《便攜式免疫層析檢測裝置設計報告》

1、便攜式免疫層析技術是一種結合免疫技術和色譜層析技術的檢測方法，該技 術在二十世紀末期逐漸開展起來。目前最為廣泛使用的快速檢測試紙技術就是選 擇把膠體金作為標記物，該種方法已經(jīng)在多個領域被廣泛使用。隨著納米技術的 不斷開展，各種檢測標記物相繼被發(fā)現(xiàn)并且使用到實際的實驗過程中，使得免疫 層析技術也到了更快的開展，以前的免疫層析技術只能夠定性的檢查還不夠全 面，都現(xiàn)在開展為定量檢測，不僅檢查的準確度得到了重大的提高，而且結果的 錯誤率也到了明顯的降低。最新的根據(jù)ESE便攜式免疫層析技術設計的讀數(shù)儀已 經(jīng)在德國被研制，并且應用在醫(yī)學中的床邊檢驗和實驗室檢驗；在國內(nèi)也有很大 的開展，比方趙友全等人在研究

2、基于葉綠素熒光的光譜特征時，采用葉綠素熒光 檢測儀器，以單片機為控制內(nèi)核，完成對葉綠素熒光光譜的特征值采集。任冰強 等人也研制了 一種名為時間分辨便攜式免疫分析儀的檢測儀，其原理是根據(jù)免疫 層析技術。這項技術便被廣泛的用于開發(fā)臨床、獸醫(yī)、農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)、生物防 御和環(huán)境應用等方面，并且也在不斷增長分類。這些實踐應用也側向流紙條的繼 續(xù)開展奠定了基礎。如今，對于微型控制系統(tǒng)，最常用的便是嵌入式系統(tǒng)，因為 它有著模塊化易于改良，集成控制易于操作。被應用在機器視覺、室內(nèi)監(jiān)控、無 人機遠程操作等系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中使用了大量的市面上可以買到的攝像頭，并 將這些攝像頭設計到嵌入式系統(tǒng)中，完成特定的要求，比

3、方將攝像頭嵌入到需要 的控制系統(tǒng)中，對采集的圖像進行特定的處理，對圖像進行定時采集等等。所以 本文將攝像頭引入嵌入式系統(tǒng)，去采集便攜式免疫層析紙條上的信息，并在液晶 顯示屏LCD上直觀的顯示出來。而且本設計采用的芯片就是STM32芯片，其有著 占用空間小，顯示數(shù)據(jù)一目了然，輕便的外形等特點，成為嵌入式系統(tǒng)的首選。 而STM32芯片在便攜式儀器中實現(xiàn)圖像或文字的顯示，實時、便捷的數(shù)字圖像處 理技術方面更勝一籌，其能夠?qū)⒐庠醇ぐl(fā)，圖像采集處理，以及液晶顯示融為一 體，使得讓一片STM32去控制整個系統(tǒng)，物理占用更小、能源消耗更低、小巧和 低功耗的同時，便能夠完成手持式模塊的基本要求，更攜帶，故本文

4、提出采用 STM32作為主控制芯片。在處理時間消耗方面，如需要功耗只有mW甚至nW級。 所以在可以充分利用好嵌入式技術的基礎上，協(xié)助便攜式免疫層析技術的開展這 將對于其功能的擴展有著極其大的積極意義。希望可以在此次畢業(yè)設計中學到二 者的相關知識和技術，加深自己本科所學的相關知識，做到學以致用，把理論應用到實際的實驗過程中。第三章 檢測儀的各模塊設計本文根據(jù)設想的功能將設計局部分為三個局部：LED照明模塊設計、硬件外 殼設計、LCD模塊設計。其中的軟件模塊開發(fā)中，本文選用了 Kei I unision 5 作為STM32控制器的集成開發(fā)環(huán)境。Kei I unision 5包括工程管理、源代碼編

5、輯、源代碼調(diào)試、元件模擬和Flash編程等功能，采用了 ULINK USB-JTAG接口 適配器，從而能在目標板上燒錄和測試嵌入式應用。硬件局部的設計采用了包括 so I idwork, Cadence 等軟件實現(xiàn)。3. 1LED照明模塊設計該模塊所要完成的功能是：LED照射的光通過STM32控制照射在試條上的檢 測帶和質(zhì)控帶上，二者被完全激發(fā)，熒光物質(zhì)發(fā)光。發(fā)現(xiàn)可以使用紫外光為發(fā)光 光源，發(fā)射線穿透力很強，而且led小型易攜帶和裝置，所以選擇波長為365nm 的LED紫外光發(fā)光源，將它連在調(diào)壓模塊上，通過調(diào)壓模塊可以調(diào)節(jié)亮度，其正 向電壓3.3V,發(fā)光功率為0.2W,發(fā)射角度為120。o所選

