全自動化學發光免疫分析儀溫度控制系統設計*

吳曉龍 覃 忠 張慧連 崔少康 甘廣輝*

全自動化學發光免疫分析儀溫度控制系統設計*

吳曉龍①覃 忠①張慧連②崔少康③甘廣輝③*

目的：設計溫度控制系統，以解決傳統化學發光免疫分析儀的溫度控制系統精度低及難控制等難題。方法：通過基于STC89C52芯片和溫度傳感器DS18B20，設計一款應用于全自動化學發光免疫分析儀的溫度控制系統，系統采用較為簡單的硬件和軟件相結合設計方案，使用Proteus軟件進行硬件仿真，并依據仿真電路設計出硬件電路。結果：系統反應區溫育槽溫度能夠精確地控制在37 ℃，精度為(37±0.3)℃。結論：微型計算機在智能化儀器設備發展中具有重要意義，單片機經濟實用、開發簡便，利用單片機設計的溫度控制系統具有成本低、實用性強以及控制可靠等優勢。

化學發光免疫分析儀；溫度控制；仿真設計

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

隨著現代醫學的快速發展，全自動化學發光免疫分析儀廣泛應用于醫院臨床和實驗室中，并發揮著越來越重要的作用，其為糖尿病、甲狀腺功能障礙、性腺分泌異常、胃炎、肝病及腫瘤等疾病提供強有力的診斷依據[1]。全自動化學發光免疫分析儀的問世，解決了傳統手工操作分析方法常受到操作者主觀因素影響等問題[2]。目前，許多電子產品均具備溫度控制和溫度監測功能，而對于不同的產品對其功能的要求有所不同。化學發光免疫分析儀對溫育槽溫度的精確度具有較高要求，因此本研究設計一款精度較高、容易控制的溫度控制系統，以解決傳統化學發光免疫分析儀的溫度控制系統精度低、難以控制等難題。

1 溫度控制系統結構與設計

通過與同類產品進行對比，采用單片機實現溫度控制系統的設計。系統采用溫度傳感器DS18B20采集溫度，STC89C52作為主控芯片，組成結構簡單、控制方便和靈活性強的溫度控制系統[3]。同時為系統配備相應的鍵盤電路和顯示模塊，使系統同時兼備體積小、功能強、造價低及可靠性高等優點，進一步提高其經濟和實用性[4]。溫度控制系統整體結構如圖1所示。

圖1 溫度控制系統結構框圖

2 溫度控制系統總體設計方案

整套系統分為硬件和軟件兩大部分。其內容包括：①STC89C52單片機作為主控芯片，實現對整個系統的控制，包括控制DS18B20實現溫度的采集、溫度信號簡單處理、溫度信號液晶顯示(liquid crystal display，LCD)、系統狀態顯示以及加熱器件通斷控制等；②使用DS18B20采集環境溫度；③使用LCD1602液晶顯示模塊進行顯示；④設計必要鍵盤電路進行溫度值設定；⑤設計加熱和冷卻模塊，本系統中由單片機輸出高低電平，控制加熱電路通斷；⑥設計LED燈電路對系統運行狀態進行指示[5-7]。

系統采用STC8952單片機作為控制芯片，通過控制溫度傳感器DS18B20采集溫度。當系統處于工作狀態時，傳感器DS18B20從溫育箱中采集溫度，單片機通過P1.4引腳接收傳感器DS18B20采集的溫度，并將獲取的溫度值與設定的上下限溫度閾值進行比較，當溫度不在閾值范圍內時，系統控制加熱冷卻系統對當前溫度進行控制調整，并通過LED燈實現加熱冷卻系統的狀態顯示[8]。當采集到的溫度超過設定值時，單片機控制P2.3引腳輸出高電平命令加熱模塊停止加熱，使溫育箱在自然狀態下降溫，此時LED燈熄滅，指示系統當前處于停止加熱狀態；當采集到的溫度低于設定值時，P2.3引腳輸出低電平，此時光耦導通，驅動加熱模塊開始加熱，LED燈亮，指示系統當前處于加熱狀態[9]。

3 溫度控制系統硬件模塊設計

硬件部分主要完成溫度信號的采集、處理、顯示、控制加熱及冷卻等功能[10]。系統硬件模塊電路主要包括STC89C52單片機電路、溫度采集電路、鍵盤設置電路、LCD顯示電路、加熱降溫電路和LED系統狀態指示電路，如圖2所示。

圖2 溫度控制系統總體電路圖

3.1 單片機模塊設計

單片機作為控制芯片被稱為單片微控制器，不僅是完成某個單一的邏輯功能的芯片，而是將整個計算機系統集成到一個芯片上。有所區別的是，單片機無I/O設備，即單片機是一臺小型計算機，且具有質量輕、體積小及性價比高的優點，為編程人員學習、開發和應用提供了條件。在本次設計中，選用51系列單片機中的STC89C52作為主控芯片[11]。其特點為：①STC89C52是一種高性能、低功耗及具有良好性能價格比的8位微控制器，采用常用的MCS-51內核，增加了許多新的功能；②采用較小系統的8位CPU和靈活機動的可編程Flash，使STC89C52為多數嵌入式控制應用提供了有效和方便快捷的解決方案。STC89C52單片機最小系統電路如圖3所示。

