王 清，于 娜，梁 舒

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河北 邢臺(tái) 054035）

免疫層析試紙劃液儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 清，于 娜，梁 舒

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河北 邢臺(tái) 054035）

針對(duì)免疫層析檢測(cè)試紙C/T線在生產(chǎn)制作上存在的不足，設(shè)計(jì)了一套對(duì)恒線速度運(yùn)動(dòng)的NC膜進(jìn)行劃液的專業(yè)設(shè)備，主要用于在試紙的NC膜表面劃上定量均勻的蛋白質(zhì)液。為了滿足劃液要求，劃液儀以單片機(jī)為主要控制核心，設(shè)計(jì)了自主調(diào)節(jié)的劃液平臺(tái)和精確穩(wěn)定的傳動(dòng)裝置，通過鍵盤和液晶顯示使操作更加簡(jiǎn)單直觀，檢測(cè)裝置增加了劃液儀的精度和穩(wěn)定性。另外加入RS-485通訊接口，PC機(jī)可通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)劃液儀的控制，便于設(shè)備組網(wǎng)后的集中監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)證明：該儀器經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、操作精準(zhǔn)，適用于各種免疫層析試紙條的科研以及中小型企業(yè)的研發(fā)。

免疫層析；劃液儀；單片機(jī)；傳動(dòng)裝置；步進(jìn)電機(jī)

近年來免疫學(xué)快速診斷技術(shù)和檢測(cè)方法得到了迅速的發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用主要是免疫層析法和快速免疫金滲濾法，用于檢測(cè)HBsAg、HCG和抗雙鏈DNA抗體等，其中膠體金免疫層析技術(shù)憑借其快速、簡(jiǎn)便、精確、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為近年來生物產(chǎn)業(yè)化最成功的產(chǎn)品之一。劃液儀作為免疫層析試紙生產(chǎn)的專業(yè)設(shè)備內(nèi)的主要設(shè)備之一，主要就是用于在NC膜表面劃出C/T線，鑒于免疫層析檢測(cè)試紙的廣泛應(yīng)用，劃液設(shè)備的研究與開發(fā)具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

一、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的專業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)不及國(guó)外，主要因?yàn)閲?guó)內(nèi)的儀器在載體試紙上均勻穩(wěn)定的噴灑是一個(gè)重要問題。劃液頭將抗體劃到膜表面時(shí)，由于NC膜本身的物理性質(zhì)較為軟脆，劃液頭很容易在其表面留下印痕。進(jìn)口的噴液儀由于使用的材料和控制系統(tǒng)較好，所以留下的劃痕較輕，而國(guó)產(chǎn)儀器較差，留下的劃痕也就比較嚴(yán)重。劃痕容易對(duì)層析試紙上的金標(biāo)復(fù)合物形成阻力，導(dǎo)致假陽性。同時(shí)跑板時(shí)容易在T線位置出現(xiàn)若有若無一條細(xì)線（鬼線），而形成跑板結(jié)束后鬼線又消失的奇怪現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象，開發(fā)一套控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜且對(duì)劃液精度有所保障的劃液裝置顯得尤為重要。

劃液儀需滿足對(duì)恒速運(yùn)動(dòng)中的NC膜劃液的要求，其具體操作需要精準(zhǔn)穩(wěn)定的供給裝置給予保證，滿足不同寬度的NC膜劃液。劃液頭與NC膜之間的距離為2mm-3mm，最大不能超過5mm，不允許出現(xiàn)印痕或劃痕。