6、LED燈功率較小，適 合手持式小型模塊設計，發(fā)射角度大能充分激發(fā)檢測帶和質(zhì)控帶的熒光物質(zhì)。并 且該模塊選用雙燈照射設計，防止熒光免疫側向流紙條不完全激發(fā)。并且整個光 源激發(fā)模塊由STM32F407主控制器控制，方便又便捷。3. 2硬件外殼設計本文采用so I i dwork作為檢測儀三維物理模型的開發(fā)軟件，so I i dworks是 一款3D CAD三維設計制圖軟件，能夠幫助使用者更加輕松的創(chuàng)立，仿真，以及 發(fā)布和管理數(shù)據(jù)，同時使用了精雕加工軟件，在機器上進行加工，所用的原料為 聚甲基丙烯酸甲酯，易于切割，容易組裝，材料獲取也較為容易。并且設計了熒 光免疫側向流紙條卡槽位，液晶屏粘貼位，數(shù)據(jù)

7、線卡槽以及內(nèi)部中心處理器 STM32F407粘貼位，紫外光激發(fā)器安裝位，照相機卡條等模塊設計。軟件設計后 將在實驗室進行材料的切割和組合。有了硬件外殼的保護里面的整個硬件電路和 LED燈就會得到穩(wěn)定，這樣當我們使用元器件時就可以防止因為振蕩旋轉使得里 面的硬件電路斷裂或者接觸不良，這樣也就有效防止了元器件在使用過程中發(fā)生 短路或者測試不靈敏等錯誤的發(fā)生概率。同時擁有一個美觀的外殼設計可以使產(chǎn) 品變得更加符合一個產(chǎn)品的基本特征，更能優(yōu)化產(chǎn)品的使用。3. 3硬件電路模塊設計為了適應手持式設備，本文采用50mm*50mm的PCB電路板進行硬件電路設計, 其板厚為3mm,并選用Cadence為操作軟件

8、。將電源模塊附帶開關、STM32F407 主控制芯片附帶芯片數(shù)據(jù)口、液晶顯示屏輸出端口、攝像頭輸入端口、紫外光驅(qū) 動接口、升壓電路、電流保護電路以及一些電子元件。本文采用的電源模塊為兩 節(jié)干電池串聯(lián)，從而得到的3V輸出電壓，配合升壓電路，便能夠產(chǎn)生本檢測儀 所需要的工作電壓，并且設計了 一個利用滑動變阻器來改變系統(tǒng)電流的電流保護 電路。并且為了克服STM32F407內(nèi)存過小的問題，還設計了外部存儲CD卡等輔 助模塊，如圖3. 1為電路板設計圖。LCD屏輸出紫 夕卜 光3區(qū) 動數(shù)據(jù)CPU攝像頭輸入I 開關升壓電路電流 保護 電路如圖3. 1為電路板設計圖4LCD模塊設計LCD液晶屏用來顯示一個人

9、際互動界面。它應用于便攜式數(shù)字產(chǎn)品和醫(yī)療器 械中，其界面是由多個像素組成的觸摸矩陣，其主要是接受上位機發(fā)來信息然后 經(jīng)過程序的處理來顯示相關的基本信息。而且這些信息我們可以把它進行存儲到 數(shù)據(jù)庫，根據(jù)顯示成像的基本原理我們可以做到我們需要的功能。液晶屏成像的 原理是讓液晶屏上的液晶點按照一定的規(guī)矩進行亮滅，先從的產(chǎn)品說明書中 得到液晶點的二進制代碼，將一定數(shù)量的液晶點，按順序點亮就形成了字符或者 圖片。函數(shù)首先應該將光標點位在用戶指定的位置，然后調(diào)用之前設置好的字符 或者圖片的二進制代碼，并將二進制代碼按特定順序組合，便形成字符或圖片， 將這一過程進行封裝，方便之后調(diào)用，按次序判斷每個液晶點的

10、亮滅，通常情況 下，賦值為“1”時，代表液晶點亮起；反之，賦值為“0”時，那么液晶點不反響。 這樣通過快速的亮滅反響，就能形成需要的數(shù)字或者圖片。通過LCD的電子電視 屏我們可以看到自己設計的便攜式免疫層析檢裝置實時測試到數(shù)據(jù)，并且可以拓 展功能，記錄每次使用元器件檢測時的數(shù)據(jù)存入相關的數(shù)據(jù)庫，方便我們可以隨 時調(diào)取不同的數(shù)據(jù)做分析，也可以增加一點小功能在LCD上實時的顯示當天的日 期和時間，供使用者當做一個小型手表或者計時器使用。3.5 USB接口模塊設計USB接口主要是為了連接檢測儀和上位機提供通信通道，一般在STM32芯片 中已經(jīng)設計好了 USB控制器的集成模塊，其功能可以直接通過調(diào)用相

