全自动化学发光免疫分析仪温度控制系统设计*

2015-03-04吴晓龙张慧连崔少康甘广辉

中国医学装备 2015年12期

吴晓龙覃忠张慧连崔少康甘广辉*

吴晓龙①覃忠①张慧连②崔少康③甘广辉③*

目的：设计温度控制系统，以解决传统化学发光免疫分析仪的温度控制系统精度低及难控制等难题。方法：通过基于STC89C52芯片和温度传感器DS18B20，设计一款应用于全自动化学发光免疫分析仪的温度控制系统，系统采用较为简单的硬件和软件相结合设计方案，使用Proteus软件进行硬件仿真，并依据仿真电路设计出硬件电路。结果：系统反应区温育槽温度能够精确地控制在37 ℃，精度为(37±0.3)℃。结论：微型计算机在智能化仪器设备发展中具有重要意义，单片机经济实用、开发简便，利用单片机设计的温度控制系统具有成本低、实用性强以及控制可靠等优势。

化学发光免疫分析仪；温度控制；仿真设计

[First-author's address]Department of Equipment, Nanhai District Hospital, Foshan City, Foshan 528000, China.

随着现代医学的快速发展，全自动化学发光免疫分析仪广泛应用于医院临床和实验室中，并发挥着越来越重要的作用，其为糖尿病、甲状腺功能障碍、性腺分泌异常、胃炎、肝病及肿瘤等疾病提供强有力的诊断依据[1]。全自动化学发光免疫分析仪的问世，解决了传统手工操作分析方法常受到操作者主观因素影响等问题[2]。目前，许多电子产品均具备温度控制和温度监测功能，而对于不同的产品对其功能的要求有所不同。化学发光免疫分析仪对温育槽温度的精确度具有较高要求，因此本研究设计一款精度较高、容易控制的温度控制系统，以解决传统化学发光免疫分析仪的温度控制系统精度低、难以控制等难题。

1 温度控制系统结构与设计

通过与同类产品进行对比，采用单片机实现温度控制系统的设计。系统采用温度传感器DS18B20采集温度，STC89C52作为主控芯片，组成结构简单、控制方便和灵活性强的温度控制系统[3]。同时为系统配备相应的键盘电路和显示模块，使系统同时兼备体积小、功能强、造价低及可靠性高等优点，进一步提高其经济和实用性[4]。温度控制系统整体结构如图1所示。

图1 温度控制系统结构框图

2 温度控制系统总体设计方案

整套系统分为硬件和软件两大部分。其内容包括：①STC89C52单片机作为主控芯片，实现对整个系统的控制，包括控制DS18B20实现温度的采集、温度信号简单处理、温度信号液晶显示(liquid crystal display，LCD)、系统状态显示以及加热器件通断控制等；②使用DS18B20采集环境温度；③使用LCD1602液晶显示模块进行显示；④设计必要键盘电路进行温度值设定；⑤设计加热和冷却模块，本系统中由单片机输出高低电平，控制加热电路通断；⑥设计LED灯电路对系统运行状态进行指示[5-7]。

系统采用STC8952单片机作为控制芯片，通过控制温度传感器DS18B20采集温度。当系统处于工作状态时，传感器DS18B20从温育箱中采集温度，单片机通过P1.4引脚接收传感器DS18B20采集的温度，并将获取的温度值与设定的上下限温度阈值进行比较，当温度不在阈值范围内时，系统控制加热冷却系统对当前温度进行控制调整，并通过LED灯实现加热冷却系统的状态显示[8]。当采集到的温度超过设定值时，单片机控制P2.3引脚输出高电平命令加热模块停止加热，使温育箱在自然状态下降温，此时LED灯熄灭，指示系统当前处于停止加热状态；当采集到的温度低于设定值时，P2.3引脚输出低电平，此时光耦导通，驱动加热模块开始加热，LED灯亮，指示系统当前处于加热状态[9]。

3 温度控制系统硬件模块设计

硬件部分主要完成温度信号的采集、处理、显示、控制加热及冷却等功能[10]。系统硬件模块电路主要包括STC89C52单片机电路、温度采集电路、键盘设置电路、LCD显示电路、加热降温电路和LED系统状态指示电路，如图2所示。

图2 温度控制系统总体电路图

3.1 单片机模块设计

单片机作为控制芯片被称为单片微控制器，不仅是完成某个单一的逻辑功能的芯片，而是将整个计算机系统集成到一个芯片上。有所区别的是，单片机无I/O设备，即单片机是一台小型计算机，且具有质量轻、体积小及性价比高的优点，为编程人员学习、开发和应用提供了条件。在本次设计中，选用51系列单片机中的STC89C52作为主控芯片[11]。其特点为：①STC89C52是一种高性能、低功耗及具有良好性能价格比的8位微控制器，采用常用的MCS-51内核，增加了许多新的功能；②采用较小系统的8位CPU和灵活机动的可编程Flash，使STC89C52为多数嵌入式控制应用提供了有效和方便快捷的解决方案。STC89C52单片机最小系统电路如图3所示。

