尿液分析仪的设计

张志清 张阳春

1 山西省医疗器械检测中心（太原 030012）

2 哈尔滨工业大学（哈尔滨 150001）

0.概述

目前尿液检验已是临床检验的重要项目，不仅应用于泌尿系统疾病，对其他全身性疾病的诊断、治疗也是不可缺少的。其临床意义有：（1）协助泌尿系统的诊断和疗效观察；（2）协助诊断其他系统的病变；（3）安全用药的监护；（4）中毒及职业病的辅助诊断；（5）运动员服用兴奋剂检查；（6）用于健康的评估。

我们设计的尿液分析仪具有操作方便、结果准确、快捷高效等优点，能兼容尿液检测10 项、11 项、12 项、13 项试纸，并采用内置微型热敏打印机自动打印分析结果，由大屏幕液晶显示器以中英文方式显示人机对话窗口，并能保存测试结果以供查询。仪器具有自动探测有无试纸、自动启动测试及自动卸条功能，其测定的项目有：白细胞（LEU）、亚硝酸盐（NIT）、维生素C（VC）、蛋白质（PRO）、潜血（BLD）、尿胆原（URO）、胆红素（BIL）、PH、比重（SG）、葡萄糖（GLU）、酮体（KET）、肌肝（Cre）、钙（Ca）。

尿液分析仪主要的硬件为：主控制器C8051F020；红外处理器、接条处理器、传送处理器AT89C2051；打印显示处理器P89C58；显示器CGM19264A3（LED）；红外接收管：PT204-6B；红外发射管：IR5311C；时钟：SD2200A；硅光电池：BPW21R；测量电机17H130H-03A；传送电机25BYZ-A013；接条电机42BYHJ07B；控制键盘：采用薄膜开关成型技术。其中，光学扫描机中采用低功耗、高亮度、长寿命的LED 发光管作为发光源，采用硅光电池作为光敏接收器件，硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，特点是：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性响应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近。

1.基本原理和流程

图1.尿液分析仪结构示意图

图2.系统构成的方框图

尿液分析仪采用微电脑进行控制，采用硅光电池作为光敏接收器件，接收红、蓝、绿三波长反射光的方式测定试剂带上的颜色变化，从而进行半定量的分析与测定。试剂带上有数个含各种试剂的试剂垫，各自与尿中相应成分进行独立反应，最终显示出不同颜色，颜色的深浅与尿液中某种成分的含量多少成比例关系，个别试剂带中还有另一个“补偿垫”，作为尿液本底颜色判定，以便对有色尿及仪器变化所产生的误差进行补偿。

测试流程是：将吸附有尿液的试剂带放在仪器接条部位，红外探测机构检测到试剂带后将其传动至测量部位，微电脑会驱动测量电机行走到试剂带的各个试剂垫，然后分别开启红、蓝、绿三种光源，试剂带上已产生化学反应的各种试剂垫被光源照射，其反射光被硅光电池接收，然后微处理器再将接收到的信号进行转化处理，从而最终实现尿液试剂带的分析与测定。尿液分析仪结构示意图见图1 所示。

尿液分析仪自动计算出反射率，自动打印出各种成分的相应结果，尿液中某种成分含量高，其相应试剂垫的反射光较暗，否则较强。

尿液分析仪的整个操作流程包含各部件的配合情况及顺序，如红外处理器驱动红外检测装置一直扫描托盘上有无放置试剂带，当扫描到有试剂带时，会给接条处理器一个信号，接条处理器在接收到此信号后会驱动接条电机把试剂带刮送到传动位置，然后接条处理器会给传送控制器一个信号，传送处理器在接收到此信号后会驱动传动电机将试剂带再传送到测量位置。然后传送处理器会给主处理器一个反馈信号，告知可以进行测试。主处理器在接收到此信号后开始启动测试，驱动测量电机进行光学扫描机构的移动和扫描测定，然后再将测定的结果进行处理，分送至显示器、打印机、串口。

系统构成的方框图如图2 所示。

2.硬件设计

2.1 电路I/O 口分配情况

尿液分析仪主处理器总计有8 个8 位I/O 端口，分别为P0 口到P7 口，每个口有8 条I/O 口线，8 个口总计有64 条I/O 口线，所以其一般无需再接其他I/O 扩展芯片，便可满足尿液分析仪正常需求。

分配原则：由于C8051F020 器件本身的特性，应将特有的端口（如串口、I2C 总线、外部中断INT0 和INT1、时钟）通过自定义的交叉开关功能将其分配至P0.0 至P0.7，JTAG 程序下载口接至TMS、TCK、TDI、TDO，除此之外，其他的则可以进行自由分配，将输出口、输入口、数据线各自设置在某个口。