主要設(shè)計(jì)思路是：設(shè)計(jì)一個(gè)位置調(diào)節(jié)平臺(tái)用于固定和調(diào)節(jié)劃液頭，調(diào)節(jié)方向可在多個(gè)自由度內(nèi)移動(dòng)。做劃膜操作時(shí)，劃液頭與NC膜之間的距離和檢測(cè)線與質(zhì)控線之間的距離手動(dòng)可調(diào)。主控裝置采用STC89C52作為主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和整體控制，通過按鍵來選擇功能菜單，液晶屏顯示所選中的功能并在運(yùn)行中顯示相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠上的滑塊按照設(shè)定參數(shù)或動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的劃液操作。在裝置的后電路板上設(shè)計(jì)RS485接口，便于PC通過RS485連接控制劃液儀。在PC機(jī)控制多個(gè)儀器通訊模式中，需設(shè)定每個(gè)劃液儀的地址和相同的波特率。

二、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

（一）機(jī)械裝置

劃液儀的機(jī)械裝置包括位置調(diào)節(jié)裝置、傳動(dòng)裝置和注射器固定裝置。注射器固定裝置與劃液儀的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1和圖2。其中位置調(diào)節(jié)平臺(tái)符合四個(gè)半的自由度要求。其中平臺(tái)本身滿足三個(gè)自由度：XY三維，兩個(gè)劃液頭滿足一個(gè)半的自由度：升降和靠近。手動(dòng)調(diào)節(jié)平臺(tái)使其在正確的位置劃液，平臺(tái)設(shè)計(jì)為交叉滾珠導(dǎo)軌，側(cè)面可鎖緊，很好地保證了每軸運(yùn)動(dòng)的平行度和垂直度。位移調(diào)整采用差動(dòng)測(cè)微頭，使得裝置精度保證在納米級(jí)的微位移調(diào)整。劃液頭采用中空纖維管，因其柔韌而有彈性，特別適合在NC膜表面劃液，對(duì)微孔膜表面沒有損傷，不易留下劃痕。工作時(shí)，將注射器固定在裝置上的V型槽內(nèi)并旋轉(zhuǎn)螺母夾緊注射器，按下釋放按鈕推動(dòng)滑塊在絲杠上滑動(dòng)，并和注射器的活塞固定在一起，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路提供步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖與電壓，絲杠將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，繼而推動(dòng)注射器完成劃液操作。

圖1 注射器固定裝置示意圖

圖2 傳動(dòng)裝置示意圖

（二）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)的硬件組成如圖2：裝置設(shè)計(jì)由外部交流電源供電，提供8-12V的電壓。在劃液裝置的設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)負(fù)載的控制，系統(tǒng)占用I/O口數(shù)量較多，且考慮到單片機(jī)功耗和開發(fā)環(huán)境及功能等因素，系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，STC89C52具有八位數(shù)據(jù)處理功能，具有很好的兼容性，許多外圍接口芯片都可以與之匹配，并且具有功耗低、功能強(qiáng)大、價(jià)格低、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。裝置設(shè)置了兩種分配模式：一是總量分配模式：劃液儀保持設(shè)定流量跟蹤分配，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的注射目標(biāo)容量后自動(dòng)停止。二是運(yùn)行模式：劃液儀按照設(shè)定速率運(yùn)行直到手動(dòng)停止或失步緊急停止。

圖3 硬件系統(tǒng)組成圖

當(dāng)在運(yùn)行中出現(xiàn)斷電恢復(fù)時(shí)，劃液裝置設(shè)定為保持停止直到給予新指令。為了方便快捷的操作，所有設(shè)置信息都存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)，這樣可以有效地減少劃液儀設(shè)置次數(shù)。

1.液晶、鍵盤與開關(guān)

劃液儀中的液晶和鍵盤用于顯示和輸入命令，液晶用于實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，如注射器直徑、劃液速度、目標(biāo)劃液容量、劃液狀態(tài)、已劃液容量、劃液時(shí)間等，使操作者能夠?qū)崟r(shí)掌握劃液儀的工作狀態(tài)，同時(shí)為人工控制劃液儀提供良好的人機(jī)交互界面。由于液晶顯示界面的特殊性，設(shè)計(jì)采用定制的液晶，預(yù)先把要顯示的參數(shù)、字符定制到液晶里面。液晶顯示采用芯片HT1621控制，HT1621直接與微控制器4線串行接口，控制簡(jiǎn)單。劃液儀上電運(yùn)行前需設(shè)定的參數(shù)包括注射器直徑，劃液速度和劃液目標(biāo)容量，設(shè)定完成后劃液儀按照分配模式1進(jìn)行工作，若沒有設(shè)定注射目標(biāo)容量則按照分配模式2工作。

