錢明理，謝海源

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院資產(chǎn)管理部，上海市，200092

基于單片機(jī)的涂板儀的設(shè)計(jì)

【作 者】錢明理，謝海源

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院資產(chǎn)管理部，上海市，200092

細(xì)菌培養(yǎng)首先需要將細(xì)菌標(biāo)本接種于固體培養(yǎng)基上。為解決細(xì)菌標(biāo)本接種手工操作速度慢、效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種小型的設(shè)備。涂板儀采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，可實(shí)現(xiàn)加減速、翻轉(zhuǎn)、暫停等功能。電機(jī)通過托盤帶動(dòng)培養(yǎng)皿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)備實(shí)用性強(qiáng)，技術(shù)員只需做簡(jiǎn)單的操作即可快速完成細(xì)菌標(biāo)本接種工作，接種均勻，大大提高了工作效率。

細(xì)菌培養(yǎng)；涂板儀；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

細(xì)菌培養(yǎng)首先需要將細(xì)菌標(biāo)本接種于固體培養(yǎng)基上，做分離培養(yǎng)。再進(jìn)一步對(duì)所得單個(gè)菌落進(jìn)行形態(tài)、生化及血清學(xué)反應(yīng)鑒定。標(biāo)本接種到培養(yǎng)基上，是一個(gè)手工完成的過程，目前沒有專門設(shè)備來進(jìn)行輔助操作。設(shè)計(jì)一種設(shè)備，能提高標(biāo)本接種的效率，這是檢驗(yàn)科技術(shù)員的一個(gè)需求。根據(jù)這個(gè)需求，設(shè)計(jì)了小型的設(shè)備涂板儀。

1 設(shè)計(jì)思路

手工進(jìn)行標(biāo)本接種需要將標(biāo)本均勻的涂抹在培養(yǎng)基上。操作人員需要同時(shí)進(jìn)行涂抹和轉(zhuǎn)動(dòng)培養(yǎng)皿，以保證盡可能的均勻接種。這種操作速度慢，涂抹均勻性較差，對(duì)后期的反應(yīng)鑒定帶來較大的影響。

設(shè)計(jì)一種儀器，能帶動(dòng)培養(yǎng)皿做勻速旋轉(zhuǎn)，檢驗(yàn)人員只需用棉簽一次性劃過培養(yǎng)皿即可將標(biāo)本均勻接種到培養(yǎng)基上。這種方法一定程度上減輕了工作強(qiáng)度，提高了工作效率，而且涂抹的均勻性可得到較大提高。另外儀器的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可正反轉(zhuǎn)，方便不同操作人員的需要。

2 設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)儀器分三部分：控制部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和機(jī)械支撐部分。即單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)，而且應(yīng)用性更強(qiáng)，程序可根據(jù)需求進(jìn)行開發(fā)和修改?？刂撇糠滞瓿呻姍C(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制。項(xiàng)目采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

單片機(jī)P1口發(fā)生控制信號(hào)。P1.0～P1.3口分別連接微動(dòng)開關(guān)，P1.0口控制加速，P1.1口控制減速，P1.2口控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向，P1.3口為暫停和重啟控制，低電平觸發(fā)。

單片機(jī)P2口產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因電機(jī)型號(hào)不同，可以是兩相四線也可能是四相六線或其他接線方式，P2口與驅(qū)動(dòng)芯片之間采用跳線帽連接，以滿足不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要，增強(qiáng)適應(yīng)性。

單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力是非常有限的，51單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流一般都在10 mA以下，而電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流需要幾百mA，必須使用驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電流和功率進(jìn)行放大。三極管可用于電流放大，作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用達(dá)林頓管較為合理。達(dá)林頓管是兩個(gè)三極管的直接連接，放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積，電流放大能力更強(qiáng)。這里采用ULN2003高耐壓，大電流達(dá)林頓管陳列[2]。他由7個(gè)NPN達(dá)林頓管組成，在5 V工作電壓下，能與TTL電路直接連接，非常適合單片機(jī)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA，耐壓50 V。

圖1 ULN 2003Fig.1 ULN 2003

單片機(jī)可控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)性能較步進(jìn)電機(jī)好，但其成本也比步進(jìn)電機(jī)高很多。從成本和實(shí)際使用的角度考慮，采用步進(jìn)電機(jī)更為合理。設(shè)備實(shí)際采用的是減速步進(jìn)電機(jī)。減速步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)速更慢，力矩大，運(yùn)行平穩(wěn)。涂板儀設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在50 rps左右，選擇電機(jī)減速比為1：10。設(shè)備選擇兩相六線電機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)序采用八拍方式，12 V供電，時(shí)序圖如下所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序Fig.2 Drive sequence of motor

因設(shè)計(jì)的是測(cè)試樣機(jī)，機(jī)械支撐部分相對(duì)簡(jiǎn)單。制作一塑料托盤，并設(shè)計(jì)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸匹配卡扣即可。托盤將隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外為了防止培養(yǎng)皿在托盤上打滑，在托盤上固定橡膠層，增加摩擦力。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用Keil uVision4開發(fā)環(huán)境C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。正反轉(zhuǎn)時(shí)序分別放置在兩個(gè)數(shù)組中，由P2口輸出，只要循環(huán)調(diào)用數(shù)組即可保證輸出正確的脈沖信號(hào)。

程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是，如何通過按鍵進(jìn)行電機(jī)控制。因按鍵本身的物理結(jié)構(gòu)，在按下和抬起的10 ms時(shí)間內(nèi)，會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，出現(xiàn)多次觸發(fā)，如圖3所示。

