运行”键后，主程序启动，步进电机工作，在设定的时间间隔内作开始或结束，并随时查询步进电机工作状态，保证系统工作正常;当按下“设置”键时，即对系统参数进行设置。为使得整个系统软件流程清楚、结构清晰，便于以后系统的维护和升级，本文以 KeilμVision2［10］为软件开发环境完成系统的程序设计。控制系统整体流程图如图7所示。

图7 系统主程序流程图Fig.7 The main program flowchart of system

4 结束语

本文介绍了胶体金喷膜仪系统的工作原理，提出了一套可在胶体金免疫层析试纸条上实现喷金工艺的控制系统的软硬件方案，弥补了现有喷金操作的缺点和不足，满足了喷金操作喷量准确均匀、操作自动化的要求。该系统工作稳定、可靠，经试验分析表明，该仪器满足胶体金免疫层析试纸生产要求，具有广阔的应用前景。

［1］詹曦菁，泰晓勇.胶体金快速诊断技术的研究进展［J］.中国人兽共患病学报，2007，23(1):86.

［2］林彤，独军政，丛国正，等.胶体金标记免疫层析技术的最新应用进展［J］.安徽农业科学报，2010，38(16):8430.

［3］代炳媛.往复式NC膜滑膜仪的研究与开发［D］.天津:河北工业大学，2011.

［4］张迎新.单片机微型计算机原理、应用及接口技术［M］.北京:国防工业出版社，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］马成，何培祥，李庆东.图形点阵式液晶显示模块与51单片机的接口设计［J］.应用天地，2007，26(5):77.

［7］付云强，宋凤娟，韩来吉.AT89C51单片机在步进电动机控制系统中的应用［J］.煤矿机械，2007，28(8):90.

［8］王晓明.电动机的单片机控制［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［9］马光.单片机原理及应用［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［10］谭浩强.C 程序设计［M］.2版.北京:清华大学出版社，1999.