基于數控電位器X9C103的溫度調節器設計與應用

戚丹，李開良

南京醫科大學第一附屬醫院 臨床醫學工程處，江蘇 南京 210029

引言

試管嬰兒即體外受精聯合胚胎移植技術，又稱試管嬰兒，是指分別將卵子與精子取出后，置于試管內使其受精，再將胚胎前體—受精卵移植回母體子宮內發育成胎兒[1]。在此過程中，重要的一個環節是從女性體內通過B超圖像引導穿刺取得卵泡，然后再進行后續工作。卵泡離開體內需要及時放入溫度為37℃的Falcon試管中，該試管是放在試管加熱器中進行恒溫加熱的[2]。因此，試管加熱器溫度控制的準確性極為重要，每天均需要對試管加熱器的控制溫度進行檢測，當發現溫度異常時，停止使用試管加熱器，并對加熱器控制溫度進行重新校準等。本文介紹了一種基于X9C103的試管加熱器溫度調節器設計[3]。

1 COOK試管加熱器工作原理

澳大利亞COOK K-FTH-1012試管加熱器用于在卵母細胞恢復期間控制試管及其內容物的溫度，并盡可能減少溫度對卵母細胞的損傷。最多可容納6只Falcon 2001試管，實物圖，見圖1。該試管加熱器采用12 VDC電源適配器直接供電，提高安全性和便捷性。加熱器出廠時溫度均調節至36.9℃，其面板沒有任何調節按鈕，僅有一琥珀色指示燈表示本機已通電。當燈閃爍時，加熱器處于其最佳工作溫度[4]。

圖1 COOK試管加熱架實物圖

為了確保絕對安全，在用戶層面，其溫度是不能進行調節的，當用第三方溫度計檢測發現溫度存在偏移時，需要將試管加熱器整體寄往廠家進行調校，每次調校所花時間在30天左右，需要支付近萬元調校費用，可以說費時費力費錢，降低了工作效率，有時嚴重影響工作。因此，尋找一種對試管加熱器進行溫度調校的方法十分必要。

仔細研究試管加熱器工作電路，發現其加熱控制部分是利用一個電橋電路將溫度信號反饋給控制電路，來控制試管加熱器內部加熱電阻工作與否，進一步精確控制電路，其部分電路圖，見圖2。其中RT1、R1、R4和芯片X9C103共同組成電橋電路。RT1為100 kΩ的NTC負溫度系數的溫度電阻，R1和R4為固定阻值電阻，芯片X9C103為可編程電位器，可編程輸出所需要的阻值[5]。RT1感應加熱器溫度，當溫度達到預設值36.9℃時其阻值為60.88 kΩ，此阻值與R1、R4以及芯片X9C103共同組成電橋輸出至后面比較電路，進行電路控制。改變芯片X9C103的輸出阻值可以改變電橋的平衡狀態，進一步調節試管加熱器的溫度[6]。

圖2 溫度調節器電路圖

2 芯片X9C103原理

在各種電橋電路中，為了調節電橋平衡， 必須對電位器進行多次調節，方能使電橋達到平衡。芯片X9C103是100 階的數字電位器。 其電阻范圍為4 Ω～10 kΩ。X9C103片內包含有99個電阻單元的電阻陣列，以串聯的形式連接。在每個單元之間和二個端點都有被滑動單元訪問的抽頭點。其內部電路，見圖3。滑動單元的位置由和三個輸入端控制，一旦位置選定后，可存放在非易失性存儲器中，因而在下一次上電時可重新調用，輸出所設定的阻值，不需要每次進行輸入控制量[7-8]。

圖3 X9C103內部電路圖

在兩個端點( VH和VL) 和每個電阻之間有一個電子開關, 它能把該點的電位傳輸到滑動端三個輸人引腳能控制滑動端在電阻陣列中移動的位置, 當為低電平時, 則芯片X9C103被選中，這時和輸入引腳才能接受信號[9]。當輸入引腳由高到低的變化可能增加或減小一個7 位計數器的值, 主要由輸入引腳電平決定。當為高電平，計數器的值增加；當為低電平，計數器的值減小。進而增加或減小輸出的阻值[10]。其工作原理模式選擇情況，見表1。

表1 X9C103工作模式選擇表

3 溫度調節器設計

根據1和2所介紹的COOK試管加熱器工作原理以及芯片X9C103原理，設計出電路如圖1所示的COOK試管加熱器溫度調節器。圖中，開關S3為單刀雙擲開關，連接X9C103片選引腳，默認與a點聯通，使片選端為高電平，芯片以阻值輸出模式工作；當S3與b點連接時，端為低電平，為片選狀態。開關S2為單刀雙擲開關，其控制阻值增加或減小，與芯片引腳相連，當為低電平時有效[11]。按鍵S1為引腳信號輸入端，在芯片為片選狀態下，根據的狀態，每按一次，阻值輸出就會增加或減少相應的值，根據需要選擇按鍵次數。電容C1為按鍵防抖動電容。根據電路圖所制作的實物圖（圖4）。實物中兩連接線分別與COOK試管加熱器和12VDC電源適配器相連，選擇合適狀態通過按鍵即可調節試管加熱器的溫度（表 1）[12-13]。

圖4 溫度調節器實物圖

4 溫度調節器應用

科室送修COOK試管加熱器溫度不準確，用溫度計測量發現偏低，只有34℃，影響使用，需要對其進行溫度調校。將溫度調節器與熱管加熱器按照連接方式連接好，發現試管加熱器面板指示燈常亮，開始加溫，試管加熱架內放一盛水的試管，試管內放一個溫度計用于檢測溫度[14]。當指示燈閃爍時，發現溫度計溫度為34℃，此時將片選開關撥至開關撥至UP，連續按鍵10次后，將撥至ffffd3端，從真值表可以看出，此步驟是將新的阻值保存[15]。此時發現指示燈常亮說明試管加熱架在加熱，當指示燈閃爍時，溫度計指示溫度為34.5℃，溫度仍然偏低。繼續片選，連續按鍵30次，保存阻值，指示燈常亮開始加溫，如此反復調校，將試管加熱器溫度調至36.9℃[16]。

溫度調校完成后，測量數字電位器X9C103輸出的阻值，找到與該阻值一致的1/8W的固定色環電阻，用固定阻值電阻替換數字電位器，讓加熱器重新工作，待電路穩定后測量試管加熱器溫度為36.9℃，說明使用數字電位器進行溫度調校的方法是準確和可行的。

5 總結與討論

此溫度調節器可以方便快捷的調校COOK試管加熱器的溫度，每次調校均可為臨床節省時間以及相關的調校費用，一定程度上提高了工作效率，確保了臨床使用的安全，保證了試管嬰兒取卵環節的可靠性。該設計的創新之處在于，能夠利用COOK試管加熱器加熱控制原理，設計制作出能夠對加熱控制電路進行調節的外圍電路，解決了該試管加熱器溫度調校問題，確保溫度準確。不足之處是，該設計目前只能完成試管加熱器的調校工作，不能對試管加熱器進行實時溫度監控和自動調節，在實時監控和自動調校方面還有較大的擴展空間。