2.2 主要电路设计

红外扫描发射管及指示灯控制图如图3 所示，为了保证足够的发光强度，采用D203、D204、D205 三个红外发射管，其控制端连接至红外处理器AT89C2051，由红外处理器实现对其的控制，三个发射管按一定的频率依次循环开启闪烁，以实现扫描区域的扫描。D201 为绿色指示灯，D202 为红色指示灯，两者均由红外处理器控制，分别用来指示现在仪器的状态（允许放置试纸条还是不允许放置）。

红外扫描接收部分电路图如图4 所示，其中PT204-6B 为红外接收管，CA3130 为高转换效率的运算放大器。当红外发射管按一定频率发射红外信号时，若红外接收管接收到反馈的信号，则HW_INPUTA 端将会有信号输出，否则其输出即为低电平。

图3.红外扫描发射管及指示灯控制图

图4.红外扫描接收部分电路图

图5.红外扫描数模转换控制图

图6.测量电机驱动电路

图7.照射光电路

图8.接收光测量电路

红外扫描数模转换控制图如图5 所示，数模转换芯片TLC5620 的DACB1 输出连接至LM339比较器的反相输入端，以便与红外接收管输出信号HW_INPUTA 进行比较判定。在此，DACB1作为红外探测的基准信号，当红外接收管输出信号大于此基准信号时，表示红外扫描区域放置有试纸条，否则表示无试纸条。

测量电机驱动电路如图6 所示，A、K 接步进电机的线圈两端，DACA 为C8051F020 的DA输出口，主要是为了给电机提供从0V 到2.4V 的一个电压变化，实现测量电机的细分驱动。图中的二极管主要是为了给电机线圈提供一个电流释放的通道，以保护三极管不受电机线圈反向电动势的冲击。

照射光电路如图7 所示，为光学扫描机构中的发光管控制电路连线图，其R2、G2、Y2 由主控制器C8051F020 控制，当采集数据时，此三组发光管分别点亮，考虑光强的效果红光以二只LED 发光管点亮，绿光以三只LED 发光管点亮，蓝光以一只LED 发光管点亮。

接收光测量电路如图8 所示，G1 为光电池，通过LM324 运算放大电路将其由感应到的电流信号转换为电压信号，然后放大后进行输出，其输出信号AD0 连接至主处理器C8051F020 的AD端，由此来实现信号的检测。C8051F020 有两个AD，一个为12 位，一个为8 位。在此选择12 位的AD 进行转换，以实现更高精度的测量。

3.尿液分析仪处理器的调试顺序

3.1 主控制器C8051F020 初始化端口、交叉开关。

3.2 主控制器C8051F020 给其他处理器发送复位命令，即一个高低电平变化，并告之主控制器已经准备好，然后等待其他处理器反馈复位成功信号。

3.3 其他处理器复位并初始化各器件（如接条电机复位、传送电机复位等）后给主控制器发送成功信号（通过将一条口线拉低来实现）。

3.4 主控制器在接收到其他处理器的复位成功信号后，开始初始化其他外围器件，如根据红外部分读回的AD 值设置红外比较的基准等。

3.5 测试顺序

3.5.1 启动测试的手段：

a)由红外处理器启动（注：可由主控制器将其屏蔽，以免在红外出现故障时能临时手动启动测试）；

b)由主控制器按键启动。

3.5.2 当红外处理器启动没被屏蔽时，红外处理器控制红外发射管按一定频率循环亮灭，并在检测到试纸条后给接条处理器一个信号。

3.5.3 接条处理器在接收到红外处理器发送过来的试纸条检测到信号后，判断：

a)接条电机是否处在初始位置（注：有可能此时正在接条）；

b)主控制器是否正处于菜单之中；

c)传送处理器是否允许接条（注：有可能此时传送电机正在传送）。

3.5.4 当上述三个条件任何一个发生时，则接条处理器不响应红外处理器的信号。

3.5.5 否则，接条处理器给主控制器一个信号，告之启动测试。同时控制接条电机进行试纸条的刮送。

3.5.6 在刮送到位置后，回撤一定距离，然后给传送处理器一个信号，告之可以开始传送。然后继续回撤到起始位置。

3.5.7 传送处理器在接收到接条处理器可以开始传送的信号后，启动两个传送电机进行传送，并在适当时刻告之接条处理器可以进行下一个条的刮送。

3.5.8 传送处理器在将试纸条传送到测量头部位时，给主控制器发一个信号，告之可以启动实际的测试。

3.5.9 主控制器在接收到传送处理器可以启动实际的测试信号后，控制测量电机进行试纸条的检测。

4.软件主程序

5.结束语

本文设计的尿液分析仪集合了电气、机械结构两方面的设计，是集成了光学、电子、计算机等技术为一体的用于尿液临床检测的高精度智能化仪器，该尿液分析仪有效地减小了操作者的劳动强度，减少人为造成的干扰，保证各标本的一致性；并将与尿液接触的所有部件设置为可拆卸式，以便用户清洗维护，减少长时间测试所造成的交叉污染；仪器的测试速度达到600 样本/小时，可满足临床更多的实际测试需求，广泛地应用于各医疗卫生部门。