免疫层析试纸划液仪的设计与实现

王 清，于 娜，梁 舒

（邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054035）

免疫层析试纸划液仪的设计与实现

王 清，于 娜，梁 舒

（邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054035）

针对免疫层析检测试纸C/T线在生产制作上存在的不足，设计了一套对恒线速度运动的NC膜进行划液的专业设备，主要用于在试纸的NC膜表面划上定量均匀的蛋白质液。为了满足划液要求，划液仪以单片机为主要控制核心，设计了自主调节的划液平台和精确稳定的传动装置，通过键盘和液晶显示使操作更加简单直观，检测装置增加了划液仪的精度和稳定性。另外加入RS-485通讯接口，PC机可通过Modbus协议实现对划液仪的控制，便于设备组网后的集中监控。实验证明：该仪器经济简便、性能稳定、操作精准，适用于各种免疫层析试纸条的科研以及中小型企业的研发。

免疫层析；划液仪；单片机；传动装置；步进电机

近年来免疫学快速诊断技术和检测方法得到了迅速的发展并广泛应用于各个领域。目前在医学检验中的应用主要是免疫层析法和快速免疫金渗滤法，用于检测HBsAg、HCG和抗双链DNA抗体等，其中胶体金免疫层析技术凭借其快速、简便、精确、稳定等优点，已经成为近年来生物产业化最成功的产品之一。划液仪作为免疫层析试纸生产的专业设备内的主要设备之一，主要就是用于在NC膜表面划出C/T线，鉴于免疫层析检测试纸的广泛应用，划液设备的研究与开发具有广阔的市场和应用前景。

一、系统的整体设计方案

目前国内生产的专业设备远不及国外，主要因为国内的仪器在载体试纸上均匀稳定的喷洒是一个重要问题。划液头将抗体划到膜表面时，由于NC膜本身的物理性质较为软脆，划液头很容易在其表面留下印痕。进口的喷液仪由于使用的材料和控制系统较好，所以留下的划痕较轻，而国产仪器较差，留下的划痕也就比较严重。划痕容易对层析试纸上的金标复合物形成阻力，导致假阳性。同时跑板时容易在T线位置出现若有若无一条细线（鬼线），而形成跑板结束后鬼线又消失的奇怪现象。针对这一现象，开发一套控制系统稳定，操作简便，价格便宜且对划液精度有所保障的划液装置显得尤为重要。

划液仪需满足对恒速运动中的NC膜划液的要求，其具体操作需要精准稳定的供给装置给予保证，满足不同宽度的NC膜划液。划液头与NC膜之间的距离为2mm-3mm，最大不能超过5mm，不允许出现印痕或划痕。

主要设计思路是：设计一个位置调节平台用于固定和调节划液头，调节方向可在多个自由度内移动。做划膜操作时，划液头与NC膜之间的距离和检测线与质控线之间的距离手动可调。主控装置采用STC89C52作为主控芯片进行数据处理和整体控制，通过按键来选择功能菜单，液晶屏显示所选中的功能并在运行中显示相关运行参数。单片机控制步进电机带动丝杠上的滑块按照设定参数或动作运动，实现均匀稳定的划液操作。在装置的后电路板上设计RS485接口，便于PC通过RS485连接控制划液仪。在PC机控制多个仪器通讯模式中，需设定每个划液仪的地址和相同的波特率。

二、系统的硬件构成

（一）机械装置

划液仪的机械装置包括位置调节装置、传动装置和注射器固定装置。注射器固定装置与划液仪的传动系统设计如图1和图2。其中位置调节平台符合四个半的自由度要求。其中平台本身满足三个自由度：XY三维，两个划液头满足一个半的自由度：升降和靠近。手动调节平台使其在正确的位置划液，平台设计为交叉滚珠导轨，侧面可锁紧，很好地保证了每轴运动的平行度和垂直度。位移调整采用差动测微头，使得装置精度保证在纳米级的微位移调整。划液头采用中空纤维管，因其柔韧而有弹性，特别适合在NC膜表面划液，对微孔膜表面没有损伤，不易留下划痕。工作时，将注射器固定在装置上的V型槽内并旋转螺母夹紧注射器，按下释放按钮推动滑块在丝杠上滑动，并和注射器的活塞固定在一起，单片机控制驱动电路提供步进电机所需的脉冲与电压，丝杠将回转运动转化为直线运动，继而推动注射器完成划液操作。

图1 注射器固定装置示意图

图2 传动装置示意图

（二）主控系统

主控系统的硬件组成如图2：装置设计由外部交流电源供电，提供8-12V的电压。在划液装置的设计中，要实现对多个负载的控制，系统占用I/O口数量较多，且考虑到单片机功耗和开发环境及功能等因素，系统选用STC89C52单片机作为主控制器，STC89C52具有八位数据处理功能，具有很好的兼容性，许多外围接口芯片都可以与之匹配，并且具有功耗低、功能强大、价格低、性能稳定等特点。装置设置了两种分配模式：一是总量分配模式：划液仪保持设定流量跟踪分配，当达到设定的注射目标容量后自动停止。二是运行模式：划液仪按照设定速率运行直到手动停止或失步紧急停止。

