一種病理組織漂片多功能一體機(jī)的設(shè)計(jì)

引言

病理組織漂片和烤片是病理組織制片中非常重要的制片環(huán)節(jié)，病理組織的漂片和烤片的質(zhì)量會直接影響后續(xù)染色的質(zhì)量，其中病理組織漂片的水溫和烤片溫度的穩(wěn)定又會影響漂片的質(zhì)量。為了減輕病理醫(yī)師的工作量，提高制片的效率，設(shè)計(jì)一套多功能的病理組織漂片和烤片一體機(jī)至關(guān)重要。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字型溫度傳感器，采用PID算法實(shí)現(xiàn)恒溫控制，溫度可調(diào)范圍大，穩(wěn)定可靠。在漂片缸體中安裝了可調(diào)亮度照明系統(tǒng)，可根據(jù)使用環(huán)境調(diào)節(jié)亮度，提高了漂片的效率。同時在缸體中安裝了殘?jiān)謇硐到y(tǒng)，可有效清理漂浮在水面上的殘?jiān)?，保持了漂片水缸的清潔?/p>

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

病理組織漂片多功能一體機(jī)的系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。220V市電輸入經(jīng)電源模塊降壓后5V和12V直流電壓給單片和直流水泵供電。溫度采集采用常用的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，可測量溫度范圍-55℃-125℃，誤差±0.5℃。病理醫(yī)師可通過按鍵設(shè)置相關(guān)的溫度和啟動漂片缸體的加熱和烤片平臺的加熱。主控單片機(jī)STC8AF讀取溫度傳感器傳回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)PID控制后輸出調(diào)節(jié)PWM占空比控制加熱模塊實(shí)現(xiàn)恒溫控制。照明系統(tǒng)通過按鍵調(diào)節(jié)PWM占空比來實(shí)現(xiàn)照明亮度的調(diào)節(jié)。清潔系統(tǒng)采用直流水泵抽水經(jīng)過漂片缸體上的沖洗孔，形成高壓把漂浮的殘?jiān)鼪_洗掉，從而實(shí)現(xiàn)保持漂片水缸的清潔。

圖2 單片機(jī)主控圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

MCU采用高性能單片機(jī)STC8A4K64S2A12，新一代的51單片機(jī)，主頻可達(dá)24MHZ，比傳統(tǒng)單片機(jī)快12倍，大部分指令1T可完成，是一款高速單片機(jī)。同時無需外部晶振電路和外部復(fù)位電路，大大簡化了系統(tǒng)外圍電路。自帶定時器，多路硬件PWM輸出，ADC模擬采集等功能。STC8A4K64S2A12單片機(jī)作為主控，外圍采集控制電路簡單，系統(tǒng)功能強(qiáng)大非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)三路溫度信號采集，經(jīng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)控制漂片水浴缸恒溫加熱，烤片平臺的恒溫加熱，照明系統(tǒng)亮度可調(diào)，自動清潔凈化水缸等功能。單片主控如圖2所示。

1.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字式傳感器，采集范圍-55℃至+125℃，溫度測量范圍寬，采用單總線的方式傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率最大可達(dá)0.0625℃。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫控在常溫至+99℃連續(xù)可調(diào)，采用DS18B20溫度傳感器非常適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。DS18B20溫度采集電路如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度采集電路

1.3 加熱控制電路設(shè)計(jì)

加熱控制采用的是硅橡膠加熱片，硅橡膠加熱片易于定制，并且功率大，加熱分布均勻，可以很好的貼附在加熱缸體下從而實(shí)現(xiàn)給水浴缸體加熱和烤片平臺加熱。加熱片的恒溫控制要頻繁的控制硅膠加熱片的導(dǎo)通和斷開，所以采用固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)隔離控制，為了更好的實(shí)現(xiàn)恒溫采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)恒溫控制。硅膠加熱片隔離驅(qū)動電路如圖4所示。硅膠加熱片加熱和溫度傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋，溫度接近設(shè)定值時PWM開始調(diào)整，直到加熱片的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。PID恒溫控制如圖5所示。

