甘宜梧　謝清華　郭宣成

全自動酶免超聲法液面探測系統(tǒng)設計

甘宜梧①謝清華①郭宣成①

目的：設計全自動酶免超聲法液面探測系統(tǒng)，實現(xiàn)對液體的液面情況進行精確探測，以滿足全自動酶免工作站性能要求。方法：針對當前存在加樣針必須向下移動一次方可得知液面情況、對導電性能差的液體無效等缺陷，設計一種超聲法液面探測系統(tǒng)。由微處理器發(fā)出控制信號，控制超聲波信號發(fā)生器芯片發(fā)出超聲波信號，使其在遇到試管或微孔板反應孔中的液面時發(fā)生反射。結(jié)果：通過接收反射的回波信號，送往微處理器進行信號處理，能夠達到液面探測的目的。結(jié)論：將超聲法應用至液面探測系統(tǒng)，能夠克服液面探測過程中的缺陷，提高移動液體精度，同時可避免交叉污染，符合全自動酶免工作站完成臨床檢驗的要求。

全自動酶免；液面探測；超聲波；LM1812芯片

［First-author’s address］ Biobase bioindustry （Shandong） Co.，Ltd， Jinan 250101， China.

全自動酶免工作站可以全自動完成酶聯(lián)免疫吸附測定法（enzyme-linked immune sorbent assay，ELISA）試驗，并提供高效、快速及準確的自動化免疫學實驗解決方案［1］。在ELISA實驗中，加樣加試劑是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)，因而液面探測系統(tǒng)是其不可或缺的一項功能組件，也是其中一項非常重要的環(huán)節(jié)。移液過程中，既需要提高移液精度，又需要最大程度的避免交叉污染，二者均直接影響到全自動酶免工作站的檢驗結(jié)果，且備受人們關(guān)注［2］。

1　超聲波探測方法

目前的全自動酶免工作站中，多采用接觸式液面探測（liquid level detection，LLD）技術(shù)，即只有當移液針接觸到被移樣液體時方能探知液體的存在，進而探知液面高度的方式，其中電容法使用最為廣泛［3］。接觸式LLD技術(shù)存在以下3個缺點：①移液針必須要向下運動完成一次探測動作后方能得知樣本是否缺失

①山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司 山東 濟南 250101或耗盡；②對缺失和耗盡的樣本該探測動作成為無效動作，從而降低了儀器運行速度；③當瓶蓋忘記取下時移液針會損壞，且電容法LLD技術(shù)存在原理性缺陷，即對導電性能差的液體無效。

超聲波探測方法作為一種非接觸式LLD技術(shù)，其測量精度最高可達0.005 mm，甚至可以測量口徑僅為3.2 mm的微小試管內(nèi)的液面。因此，該方法能夠在克服接觸式LLD技術(shù)缺點的基礎(chǔ)上，提高移液精度，同時更大程度的避免交叉污染，從而更好的滿足全自動酶免工作站的檢驗要求。

2　超聲法液面探測系統(tǒng)設計

本研究提出一種超聲法液面探測系統(tǒng)，由微處理器發(fā)出控制信號，控制超聲波信號發(fā)生器芯片發(fā)出超聲波信號，在遇到試管或微孔板反應孔中的液面時發(fā)生反射，通過接收反射的回波信號，送往微處理器進行信號處理，從而達到液面探測的目的［4-5］。

超聲法探測液面系統(tǒng)由超聲波信號發(fā)射、回波信號接收、信號放大以及信號控制處理等部分組成（如圖1所示）［6］。

圖1　超聲法液面探測系統(tǒng)框圖

3　超聲法液面探測系統(tǒng)部件

3.1信號發(fā)射與接收

（1）信號收發(fā)部分。為使電路更簡潔，選用可同時實現(xiàn)超聲波信號收發(fā)的通用型超聲波集成器件LM1812芯片，通過8051微處理器控制LM1812芯片實現(xiàn)超聲波信號的發(fā)射與回波信號的接收，并將接收后的回波信號接入二級放大電路進行信號放大，而后送入微控制器進行數(shù)據(jù)分析處理［7］。