图3 STC89C52单片机最小系统电路图

3.2 显示模块设计

系统采用LCD1602液晶显示屏，LCD1602是一种高精度液晶模块，工程上常用来显示仪表上的符号字母、数字等点阵[5]。LCD1602液晶模块内部存储了许多不同点阵的字符图形，既有阿拉伯数字也有大小写英文字母以及常用符号，应用时只需输出相应代码。选择LCD1602液晶显示可以满足温度控制系统的需求[12]。

3.3 加热降温模块设计

温度控制系统的加热降温采用光耦隔离电路控制晶闸管通断，从而控制加热器工作状态。光耦隔离晶闸管控制电路如图4所示。

图4 光耦隔离晶闸管控制电路图

3.4 温度传感器模块设计

DS18B20温度传感器是一种新型高精度、快速线式数字温度传感器，由美国达拉斯公司生产，具有功耗低、体积小、抗干扰能力强以及灵敏度高等优点，可将温度模拟信号直接转化成串行数字信号传输到单片机进行信号处理，广泛应用于高精度的温度监控系统[13]。DS18B20具有以下优点：①三引脚，采用小体积封装，方便放置于狭窄处；②测量温度范围为－55～125 ℃，可分辨温度为0.0625 ℃，符合温育箱高精度要求；③信号传输使用串行输出，只需占用处理器一跟I/O线便可实现通讯，可以选用远端供电或者寄生供电，DS18B20与单片机连接如图5所示。

图5 DS18B20与单片机连接示图

4 温度控制系统软件模块设计

软件系统起到承担功能控制的作用。由于本系统为实时加热监测系统，因此程序运行过程中需要重复不断地对环境温度进行检测，并将检测的温度值与设定值进行比较。若实现以上功能，则需要程序进入死循环，不断运行温度检测和比较程序，并根据PID算法对环境水温进行加热冷却。然而，因不同的生化反应要求的温度不同，本系统设计了温度设置功能，并由中段程序实现。为了防止系统崩溃，设计中设置了复位功能。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

4.1 编程软件

本程序设计使用目前流行的Keil编程软件，可使用C语言或汇编语言编程；仿真软件使用英国Labcenter Electronics公司的EDA工具软件Proteus。两款软件均为各自领域内广泛使用的软件[14]。程序编写调试：①在keil中编写程序，编写完成后点击Keil上的编译键，如无报错即可保存C文档；②程序设计完成后需要将程序烧录到单片机中，通过keil进行编译并产生hex文件。

4.2 生成hex文件过程

选择屏幕下拉菜单“Option for Tagret‘...'”→点击屏幕“Output”菜单→选择“Create HEX File”→运行编译命令→如果操作正确，即可生成hex文件，位置在Project的当前目录下。Proteus ISIS的仿真功能可以模拟系统的运行，检验系统的硬件软件设计是否合理[15]。

4.3 系统仿真实现

鼠标双击Proteus程序，寻找并点击左侧工具栏中的P命令，在弹出窗口输入元件的英文名，选取并将元器件放置在电路图中的适当位置，按照设置图纸调整参数数值。完成上述步骤后使用电线连接各元器件。仿真结果如图7所示。

图7 系统仿真图

5 结语

化学发光免疫分析仪温度控制系统采用DSl8B20温度传感器采集温度，单片机STC89C52控制，液晶显示器LCD1602显示的解决方案，较好地实现了化学发光免疫分析仪温育槽的恒温设置。设计过程中为了降低设计难度，较大程度依赖市场现有的成品，包括温度传感器与液晶显示屏的开发，均参考已有的较为成熟的软件程序与硬件方案，在实用性和经济性方面具有一定的优势。

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Design of the temperature control system for automatic chemical luminescence immunity analyzer/

WU Xiao-long, QIN Zhong, ZHANG Hui-lian, et al//
China Medical Equipment, 2015,12(12):23-26.

Objective:Automatic chemiluminescence immunoassay analyzer has a precise requirements of temperature at its incubate slot, in order to solve the problems of low precision and difficult control appeared in traditional Automatic chemiluminescence immunoassay analyzer instrument.Methods:A temperature control module of automatic chemiluminescence immunoassay analyzer is designed and implemented based on the master chip STC89C52 and the temperature sensor DS18B20. Choose a more streamlined design, hardware and software solutions, use of simulation software Proteus simulation, and design the hardware model.Results:so that the reaction zone incubation tank temperature precise control at 37℃, accuracy of 37±0.3℃.Conclusions:Microcomputer plays a vital role in the development of intelligent equipment. And MCU owns the characteristics of practical and easy development. So the design of temperature control module based on MCU has more preponderance of low cost, strong practical, reliable control.

Chemiluminescence immunoassay analyzer; Temperature control; Simulation design

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.008

1672-8270(2015)12-0023-04

R197.39