基于单片机的涂板仪的设计

钱明理，谢海源

上海交通大学医学院附属新华医院资产管理部，上海市，200092

基于单片机的涂板仪的设计

【作 者】钱明理，谢海源

上海交通大学医学院附属新华医院资产管理部，上海市，200092

细菌培养首先需要将细菌标本接种于固体培养基上。为解决细菌标本接种手工操作速度慢、效率低的问题，设计了一种小型的设备。涂板仪采用单片机驱动步进电机工作，可实现加减速、翻转、暂停等功能。电机通过托盘带动培养皿匀速转动。设备实用性强，技术员只需做简单的操作即可快速完成细菌标本接种工作，接种均匀，大大提高了工作效率。

细菌培养；涂板仪；单片机；步进电机

细菌培养首先需要将细菌标本接种于固体培养基上，做分离培养。再进一步对所得单个菌落进行形态、生化及血清学反应鉴定。标本接种到培养基上，是一个手工完成的过程，目前没有专门设备来进行辅助操作。设计一种设备，能提高标本接种的效率，这是检验科技术员的一个需求。根据这个需求，设计了小型的设备涂板仪。

1 设计思路

手工进行标本接种需要将标本均匀的涂抹在培养基上。操作人员需要同时进行涂抹和转动培养皿，以保证尽可能的均匀接种。这种操作速度慢，涂抹均匀性较差，对后期的反应鉴定带来较大的影响。

设计一种仪器，能带动培养皿做匀速旋转，检验人员只需用棉签一次性划过培养皿即可将标本均匀接种到培养基上。这种方法一定程度上减轻了工作强度，提高了工作效率，而且涂抹的均匀性可得到较大提高。另外仪器的转速可调，可正反转，方便不同操作人员的需要。

2 设计方法

设计仪器分三部分：控制部分，电机驱动部分和机械支撑部分。即单片机控制步进电机，电机带动培养皿转动。

2.1硬件设计

根据经验，采用单片机进行设计较为经济，而且应用性更强，程序可根据需求进行开发和修改。控制部分完成电机驱动和电机控制。项目采用STC89C52单片机进行设计[1]。

单片机P1口发生控制信号。P1.0～P1.3口分别连接微动开关，P1.0口控制加速，P1.1口控制减速，P1.2口控制转动方向，P1.3口为暂停和重启控制，低电平触发。

单片机P2口产生驱动脉冲信号，控制电机旋转。因电机型号不同，可以是两相四线也可能是四相六线或其他接线方式，P2口与驱动芯片之间采用跳线帽连接，以满足不同电机驱动的需要，增强适应性。

单片机I/O口的驱动能力是非常有限的，51单片机的驱动电流一般都在10 mA以下，而电机的驱动电流需要几百mA，必须使用驱动芯片对电流和功率进行放大。三极管可用于电流放大，作为电机的驱动，采用达林顿管较为合理。达林顿管是两个三极管的直接连接，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，电流放大能力更强。这里采用ULN2003高耐压，大电流达林顿管陈列[2]。他由7个NPN达林顿管组成，在5 V工作电压下，能与TTL电路直接连接，非常适合单片机电机进行驱动。该芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，耐压50 V。

图1 ULN 2003Fig.1 ULN 2003

单片机可控制步进电机和伺服电机。伺服电机性能较步进电机好，但其成本也比步进电机高很多。从成本和实际使用的角度考虑，采用步进电机更为合理。设备实际采用的是减速步进电机。减速步进电机与步进电机相比，转速更慢，力矩大，运行平稳。涂板仪设计转速在50 rps左右，选择电机减速比为1：10。设备选择两相六线电机，驱动时序采用八拍方式，12 V供电，时序图如下所示。

图2 电机驱动时序Fig.2 Drive sequence of motor

因设计的是测试样机，机械支撑部分相对简单。制作一塑料托盘，并设计与电机转轴匹配卡扣即可。托盘将随着电机转动。另外为了防止培养皿在托盘上打滑，在托盘上固定橡胶层，增加摩擦力。

2.2软件设计

软件设计采用Keil uVision4开发环境C语言进行设计。正反转时序分别放置在两个数组中，由P2口输出，只要循环调用数组即可保证输出正确的脉冲信号。

程序设计的难点是，如何通过按键进行电机控制。因按键本身的物理结构，在按下和抬起的10 ms时间内，会有抖动现象，出现多次触发，如图3所示。

图3 按键抖动Fig.3 key shake

工作状态下，电机的脉冲周期小于10 ms，用常规的软件消抖方式将严重影响电机的正常工作，触发脉冲频率被打乱，步进电机可能产生失步现象。所以需要有其他的办法来进行消抖处理。