（2）LM1812超聲波專用器件外形為18腳雙列直插塑料土封裝形式，相應引腳1腳第二增益級輸出→振蕩器端，6腳發(fā)射器輸出端，7腳發(fā)射驅(qū)動器13腳外接電源退耦電容端，14腳檢出器輸出端，16腳輸出驅(qū)動器端，17腳噪聲控制端，18腳積分器復位時間常數(shù)控制端［8］。超聲波信號由控制器控制LM1812芯片發(fā)出后，在遇到試管或微孔板反應孔中的液面時發(fā)生反射，通過微控制器控制LM1812芯片轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮漳Ｊ?，接收反射后的回波信號?/p>

3.2信號放大與處理

（1）信號放大部分。該部分采用兩級放大的方式進行信號放大，將接收到的超聲波回波信號接入運放器進行信號放大，方便更準確的進行信號分析與處理［9］。

（2）信號處理部分。采用的8051微控制器為混合信號系統(tǒng)級芯片，具有48個數(shù)字輸入輸出引腳，5個通用的16位定時器，5個捕捉比較模塊的可編程計數(shù)器陣列［10］。采用流水線結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度大幅度提高，70%的指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間＞4個系統(tǒng)時鐘周期。來自窗口比較器的INT中斷信號由微控制器的內(nèi)部定時器捕捉，能夠最大限度地減少軟件延遲。超聲法探測液面系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　超聲法探測液面系統(tǒng)電路圖

4　超聲法液面探測系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）將LM1812芯片的第1腳外接L1、C1，由此決定電路發(fā)送的工作頻率，其工作頻率fo=1/2π。由微控制器發(fā)送中斷控制LM1812芯片各引腳的狀態(tài)，使第8腳為高電平，將L1、C1振蕩槽路切換為振蕩模式，振蕩信號經(jīng)驅(qū)動放大后，由13腳及6腳輸出，并在6腳、13腳之間接變壓器，以便與超聲波發(fā)送器阻抗匹配。此時，LM1812芯片在微控制器的控制信號下向外發(fā)射超聲波。

（2）超聲波信號到達液體液面處，發(fā)生反射，通過將LM1812的8腳設置為低電平，使芯片處于接收模式，接收反射后的回波信號［11］。此時，超聲波接收器接收到的超聲波信號經(jīng)電容耦合由4腳輸入，再經(jīng)內(nèi)部兩級放大后同由1腳的諧振回路取出的信號一起送到檢測器。但由于此時噪聲脈沖也同樣被檢測，所以要通過17腳外接R17、C17進行濾波。電阻R17和電容C17的時間常數(shù)為發(fā)送時間的10%～50%。再經(jīng)過積分延時，16腳和14腳變成低電平。當1腳上的電壓變的小到不能觸發(fā)檢測器時，積分器經(jīng)延時后復位［12］。

（3）當LM1812處于發(fā)送模式時，第二級放大器自動斷開；當切換回接收模式時，第二級放大器并不馬上接通，而是在由9腳外接電容引起一段延時后再接通。這個延時使接收器暫時封閉（檢測器同時封閉），為超聲波發(fā)生器停止振蕩提供了時間。9腳外接電容C9的大小與延時有關(guān)，第16腳提供與互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxidesemiconductor，COMS）兼容的邏輯輸出，14腳為集電極開路輸出，14腳的吸收電流＞1 A時，在多重回波接收情況下就可能使芯片損壞。11腳被設計成保護14腳功率輸出端，其外接電容C11在14腳為低電平時（吸收電流）對內(nèi)部電流進行積分。

（4）通過微控制器發(fā)送中斷控制LM1812芯片各引腳的狀態(tài)，從而進行超聲波信號的發(fā)射與接收。利用對計時器的數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)采用了復雜可編程邏輯器件（complex programable logic device，CPLD）脈沖計數(shù)的方法，間接測量時間是將超聲波往返時間轉(zhuǎn)化為對單片機內(nèi)部計數(shù)脈沖的測量，即公式1［13］：