圖4 硅膠加熱片隔離驅(qū)動電路

圖5 PID恒溫控制

1.4 照明電路設(shè)計(jì)

病理組織比較薄，有一定的透明度，在光線比較差的情況下，病理組織在水缸中不容易撈片。本系統(tǒng)在攤片的水缸中設(shè)計(jì)了亮度可調(diào)節(jié)的照明系統(tǒng)，照明燈采用高亮度的白光LED燈，不但節(jié)能而且亮度高。病理醫(yī)師可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣調(diào)節(jié)亮度，更方便快捷的制片。

LED驅(qū)動采用集成DC/DC變換器XL4001，XL4001是固定頻率150KHz的BUCK電路，具有2A的負(fù)載驅(qū)動能力，并別具有低紋波高效率的特點(diǎn)。外圍電路簡單，同時內(nèi)置過流和短路保護(hù)功能，恒壓，恒流，過壓保護(hù)等功能齊全，系統(tǒng)成本低，高可靠性。通過面板輕觸按鍵調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)單片輸出的PWM的占空比，通過占空比的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)照明亮度的調(diào)節(jié)。照明空控制電路如圖6所示。

圖6 照明控制電路

1.5 沖洗凈化電路設(shè)計(jì)

漂片過后會在水面上漂浮著一些蠟塊殘?jiān)?，這些殘?jiān)鼤绊懴乱淮纹馁|(zhì)量，本系統(tǒng)在水缸設(shè)計(jì)了自動沖洗清潔系統(tǒng)，解決了手動清潔漂片水缸的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)在漂片水缸中開有沖洗孔，按下清潔按鈕，直流水泵抽水經(jīng)沖洗孔出來，把水面上的殘?jiān)鼛ё?，水?jīng)過濾網(wǎng)后循環(huán)使用，同時避免了頻繁更換漂片水缸的水，只需定期更換過濾濾網(wǎng)即可。大大提高了攤片制片的效率。水泵采用食品級耐腐蝕的直流水泵，單片機(jī)控制繼電器來控制直流水泵的的開合進(jìn)行沖洗清潔。單片機(jī)默認(rèn)輸出高電平，外圍驅(qū)動電路采用PNP三極管級聯(lián)NPN三極管驅(qū)動12V繼電器，從而控制水泵，避免了上電瞬間產(chǎn)生誤觸發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。凈化沖洗系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖7 凈化沖洗系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STCSTC8A4K64S2A12單片機(jī)為主控中心，系統(tǒng)程序主流程圖如圖8所示。單片機(jī)上電初始化各相關(guān)硬件功能，讀取EEPROM預(yù)存的加熱溫度數(shù)據(jù)，照明亮度數(shù)據(jù)，開機(jī)后可以直接按加熱按鍵即可無所每次使用時都設(shè)置加熱溫度參數(shù)和照明亮度參數(shù)，方便操作。系統(tǒng)實(shí)時檢測按鍵的狀態(tài)，如果系統(tǒng)已經(jīng)在工作，則系統(tǒng)同時還實(shí)時監(jiān)測溫度狀態(tài)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)加熱異常則立即切斷加熱輸出并聲光警報(bào)，直到人工去除警報(bào)。

圖8 系統(tǒng)程序主流程圖

結(jié)語

攤烤片多功能一體機(jī)系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制技術(shù)，采用數(shù)字傳感器檢測技術(shù)，采用了PID控制算法，提高了恒溫的控制精度。除了具有常規(guī)的漂片功能，增加了烤片平臺，自動清潔系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，克服了病理醫(yī)師實(shí)際操作制片時的漂片看不清，水缸清潔不方便等缺點(diǎn)，極大的提高了制片的效率。本多功能一體機(jī)系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，安全可靠，在病理組織制片中有較好的推廣性。

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注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期