鍵盤電路主要用于劃液儀的各種參數(shù)或動(dòng)作的設(shè)定，設(shè)計(jì)四個(gè)按鍵分別是：UP、DOWN、Select和RUN/STOP。設(shè)置地址撥碼開關(guān)用于設(shè)置儀器的地址，便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)配合使用。多機(jī)模式中最多可連接15臺(tái)劃液儀，地址撥碼開關(guān)保證每個(gè)儀器有唯一的地址，便于上位機(jī)與每臺(tái)儀器分別通訊。

2.檢測(cè)電路

狀態(tài)檢測(cè)主要完成檢測(cè)注射器活塞運(yùn)動(dòng)位置、劃液阻塞判斷等任務(wù)。報(bào)警電路用于當(dāng)裝置在工作過程中出現(xiàn)供電錯(cuò)誤、注射完畢、注射器阻塞等不正常工作情況時(shí)提供聲光報(bào)警功能。報(bào)警聲音由蜂鳴器提供，發(fā)光二極管提供光報(bào)警功能。

在傳動(dòng)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)中，在注射器活塞的初始位置和結(jié)束位置設(shè)置了兩個(gè)行程開關(guān)用來限制活塞的滑動(dòng)，避免對(duì)注射針管底部的損壞。當(dāng)活塞到達(dá)這兩個(gè)位置時(shí)會(huì)使相應(yīng)的行程開關(guān)閉合，那么對(duì)位置的檢測(cè)就轉(zhuǎn)換為對(duì)行程開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)，由此判斷活塞運(yùn)動(dòng)是否開始或到達(dá)末端。

為了避免傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損，電機(jī)通過光電編碼器進(jìn)行失步檢測(cè)，若因?yàn)楦蓴_或流量限制等原因引起壓力增加并被光電編碼器檢測(cè)到后，編碼器停止編碼，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)送脈沖信號(hào)，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。此時(shí)屏幕顯示“失速”并產(chǎn)生聲光報(bào)警，按下select鍵后可清除報(bào)警。

3.電機(jī)傳動(dòng)電路

控制器通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電。從單片機(jī)I/O口出來的信號(hào)分別連接到驅(qū)動(dòng)器的方向端、脈沖端和脫機(jī)端，驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)的接線采用共陽端接法接5V電壓，輸出端接步進(jìn)電機(jī)，直接控制其轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過絲杠的導(dǎo)程和步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)整注射活塞的推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)劃液速度和容量的控制。系統(tǒng)采用絲杠的導(dǎo)程為1mm，即滾珠絲杠每旋轉(zhuǎn)360度滾珠絲杠移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，也就是1mm。選擇的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為0.9度，步進(jìn)電機(jī)工作在整步時(shí)，步進(jìn)電機(jī)裝一周需要400個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖可以使絲杠傳動(dòng)0.0025mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到128細(xì)分，能更好地提高劃液儀的劃液精度和速度范圍。為了使推動(dòng)滑塊具有足夠的推動(dòng)力推動(dòng)兩個(gè)注射器進(jìn)行工作，選擇使用同步帶傳動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和絲杠，其減速比為1：2.4。

4.RS485通訊接口

在劃液儀設(shè)計(jì)中加入通信模塊，便于PC控制儀器進(jìn)行劃液操作，設(shè)計(jì)采用RS-485通訊接口，既實(shí)現(xiàn)多站收發(fā)，又使得裝置精度高、傳輸快、抗干擾能力強(qiáng)。采用SN75176BP完成從TTL電平到RS-485電平的相互轉(zhuǎn)換。同時(shí)選擇使用的通信協(xié)議是較為通用的Modbus協(xié)議。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件包括主控程序、菜單顯示模塊程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序和RS-485通訊程序。軟件的整個(gè)運(yùn)行過程都是在外部中斷和時(shí)鐘中斷的共同調(diào)度下并行運(yùn)行的，通過多級(jí)中斷優(yōu)先方式相互銜接來完成任務(wù)。

