闫玉根1,付　平2,吕丹丹2,高　南3

　　(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄　050054;2.河北科技大学电气信息学院,河北石家庄　050018;3河北工业职业技术学院信息工程与自动化系,河北石家庄　050050)

　　摘　要:介绍了一种以单片机为控制核心、步进电机与直流电机为执行机构、TA8435H作为步进电机驱动芯片的全自动生化分析仪,其实现了托盘旋转、吸排系统升降和旋转等功能,具有定位准确、自动化程度高等特点。

　　关键词:步进电机;智能检测;定位

　　中图分类号:TP273　　　文献标识码:A

　　生化分析仪是临床诊断的重要设备之一,通过它对人体血液等体液进行生化分析并测得数据,再结合其他临床资料进行综合分析,可帮助诊断疾病,对器官功能做出评价,并可鉴别并发因子及决定以后治疗的基准等等[1,2]。目前,国外该类设备在精确度、制造精度以及功能等方面都已经达到了非常高的水平。但迄今为止,中国生化分析仪的研究和制造主要限于半自动化,由于自动化水平低,已远远不能满足临床检验的需求,国内大中型医院均耗巨资进口全自动化产品,因价格昂贵,一般中、小型医院难以购买[3] 。为降低自动生化分析仪的成本,改进半自动设备的自动控制能力,提高工作效率,更好地满足临床检验和普及性的需求,笔者将介绍一种基于单片机控制的生化分析仪的自动化改造方法。

　　1　系统设计

　　全自动生化分析仪机电部分的基本结构如图1所示,主要由载动系统、升降系统、吸液排液系统(简称吸排系统)和托盘系统4部分组成[4,5] 。

　　1)载动系统

　　载动系统用来带动吸排系统旋转到各个吸液位和排液位,旋转范围为0°~90°。作为载动系统和吸排系统的连接部分,升降系统与后者一起旋转。

　　载动系统需要定位的位置依次为吸试剂位(同时也是排试剂位)、清洗位和排液位,现规定排液位为0°,并将清洗位设置在45°处,吸试剂位在90°处。因为步进电机旋转角度与输入脉冲数严格成正比,且细分以后步距角变小,所以通过脉冲计数能够非常精确地实现各个位置的定位。

　　为保证每次单片机上电运行时吸排系统是精确地从0°位置出发,在此处加一行程开关,通过软件编程使得单片机上电以后先执行一个初始化归零操作,使吸排系统运行到0°位置处。

　　2)吸排系统

　　吸排系统采用柱塞式空气置换原理来抽取样品,样品的抽取量V与柱塞杆的直径D和行程h之间的关系为V=π(D/2)2h。

　　由于对不同液体吸入量的要求不尽相同,所以吸排系统在吸液时没有固定的定位位置。根据所需样品量以及系统设计时所允许的尺寸空间,选择合适直径的柱塞杆。电机步长关系到定位精度的高低,而定位精度又影响到取样度,因此,在得知要求的吸液量以后,可以将其转换成步进电机的步进步数,进而可以通过脉冲计数来精确控制吸液量[6]。取样模块采用固定轴式直线步进电机,内部通过螺旋副把旋转运动转化成直线运动。通过电机的键轴直接输出直线运动。柱塞杆穿过密封胶圈,顶端连接在直线电机的键轴上,经左右运动抽取样品。为检测排液时是否已将液体全部排出,在吸排系统中也加入1个行程开关,在液体排尽时行程开关被按下,以反馈给单片机信号[7]。同时,行程开关也将作为吸排系统的零点位置,在设备上电初始化时,将吸液管中的液体全部排出。

　　3)托盘系统

　　托盘系统上放置着需要检测的样品以及每个样品所需要的试剂,且每1个样品与其对应的试剂相邻。托盘系统的任务是将所有样品和试剂逐一运送到载动系统中所规定的0°位置处。虽然本系统中需要定位的位置较多,但通过脉冲计数的定位方式可较容易地解决。

　　从机械结构的角度考虑,选用槽型光电开关来给单片机提供托盘系统的零点位置。在系统的上电初始化程序中,托盘将旋转到零点处,以保证设备工作时其他各位置定位准确。

　　4)升降系统

　　为使吸液管的针头能够触及到液体且吸液后不会妨碍载动系统或托盘系统的旋转,需要升降系统带动吸排系统的上升和下降。由于对升降系统的运行速度和升降高度并无严格要求,所以选择成本相对较低的直流电机。

　　升降系统需要最顶端和最底端的定位,采用行程开关进行定位简单而且可靠。为防止设备上电后误动作,将上升端的行程开关作为零点位置,在单片机的初始化程序中,吸排系统将上升到最顶端。