圖3 按鍵抖動(dòng)Fig.3 key shake

工作狀態(tài)下，電機(jī)的脈沖周期小于10 ms，用常規(guī)的軟件消抖方式將嚴(yán)重影響電機(jī)的正常工作，觸發(fā)脈沖頻率被打亂，步進(jìn)電機(jī)可能產(chǎn)生失步現(xiàn)象。所以需要有其他的辦法來進(jìn)行消抖處理。

消抖可以通過硬件或者軟件來實(shí)現(xiàn)。硬件消抖通過并聯(lián)電容(圖4)、RS觸發(fā)器(圖5)或施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，后兩種硬件消抖效果相對(duì)較好。但是硬件消抖需要增加消抖電路，沒有軟件消抖來的直接。

圖4 電容消抖Fig.4 Capacitance elimination buffeting

圖5 RS觸發(fā)器Fig.5 RS trigger

在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下是采用軟件方式來消抖的。問題是，采用常規(guī)的延時(shí)10 ms來判斷按鍵是否被按下，在這里行不通。所以專門設(shè)計(jì)了定時(shí)器消抖程序。全局變量key_con用來控制按鍵的狀態(tài)，每個(gè)周期都對(duì)key_con的值進(jìn)行查詢，uchar key_ cmd()函數(shù)用來判斷按鍵是何種指令。以下是按下加速鍵的控制程序示例。

//按鍵命令的判斷

uchar key_cmd(){

uchar k=0x00;

if(FASTER==0) k=0x01;

if(k!=0x00){

TR0=0;

q=10;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

TR0=1; }

return k;

}

//主函數(shù),電機(jī)控制采用查詢方式/////////////////////////////////

void main(){

init();

while(1){

if(i＞=8) i=0;

P2=direct[i];

delay_ms(ms);

P2=0x00;

if(key_con==0x00) key_con=key_cmd();

i++;

}

}

void timer0() interrupt 1{

TR0=0;

if(q＜=0){

if(key_con==key_cmd()){

if(key_con==0x01&&ms＞1) ms=ms-1;

}

key_con=0x00;

}else{

TR0=0;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

TR0=1;

q--;

}

}

主程序按周期發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖，并查詢key_ con狀態(tài)。當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)，key_con狀態(tài)改變，且不為0，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行key_cmd()函數(shù)，對(duì)按鍵命令進(jìn)行判斷，并啟動(dòng)定時(shí)器。只有key_con不等于0時(shí)，key_cmd()函數(shù)不執(zhí)行，直至定時(shí)器中斷觸發(fā)。所以在抖動(dòng)狀態(tài)，定時(shí)器中斷服務(wù)程序不會(huì)執(zhí)行，很好的避開了抖動(dòng)狀態(tài)。

設(shè)單片機(jī)采用12 MHz晶振，則一條單周期指令的執(zhí)行時(shí)間為1 μs，這是電機(jī)脈沖周期的1‰，可以認(rèn)為少量指令的執(zhí)行對(duì)電機(jī)的脈沖并沒有影響。這樣既做到了電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也保證了按鍵的正常觸發(fā)。

3 使用測(cè)試

涂板儀是實(shí)用型設(shè)備，原型機(jī)交付檢驗(yàn)科細(xì)菌室做測(cè)試。開機(jī)初始化速度為50 rpm，測(cè)試時(shí)未出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不夠的現(xiàn)象，培養(yǎng)皿涂抹結(jié)果，經(jīng)檢驗(yàn)科人員觀察，均勻性很好。下表為該設(shè)備與手工涂板的效率比較。

表1 工作效率比較Tab.1 Effciency comparison

表格顯示，工作效率提高明顯，設(shè)備使用效果較好。該設(shè)備的設(shè)計(jì)，基本達(dá)到了科室的使用要求。

[1] 宏晶科技. STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)工作指南[EB/OL]. [2005-2-16]. http: // www.MCU-Memory.com.

[2] 友達(dá)集成電路. 高耐壓, 大電流達(dá)林頓陳列-ULN2003[EB/OL]. [2004-9-20]. http: // www.e-youda.com.

糖尿病治療新器械

日前，南京醫(yī)科大學(xué)消化內(nèi)鏡研究所研發(fā)出一款治療肥胖癥及糖尿病的十二指腸套管和輸送器。十二指腸套管由鈦合金骨架和管道構(gòu)成，當(dāng)它被無創(chuàng)植入人體時(shí)，上端固定于十二指腸與胃交界處，下端位于屈氏韌帶下。胃內(nèi)的食物從套管腔內(nèi)通過，膽汁及胰液隔離于套管外，阻斷對(duì)食物的消化吸收。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，十二指腸套管植入對(duì)腸道整體的營(yíng)養(yǎng)吸收無顯著影響，套管植入還能提高糖尿病病人體內(nèi)的降血糖激素的水平，提高胰島素的敏感性。這種套管對(duì)Ⅱ型糖尿病治療效果良好。糖尿病患者不再需要控制飲食。至于該十二指腸套管是否適于所有的糖尿病患者使用還需作進(jìn)一步臨床應(yīng)用研究。

（本刊訊）

Design of SCM Inoculation Device

【W(wǎng)riters】Qian Mingli, Xie Haiyuan
Asset Management of Xinhua Hospital Affliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200092

The frst step of bacilli culture is inoculation bacteria on culture medium. Designing a device to increase effciency of inoculation is signifcative. The new device is controlled by SCM. The stepper motor can drive the culture medium rotating, accelerating, decelerating, overturn and suspending. The device is high practicability and efficient, let inoculation easy for operator.

bacilli culture, inoculation device, SCM, stepper motor

TH77

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.01.011

1671-7104(2014)01-0040-03

2013-08-26

錢明理，E-mail: mlqianok@online.sh.cn

謝海源，E-mail: shsmuxie@163.com