连续式NC膜划膜装置

陈 曦，王 清，蔡姗姗

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

0 引言

20世纪90年代以来，基于单克隆技术、免疫层析技术以及新材料技术的飞速发展，且由于其具有快速精确、稳定简洁、不需特殊设备、结果判断直观等优点，免疫层析诊断测试技术已经成为一项受到人们广泛重视的新型快速检测技术，因此针对划膜仪的具体划膜装置的研究具有广阔的市场和应用前景。免疫层析试纸条是结合抗原抗体的免疫学反应和层析原理制备而成的，经特异性的抗原（或抗体）以条带状固定于玻璃纤维膜和硝酸纤维膜的检测线（T）和质控线（C）上，将标记试剂吸附到结合垫上，当待测样品加到试纸条一端的样品垫后，通过毛细作用向前移动，溶解固化在结合垫上的标记试剂后相互反应，再移动至固定的抗原（或抗体）的区域时，待测物和标记试剂的复合物又与之发生特异性结合而被截留，聚集在检测带上，通过可目测的标记物得到直观的显色结果，从而得出检测结果［1］。

免疫层析速测试纸条需以条状纤维层析材料为固相进行溶液的包被，目前常用的即为醋酸纤维膜。醋酸纤维膜又称NC膜，因其拥有的高蛋白吸附容量和良好的亲水性赋予了NC膜快速层析的特性。试纸在生产过程中一般有3种溶液的包被处理，其中在免疫层析试纸硝酸纤维素膜表面进行检测线（T）和质控线（C）的包被，是试纸生产制作的关键环节之一［2］。但对醋酸纤维膜进行溶液的包被技术在实际研究和应用中也暴露了一些不足。生产过程中，在NC膜上实现对待测物的受体（如抗体或抗原）喷液工艺的操作还是较落后的，使得喷液操作的精度低、效率低。市面上的划膜仪操作复杂，在运行过程中速度、流量不稳，精度不够，划液不均匀，并且大多设备是由国外进口，价格昂贵，设备及配件不能完全满足国内生产实际需要，不便于更换维修。为此，我们选择用单片机MPC82G516A实现与工业注射泵的串口通讯，设计了一种连续式NC膜划膜装置。

1 系统的整体设计方案

NC膜划膜装置是一个对整卷连续匀速运动的NC膜进行三线划膜的装置。方案选择以连续式划膜仪为平台，在NC膜匀速运动的前提下，采用单片机作为主要的控制核心，通过工业注射泵在满足三个半自由度的调节平台上固定由纤维管做的划线头完成划线。选择用于精密流体传输的高精度工业注射泵，使得喷液量更加精确，划线更加均匀，配置3个注射泵，可同时划检测线1、检测线2和质控线。多自由度位置调节平台设计使得整体划膜操作装置满足了不同宽度NC膜划膜要求且装置整体位置便于调整、维修。做划膜操作时，划膜纤维管头与NC膜之间的距离和划膜的3条线（检测线1、检测线2和质控线）之间的距离均手动可调。采用进口中空纤维管做的划线头柔韧而有弹性，特别适合在膜表面划线，对微孔膜表面没有损伤，不会留下划痕［3］。实际应用中进行简便调节即可避免NC膜划膜操作产生的印痕或划痕，满足生产划膜要求。划膜装置的喷液量、运行速度和喷洒精度由单片机存储程序进行控制，实际运行中由精准稳定的工业注射泵给予保证。

2 系统的硬件构成

2．1 多自由度位置调节平台

多自由度位置调节平台符合四个半的自由度要求，并且能按预定轨迹准确运动，且运动平稳，可靠性高。手动调节结构简单可靠、成本低，可以快速调节以满足不同厚度、不同宽度的NC膜划膜要求。

其中整体划膜操作装置应具有3个自由度（X、Y、Z），用以满足不同宽度NC膜的不同位置划膜，且使装置整体位置便于调整、维修。整体划膜平台采用交叉滚珠导轨，机构紧凑，寿命长，可很好地保证每轴运动的直线度、运行平行度和垂直度。加入侧面锁紧设计，位移调整采用差动测微头，使得装置精度高，可以保证调节装置纳米级的微位移调整。

3个划膜纤维管头应具有一个半自由度（升降和靠近），用于满足与NC膜之间距离和3条划线之间距离的调节要求。其调节机构也采用交叉滚珠导轨，结构设计超薄，能在小空间内实现升降和靠近操作。做划膜操作时，划膜纤维管头与NC膜之间的距离手动调节至合理、准确位置，避免NC膜上出现印痕或划痕，且划膜的3条线之间的距离可有效控制为2mm～3mm，最大不会超过5mm。