　　2　硬件设计

　　根据各系统的结构和工作内容的不同,采用不同电机和定位方式。载动系统及托盘系统采用步进电机以及脉冲计数定位方式;吸排系统同样采用步进电机,但吸液时通过脉冲计数定位,排液时通过行程开关定位;升降系统采用直流电机,定位通过2个行程开关来实现。系统组成框图见图2。硬件设计主要包括步进电机和直流电机的驱动及控制。

　　2.1　步进电机驱动电路

　　图3为步进电机驱动原理图,其中步进电机选用四相六线制步进电机,既可作为四相电机使用,也可作为两相电机使用,具有使用灵活、应用广泛的特点。本次设计按两相制接线;步进电机驱动芯片选用的是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机专用驱动芯片———TA8435H,该芯片作为两相步进电机专用驱动芯片,驱动二相步进电机时,电路简单,工作可靠。下面对TA8435H进行简单介绍。

　　TA8435H由1个解码器、2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器组成。工作电压范围为10 ~40 V,输出电流可达2.5 A。可通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。

　　TA8435H具有如下特点:1)单片正弦细分两相步进电机驱动芯片;2)输出电流可达1.5 A(平均值)和2.5 A(峰值);具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择;3)采用脉宽调制式斩波驱动方式;4)具有正/反转控制功能;5)带有复位和使能引脚;6)可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

　　本设计中,TA8435H采用单时钟输入方式,CK2接高电平,CK1输入脉冲的上升沿有效。通过调节CK1的脉冲频率可调节步进电机的转动速率,控制脉冲个数可实现步进电机旋转角度的控制。

　　本设计要求步进电机工作在较低率下,此时,步进电机的振动和噪声都会较大,为有效降低步进电机的振动和噪声,同时提高步进电机的控制精度,可通过改变M1,M2引脚的状态来选用1/4细分或1/8细分模式。此外,ENABLE引脚接低电平,以保证芯片随时准备工作。

　　2.2　直流电机驱动电路

　　吸排系统升降过程对于直流电机来说是正转和反转的过程,直流电机正反转的控制原理如图4所示。单片机通过控制2个继电器的通断状态来实现直流电机的正反转和停止:假设继电器J1导通而继电器J2关断时直流电机为正转,则当J1关断而J2导通时电机为反转;而J1与J2同时导通或关断时电机停止。单片机对继电器的控制是通过三极管来驱动的,因单片机I/O接口输出电流非常小,驱动能力有限,故采用2个三极管串联的双级放大方式。

　　3　软件设计

　　设备上电以后,单片机首先运行初始化程序。初始化程序执行过程如下。

　　升降系统执行上升程序,当上升到最高位置后,上升端的行程开关被按下,单片机检测到引脚电平变化以后,直流电机停转。

　　调用延时子程序,延时0.5 s,接着启动载动系统的步进电机,待吸液管旋转到排液位置处,即0°位置时,此处的行程开关被按下,单片机检测到相应引脚电平变化以后,停发载动系统驱动芯片的时钟输入脉冲,载动系统停止。

　　延时0.5 s后,启动吸排电机以排空吸液管,在将吸液管中的液体全部排出后,吸排系统中的行程开关被按下,单片机检测到信号以后,停止排液。

　　再一次延时0.5 s后,托盘系统进行归零作,

　　零点位置由设置好的槽型光电开关提供。执行完上述操作以后,初始化程序完毕。

　　4　结　语

　　以AT89C51芯片作为控制核心,结合一些外围机电装置,完成了生化分析仪载动系统、升降系统、吸液排液系统和托盘系统的自动控制,最后简单介绍了生化分析仪软件设计流程,为各系统定位准确、运行可靠提供了保证,实现了全自动生化分析仪的机电部分控制。

　　参考文献:

　　[1]　彭　志.生化检验仪器的发展及其应用[J].电讯技术,1999,39(6):66-71.

　　[2]　朱卫东.临床检验分析仪器的进展[J].分析仪器,1996,15(2):2-6.

　　[3]　鲍　峰.自动生化分析仪的发展[J].中国纺织大学学报,2000,26(4):103-106.

　　[4]　刘　虎,朱建平.CA-1680型生化分析仪的研制[J].中国医疗器械杂志,1997,21(4):192-196.

　　[5]　林波海,吴　维.ZS-1型半自动生化分析仪的研制[J].生物化学与生物物理进展,1992,20(3): 209-213.

　　[6]　耿耀锋,吴一辉,宣　明,等.小型生化分析仪自动进样系统设计[J].工程设计学报,2008,15(1):29-32.

　　[7]　钱国华,胡益斌,刘　坚.全自动生化分析仪的设计[J].微电子与基础产品,2002,28(8):39-43.

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