劃液儀上電后或者復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化，其中包括了單片機(jī)的初始化、液晶初始化以及開啟總中斷和中斷方式的選擇。接著進(jìn)入菜單顯示模塊和鍵盤管理程序，相應(yīng)的操作參數(shù)由液晶顯示屏顯示出來，通過延時(shí)去抖來判斷按鍵的鍵值，根據(jù)按鍵的不同來調(diào)用相應(yīng)的子程序，開始儀器的運(yùn)行過程。當(dāng)按下運(yùn)行鍵后，首先判斷滑塊的位置在起始位置后，確定步進(jìn)電機(jī)的頻率，定時(shí)器完成初始化后，單片機(jī)采用中斷方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開始動(dòng)作。

RS-485通訊程序用于完成與上位機(jī)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，上位機(jī)通過Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與劃液儀的通訊。當(dāng)需要數(shù)據(jù)通信時(shí)，RS-485通訊發(fā)送和接收模塊按Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，啟動(dòng)主程序后，上位機(jī)可自主設(shè)定劃液儀的各項(xiàng)參數(shù)，給予控制指令，并可以實(shí)時(shí)查詢工作狀態(tài)和錯(cuò)誤代碼，保證系統(tǒng)工作正常。劃液儀主程序流程圖如圖4。

四、結(jié)束語

文章論述了免疫層析試紙劃液儀的整體設(shè)計(jì)，提出了一套可實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件方案。劃液儀有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、輕巧簡(jiǎn)便、劃液準(zhǔn)確、維護(hù)便捷等特點(diǎn)，可對(duì)劃液狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)便的跟蹤和顯示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高細(xì)分提高了運(yùn)行速度范圍和劃液精度。實(shí)驗(yàn)中可選擇的注射器的容量范圍：1ml-60ml，劃液流量可達(dá)到每小時(shí)0.1ml-200ml，實(shí)現(xiàn)了對(duì)劃液速度和劃液量的可靠控制。結(jié)果表明：系統(tǒng)具有可行性。目前，系統(tǒng)正不斷地進(jìn)一步完善，使其擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 劃液儀主程序流程圖

［1］付海霞.免疫層析快速檢測(cè)技術(shù)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［2］蔣智勇.單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［3］劉新生.可編程注射泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.太原：中北大學(xué)，2008.

［4］馬忠梅，籍順心，張凱等.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

Design and Implementation of Dispenser Device for Immunochromatographic Strip

WANG Qing，YU Na，LIANG Shu

（Xingtai Polytechnic College ， Xingtai， Hebei 054035， China）

According to the shortage of the production of immunochromatographic strip C/T line， the authors designed a professional draw liquid equipment for a set of constant linear velocity movement of NC membrane，mainly used to draw quantitative protein solution in the strip of NC film surface. In order to meet the requirements，dispenser instrument used single chip microcomputer as main control core， manual adjusted the position platform marking the appropriate location and spacing. Designed the position platform of independently regulate and precise and stable gearing， through the keyboard and LCD display made operation more simple and intuitive，liquid detection device increased the precision and stability. Add the RS-485 communication interface， so PC could control the instrument through the Modbus protocol when it used in the network. Practice proves that the performance of the instrument is economical and simple， stable performance and accuracy operation. It can be applied to the research and the development of small and medium-sized enterprises.

immunochromatographic； dispenser instrument； SCM； gearing； step motor

R446.6

A

1008—6129（2015）03—0092—04

（責(zé)任編輯 李建武）

2015—04—10

王清（1990—），女，河北邢臺(tái)人，邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，助教。