2．2 控制和通信模块

单片机具有其本身的体积优势［4］，故划膜装置采用单片机进行控制和数据处理。本系统选用MPC82G516A作为系统的控制芯片，实现与工业注射泵的串口通信。MPC82G516A是基于80C51的高效1－T结构的单芯片微处理器，与8051指令集兼容，因此在与标准8051有同样的处理能力的情况下运行速度非常低，能很大程度地减少耗电量。其拥有64kB的内置Flash存储器，用于保存代码和数据，除具有8051MCU的标准功能外，还集成了很多系统级的功能。这些功能能够有效地减少电路板面积和系统成本，使得MPC82G516A作为一个强有力的微控制器能很好地应用在划膜装置中。

划膜装置选取工业注射泵来实现装置的蛋白质试剂的划膜，所以通信模块的稳定、可靠是非常重要的。MPC82G516A单片机内部具有1个全双工口的串行通讯口，可同时发送和接收数据。根据工业注射泵的配置，可选用RS232或RS485两种接口，由于划膜装置设计时使用3个注射泵工作，即多站收发，而且要求仪器精度高、传输快、抗干扰能力强，考虑到RS－485可以很好地满足这些要求，所以采用RS－485串行通信接口进行通信设计。工业注射泵采用标准RS－485接口，而单片机串口的电平为TTL电平，因此必须在单片机串口和注射泵RS－485接口之间加上电平转换电路。这里采用SN75176BP完成从TTL电平到RS－485电平的相互转换。

2．3 工业注射泵工作参数

选用的工业注射泵是一款结构紧凑、用于精密流体传输的产品。其对于精度要求有可靠保障，拥有大范围的喷液速度和多种容量选择，可配以多种类型的阀，实现多泵配合使用；且其拥有强大的指令系统，用户可自行对注射泵设置工作模式和参数，也可发送错误代码并且查询状态。

划膜装置对于工业注射泵注射器类型提供了很多种选择，分别有50μL、100μL、250μL、500μL、1mL、2．5mL、5mL，可满足不同的划线剂量要求；适用阀包括3口Y型阀、T型阀、3口分配阀、Y型直通阀等；满行程为30mm（3 000步），线速度范围可达到16．67 μm／s～25mm／s（即最慢30min走完满行程，最快1．2 s走完满行程）；行程控制精度≥30%行程时，误差≤5‰，行程控制误差＜30%行程时，误差≤1% 。

3 系统的软件设计

用C语言编写的目标程序编译速度快，有良好的可移植性，因此，划膜装置选择用C语言对单片机进行串口异步通信程序设计。装置采用总线型主从式结构，单片机发送的数据可以被各个工业注射泵接收。而各个工业注射泵发送出来的命令只能由单片机接收，各个泵之间不能够交换数据［5］。在单片机的多机通信过程中，主机程序采用中断方式实现串口数据接收。单片机的主机程序分为变量定义、初始化、向从机发送数据帧、数据接收（中断方式）4个整体模块，为方便调用，它们均编写为子程序形式。当系统接通电源或复位后，首先对中断方式和串口进行初始化，启动主程序后，单片机设定工业注射泵参数，给予控制指令，并可以实时查询工业注射泵的工作状态和错误代码，保证系统工作正常。以Keil＿u Vision3为软件开发环境完成系统的程序设计，便于以后系统的维护和升级。单片机通信程序框图如图1所示。

图1 单片机通信程序框图

4 结束语

依托连续式划膜仪，采用单片机作为主要的控制核心对工业注射泵进行控制，设计了连续式NC膜划膜装置，该装置具有经济实用、轻巧简便、划膜准确、维护便捷等特点。经测试表明设备工作可靠、稳定，手动操作精准、便捷，满足免疫层析试纸条C／T划膜的生产要求，以更为经济的自动化生产手段弥补了目前划膜装置的不足之处，满足大规模、经济快速的生产要求，可广泛应用于生物、医学等领域当中。

［1］ 付海霞．免疫层析快速检测技术的研究［D］．杭州：浙江大学，2008：7－18．

［2］ 黄芬，叶紹辉，龚振明．免疫层析快速诊断试纸条的制备及其应用［J］．当代畜牧，2006（8）：20－22．

［3］ 陈曦，代丙媛，李玲．往复式NC膜划膜仪［J］．仪表技术与传感器，2012（1）：24－25．

［4］ 陈慧勃．NC膜涂膜机的研制与开发［D］．天津：河北工业大学，2007：11－12．

［5］ 李宁．基于PC机和单片机主从式控制系统的设计［D］．西安：西安理工大学，2008：33－34．