圖3 STC89C52單片機最小系統電路圖

3.2 顯示模塊設計

系統采用LCD1602液晶顯示屏，LCD1602是一種高精度液晶模塊，工程上常用來顯示儀表上的符號字母、數字等點陣[5]。LCD1602液晶模塊內部存儲了許多不同點陣的字符圖形，既有阿拉伯數字也有大小寫英文字母以及常用符號，應用時只需輸出相應代碼。選擇LCD1602液晶顯示可以滿足溫度控制系統的需求[12]。

3.3 加熱降溫模塊設計

溫度控制系統的加熱降溫采用光耦隔離電路控制晶閘管通斷，從而控制加熱器工作狀態。光耦隔離晶閘管控制電路如圖4所示。

圖4 光耦隔離晶閘管控制電路圖

3.4 溫度傳感器模塊設計

DS18B20溫度傳感器是一種新型高精度、快速線式數字溫度傳感器，由美國達拉斯公司生產，具有功耗低、體積小、抗干擾能力強以及靈敏度高等優點，可將溫度模擬信號直接轉化成串行數字信號傳輸到單片機進行信號處理，廣泛應用于高精度的溫度監控系統[13]。DS18B20具有以下優點：①三引腳，采用小體積封裝，方便放置于狹窄處；②測量溫度范圍為－55～125 ℃，可分辨溫度為0.0625 ℃，符合溫育箱高精度要求；③信號傳輸使用串行輸出，只需占用處理器一跟I/O線便可實現通訊，可以選用遠端供電或者寄生供電，DS18B20與單片機連接如圖5所示。

圖5 DS18B20與單片機連接示圖

4 溫度控制系統軟件模塊設計

軟件系統起到承擔功能控制的作用。由于本系統為實時加熱監測系統，因此程序運行過程中需要重復不斷地對環境溫度進行檢測，并將檢測的溫度值與設定值進行比較。若實現以上功能，則需要程序進入死循環，不斷運行溫度檢測和比較程序，并根據PID算法對環境水溫進行加熱冷卻。然而，因不同的生化反應要求的溫度不同，本系統設計了溫度設置功能，并由中段程序實現。為了防止系統崩潰，設計中設置了復位功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4.1 編程軟件

本程序設計使用目前流行的Keil編程軟件，可使用C語言或匯編語言編程；仿真軟件使用英國Labcenter Electronics公司的EDA工具軟件Proteus。兩款軟件均為各自領域內廣泛使用的軟件[14]。程序編寫調試：①在keil中編寫程序，編寫完成后點擊Keil上的編譯鍵，如無報錯即可保存C文檔；②程序設計完成后需要將程序燒錄到單片機中，通過keil進行編譯并產生hex文件。

4.2 生成hex文件過程

選擇屏幕下拉菜單“Option for Tagret‘...'”→點擊屏幕“Output”菜單→選擇“Create HEX File”→運行編譯命令→如果操作正確，即可生成hex文件，位置在Project的當前目錄下。Proteus ISIS的仿真功能可以模擬系統的運行，檢驗系統的硬件軟件設計是否合理[15]。

4.3 系統仿真實現

鼠標雙擊Proteus程序，尋找并點擊左側工具欄中的P命令，在彈出窗口輸入元件的英文名，選取并將元器件放置在電路圖中的適當位置，按照設置圖紙調整參數數值。完成上述步驟后使用電線連接各元器件。仿真結果如圖7所示。

圖7 系統仿真圖

5 結語

化學發光免疫分析儀溫度控制系統采用DSl8B20溫度傳感器采集溫度，單片機STC89C52控制，液晶顯示器LCD1602顯示的解決方案，較好地實現了化學發光免疫分析儀溫育槽的恒溫設置。設計過程中為了降低設計難度，較大程度依賴市場現有的成品，包括溫度傳感器與液晶顯示屏的開發，均參考已有的較為成熟的軟件程序與硬件方案，在實用性和經濟性方面具有一定的優勢。

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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

A

2015-07-28

廣東省重大科技專項(2012A080104010)“基于云計算及物聯網的母嬰云端智能呵護平臺”

①佛山市南海區中醫院設備科 廣東 佛山 528000

②廣東新華南方軟件外包有限公司 廣東 廣州 510515

③南方醫科大學 廣東 廣州 510515

*通訊作者：gzccm@fimmu.com

吳曉龍,男,(1969- ),本科學歷，工程師。佛山市南海區中醫院設備科，從事醫療設備采購、維修、保養、效益分析及檔案管理工作。