消抖可以通过硬件或者软件来实现。硬件消抖通过并联电容(图4)、RS触发器(图5)或施密特触发器实现，后两种硬件消抖效果相对较好。但是硬件消抖需要增加消抖电路，没有软件消抖来的直接。

图4 电容消抖Fig.4 Capacitance elimination buffeting

图5 RS触发器Fig.5 RS trigger

在单片机设计中，大多数情况下是采用软件方式来消抖的。问题是，采用常规的延时10 ms来判断按键是否被按下，在这里行不通。所以专门设计了定时器消抖程序。全局变量key_con用来控制按键的状态，每个周期都对key_con的值进行查询，uchar key_ cmd()函数用来判断按键是何种指令。以下是按下加速键的控制程序示例。

//按键命令的判断

uchar key_cmd(){

uchar k=0x00;

if(FASTER==0) k=0x01;

if(k!=0x00){

TR0=0;

q=10;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

TR0=1; }

return k;

}

//主函数,电机控制采用查询方式/////////////////////////////////

void main(){

init();

while(1){

if(i＞=8) i=0;

P2=direct[i];

delay_ms(ms);

P2=0x00;

if(key_con==0x00) key_con=key_cmd();

i++;

}

}

void timer0() interrupt 1{

TR0=0;

if(q＜=0){

if(key_con==key_cmd()){

if(key_con==0x01&&ms＞1) ms=ms-1;

}

key_con=0x00;

}else{

TR0=0;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

TR0=1;

q--;

}

}

主程序按周期发送电机驱动脉冲，并查询key_ con状态。当有按键动作时，key_con状态改变，且不为0，此时单片机执行key_cmd()函数，对按键命令进行判断，并启动定时器。只有key_con不等于0时，key_cmd()函数不执行，直至定时器中断触发。所以在抖动状态，定时器中断服务程序不会执行，很好的避开了抖动状态。

设单片机采用12 MHz晶振，则一条单周期指令的执行时间为1 μs，这是电机脉冲周期的1‰，可以认为少量指令的执行对电机的脉冲并没有影响。这样既做到了电机的正常运转，也保证了按键的正常触发。

3 使用测试

涂板仪是实用型设备，原型机交付检验科细菌室做测试。开机初始化速度为50 rpm，测试时未出现电机振动和转动力矩不够的现象，培养皿涂抹结果，经检验科人员观察，均匀性很好。下表为该设备与手工涂板的效率比较。

表1 工作效率比较Tab.1 Effciency comparison

表格显示，工作效率提高明显，设备使用效果较好。该设备的设计，基本达到了科室的使用要求。

[1] 宏晶科技. STC89C51RC/RD+系列单片机工作指南[EB/OL]. [2005-2-16]. http: // www.MCU-Memory.com.

[2] 友达集成电路. 高耐压, 大电流达林顿陈列-ULN2003[EB/OL]. [2004-9-20]. http: // www.e-youda.com.

糖尿病治疗新器械

日前，南京医科大学消化内镜研究所研发出一款治疗肥胖症及糖尿病的十二指肠套管和输送器。十二指肠套管由钛合金骨架和管道构成，当它被无创植入人体时，上端固定于十二指肠与胃交界处，下端位于屈氏韧带下。胃内的食物从套管腔内通过，胆汁及胰液隔离于套管外，阻断对食物的消化吸收。

实验发现，十二指肠套管植入对肠道整体的营养吸收无显著影响，套管植入还能提高糖尿病病人体内的降血糖激素的水平，提高胰岛素的敏感性。这种套管对Ⅱ型糖尿病治疗效果良好。糖尿病患者不再需要控制饮食。至于该十二指肠套管是否适于所有的糖尿病患者使用还需作进一步临床应用研究。

（本刊讯）

Design of SCM Inoculation Device

【Writers】Qian Mingli, Xie Haiyuan
Asset Management of Xinhua Hospital Affliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200092

The frst step of bacilli culture is inoculation bacteria on culture medium. Designing a device to increase effciency of inoculation is signifcative. The new device is controlled by SCM. The stepper motor can drive the culture medium rotating, accelerating, decelerating, overturn and suspending. The device is high practicability and efficient, let inoculation easy for operator.

bacilli culture, inoculation device, SCM, stepper motor

TH77

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.01.011

1671-7104(2014)01-0040-03

2013-08-26

钱明理，E-mail: mlqianok@online.sh.cn

谢海源，E-mail: shsmuxie@163.com