图3 硬件系统组成图

当在运行中出现断电恢复时，划液装置设定为保持停止直到给予新指令。为了方便快捷的操作，所有设置信息都存储在EEPROM内，这样可以有效地减少划液仪设置次数。

1.液晶、键盘与开关

划液仪中的液晶和键盘用于显示和输入命令，液晶用于实时显示各种参数和运行状态，如注射器直径、划液速度、目标划液容量、划液状态、已划液容量、划液时间等，使操作者能够实时掌握划液仪的工作状态，同时为人工控制划液仪提供良好的人机交互界面。由于液晶显示界面的特殊性，设计采用定制的液晶，预先把要显示的参数、字符定制到液晶里面。液晶显示采用芯片HT1621控制，HT1621直接与微控制器4线串行接口，控制简单。划液仪上电运行前需设定的参数包括注射器直径，划液速度和划液目标容量，设定完成后划液仪按照分配模式1进行工作，若没有设定注射目标容量则按照分配模式2工作。

键盘电路主要用于划液仪的各种参数或动作的设定，设计四个按键分别是：UP、DOWN、Select和RUN/STOP。设置地址拨码开关用于设置仪器的地址，便于实现多机配合使用。多机模式中最多可连接15台划液仪，地址拨码开关保证每个仪器有唯一的地址，便于上位机与每台仪器分别通讯。

2.检测电路

状态检测主要完成检测注射器活塞运动位置、划液阻塞判断等任务。报警电路用于当装置在工作过程中出现供电错误、注射完毕、注射器阻塞等不正常工作情况时提供声光报警功能。报警声音由蜂鸣器提供，发光二极管提供光报警功能。

在传动装置的机械设计中，在注射器活塞的初始位置和结束位置设置了两个行程开关用来限制活塞的滑动，避免对注射针管底部的损坏。当活塞到达这两个位置时会使相应的行程开关闭合，那么对位置的检测就转换为对行程开关状态的检测，由此判断活塞运动是否开始或到达末端。

为了避免传动系统的磨损，电机通过光电编码器进行失步检测，若因为干扰或流量限制等原因引起压力增加并被光电编码器检测到后，编码器停止编码，进入堵转状态，发送脉冲信号，使电机停转。此时屏幕显示“失速”并产生声光报警，按下select键后可清除报警。

3.电机传动电路

控制器通过步进电机驱动器驱动步进电机，系统采用两相混合式步进电机。步进电机驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。从单片机I/O口出来的信号分别连接到驱动器的方向端、脉冲端和脱机端，驱动器与单片机的接线采用共阳端接法接5V电压，输出端接步进电机，直接控制其转动。

通过丝杠的导程和步进电机旋转速度可以调整注射活塞的推进速度，实现对划液速度和容量的控制。系统采用丝杠的导程为1mm，即滚珠丝杠每旋转360度滚珠丝杠移动一个导程，也就是1mm。选择的步进电机的步进角为0.9度，步进电机工作在整步时，步进电机装一周需要400个脉冲，每个脉冲可以使丝杠传动0.0025mm。步进电机驱动器可以达到128细分，能更好地提高划液仪的划液精度和速度范围。为了使推动滑块具有足够的推动力推动两个注射器进行工作，选择使用同步带传动步进电机和丝杠，其减速比为1：2.4。

4.RS485通讯接口

在划液仪设计中加入通信模块，便于PC控制仪器进行划液操作，设计采用RS-485通讯接口，既实现多站收发，又使得装置精度高、传输快、抗干扰能力强。采用SN75176BP完成从TTL电平到RS-485电平的相互转换。同时选择使用的通信协议是较为通用的Modbus协议。

三、系统的软件设计

系统采用模块化设计方法，软件包括主控程序、菜单显示模块程序、步进电机驱动模块程序和RS-485通讯程序。软件的整个运行过程都是在外部中断和时钟中断的共同调度下并行运行的，通过多级中断优先方式相互衔接来完成任务。

划液仪上电后或者复位后，首先进行初始化，其中包括了单片机的初始化、液晶初始化以及开启总中断和中断方式的选择。接着进入菜单显示模块和键盘管理程序，相应的操作参数由液晶显示屏显示出来，通过延时去抖来判断按键的键值，根据按键的不同来调用相应的子程序，开始仪器的运行过程。当按下运行键后，首先判断滑块的位置在起始位置后，确定步进电机的频率，定时器完成初始化后，单片机采用中断方式驱动步进电机开始动作。

RS-485通讯程序用于完成与上位机数据的接收和发送，上位机通过Modbus通讯协议实现与划液仪的通讯。当需要数据通信时，RS-485通讯发送和接收模块按Modbus协议进行通讯，启动主程序后，上位机可自主设定划液仪的各项参数，给予控制指令，并可以实时查询工作状态和错误代码，保证系统工作正常。划液仪主程序流程图如图4。

四、结束语

文章论述了免疫层析试纸划液仪的整体设计，提出了一套可实现的硬件和软件方案。划液仪有经济实用、轻巧简便、划液准确、维护便捷等特点，可对划液状态进行简便的跟踪和显示。步进电机驱动器的高细分提高了运行速度范围和划液精度。实验中可选择的注射器的容量范围：1ml-60ml，划液流量可达到每小时0.1ml-200ml，实现了对划液速度和划液量的可靠控制。结果表明：系统具有可行性。目前，系统正不断地进一步完善，使其拥有更广泛的应用前景。

图4 划液仪主程序流程图

［1］付海霞.免疫层析快速检测技术的研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［2］蒋智勇.单片微型计算机原理及接口技术［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1992.

［3］刘新生.可编程注射泵控制系统的设计［D］.太原：中北大学，2008.

［4］马忠梅，籍顺心，张凯等.单片机C语言程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，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

（责任编辑 李建武）

2015—04—10

王清（1990—），女，河北邢台人，邢台职业技术学院电气工程系，助教。