L=NS/2=Nv/（2f）（1）

式中S=v/f；f為單片機機器頻率；其計算可獲得當前液面情況。

（5）將接收到的回波信號通過二級放大模塊進行信號放大后送往微控制器進行數(shù)據(jù)處理，并可獲得當前液面情況，以達到液面探測的目的［14］。

5　結(jié)語

本研究探討了超聲法在全自動酶免工作站中的液面探測系統(tǒng)中的應用，這種液面探測方法針對當前全自動酶免工作站的現(xiàn)狀，克服了其加樣針必須向下移動一次方可得知液面情況，對導電性能差的液體無效等幾大缺陷，提出了超聲法液面探測系統(tǒng)，能夠在克服上述缺點的基礎(chǔ)上，提高移液精度，同時更大程度的避免交叉污染，從而更好的滿足全自動酶免工作站的檢驗要求［15］。

［1］李文勝，周偉，柳曉琴，等.全自動酶免儀與半自動酶標儀比對研究［J］.中外醫(yī)療，2011，30（24）：19，21.

［2］朱美芹，王莉莉.全自動酶聯(lián)免疫檢測儀與手工酶聯(lián)免疫檢測的比對評價［J］.檢驗醫(yī)學與臨床，2014，11（1）：21-22.

［3］徐建超，李冰麗.超聲波液位探測儀［J］.中小企業(yè)管理與科技，2012（11）：305-306.

［4］Peng li，Sai Chen，YuLei Cai，et al.Accurate TOF Measurement of Ultrasonic Signal Echo from Liquid Level Based on A 2-D Image Processing Method［J］.Neurocomputing，2015，175：47-54.

［5］Iryo H，Shimazaki Y.Liquid level detection device and method of manufacturing the same：US，US20150247752［P］.2015-09-03.

［6］侯建軍.基于LM1812的超聲波測距系統(tǒng)設計［C］.廈門：四川省電子學會傳感技術(shù)第十屆學術(shù)年會，2007.

［7］倫翠芬，張海峰，陳立東.基于超聲波和組態(tài)王的油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.河北科技師范學院學報，2014，28（1）：33-37.

［8］Long L，Yi B，Xie H.The Design of Ultrasonic Liquid Level Detection System Based on ARM［C］.International Conference on Civil，2015.

［9］李彩紅，楊志偉.基于CPLD和單片機的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.儀表技術(shù)，2013（7）：35-37.

［10］Mazidi，Muhammad Ali，Mazidi，et al.The 8051 Microcontroller and Embedded Systems［M］. Prentice Hall，2015.

［11］LU Ke，XD Zhang，MA Hong-Xu.Design of Ultrasonic Liquid Level Control System Based on MCU［J］.Mechanical and Electrical Engineering Technology，2014.

［12］Puskas PJ，Myers SH.Liquid condition sensing circuit and method：US，US8973601［P］.2015-03-10.

［13］Birtcher CM，Steidl TA.Ultrasonic liquid level sensing systems：US，US8959998［P］.2015-02-24.

［14］Upchurch BL，Lingle JF.Duty cycle based liquid level detection system for a driveline co mponent：US，US20140320278［P］.2014-10-30.

［15］Durkee SR.Processing echoes in ultrasonic liquid gauging systems：US，US5856953［P］.1999-01-05.

The design of liquid level detection system by ultrasonic method on automatic enzyme immunoassay system

GAN Yi-wu， XIE Qing-hua， GUO Xuan-cheng

China Medical Equipment，2016，13（9）:13-15.

Objective: To design the liquid level detection system by ultrasonic method to meet the requirements of automatic enzyme immunoassay workstations and have a precise detection of liquid level. Methods: Because the existing sample needle should move down， liquid surface and the poor conductivity of liquid were invalid. So a method of ultrasonic liquid level detection system was designed. The control signal was launched by a microprocessor to control ultrasonic signal generator chip and the ultrasonic signal reflected when the liquid level in a test tube or microplate. Results: By receiving the reflection echo signal sent to the microprocessor for signal processing， the liquid level was detected. Conclusion: The ultrasonic method applied to the liquid level detection system to overcome the above shortcomings， improve pipetting accuracy and avoid cross pollution， so as to meet the requirement of the automatic enzyme immunoassay workstation test.

Automatic enzyme immunoassay analyzer； Liquid level detection； Ultrasound； LM1812 chip

1672-8270（2016）09-0013-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.004

2016-05-10

甘宜梧，男，（1976- ），本科學歷，工程師。山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司董事長，從事公司產(chǎn)品設計開發(fā)和運營管理工作。