11、關的功能函 數(shù)實現(xiàn)功能模塊的使用，所以他需要設計的電路并不難，標準USB接口由VCC 接電源，GND接地，D-數(shù)據(jù)線與單片機的PA11接口相連，D+數(shù)據(jù)線與單片機的 PA12接口相連這四條連接線組成。當D數(shù)據(jù)線和D+數(shù)據(jù)線都連接到一個1.5KQ 的電阻時，并且沒有USB設備連接時說明其處于低電平點位。而當USB設備與主 機連接時，主機的電阻是否已連接，是評估高速設備還是低速設備的一個重要依 據(jù)。帶USB驅(qū)動器EM的STMF103單片機只能用作USB從設備，而STM32用于設 置高速，因此1.5KQ上拉電阻連接到D+,電路如圖3-5所示。3.6外部擴展存儲器設計上文也提到過，關于本設計內(nèi)存缺乏的

12、問題，經(jīng)過大數(shù)據(jù)的比照和分析，推 斷出，可能即使將使用內(nèi)存設定在最小的數(shù)值，以STM32F407主控制器的內(nèi)存依 然無法將這些數(shù)據(jù)存儲，故為了克服這種困難，本文設計個一個簡單的外部擴展 存儲器，來幫助STM32F407控制器存儲由圖像采集而來的數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析， 和實驗比照，本文采用了 SD卡作為外部擴展存儲器載體。主要的原因使因為SD 卡具有體積小，容量大，但價格低廉，并且市面上由多種型號可供選擇。并且可 以根據(jù)廠家的詳細教程，完成單片機對SD卡的讀寫，可以說是非常的方便。這 里需要注明的是，SD卡的引腳并非我們熟識的管腳，而是集合在一起的扇區(qū)， 故也需要扇形管腳接口。第四章測試結果和分析

13、1系統(tǒng)運行測試通過上文的設計，將電源模塊、STM32F407主控制芯片模塊和攝像頭模塊以 及其他模塊接口安裝在電路板上，實際操作只需要將試條固定在卡槽中，開啟設 備，紫外光便會照射在試條的測試區(qū)，并使熒光物質(zhì)發(fā)光，再由照相機進行圖像 采集。從而得到層析免疫紙條的檢測區(qū)域的熒光灰度，在經(jīng)過照相機模塊處理， 以函數(shù)的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32F407中心控制器中，并進行數(shù)據(jù)處理，從而得 到檢測液的參數(shù)數(shù)據(jù)。實驗產(chǎn)品整體效果如圖4. 1圖4. 1系統(tǒng)整體實體圖2上位機通訊調(diào)試測試通過USB接口使檢測設備與上位機設備實現(xiàn)通訊，這樣上位機的數(shù)據(jù)就可以 通過串口在顯示屏上現(xiàn)實如圖4.2所示，并設置好實現(xiàn)U

14、SB窗口通信的波特率 參數(shù)和選擇的信道，通過收發(fā)簡單的信息來判斷上位機設備和檢測設備已經(jīng)正確 連接，并可以實現(xiàn)通信，同時也利用STM32的PH9-PH12、PH14、PI4、PI6-PI7 接口，接收接口傳輸過來的信息，在輸出的8位圖像數(shù)據(jù)。0V2640的S10_ C和 SIO_D接口分別與STM32的PF8, PF9引腳相連，通過該接口實現(xiàn)將攝像頭進行初 始化配置。CMOS攝像頭模塊將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲到C0M7寄存器中，并將 RGB5656的多位圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過DMA實現(xiàn)，控制器將圖 像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)取出并進行處理，然后將該組數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示器。圖4. 2上位機數(shù)

15、據(jù)接收和發(fā)送界面3測試結果分析由于本文是從硬件設計和軟件設計方面來設計便攜式免疫層析檢測設備，所 以對生物學上的檢測原理只做輕微了解，而數(shù)據(jù)的處理也采用的是數(shù)據(jù)庫比照分 析，對得出檢測數(shù)據(jù)的正確性只做經(jīng)驗上的區(qū)分，即通過以往的生物學上的經(jīng)驗, 來假設便攜式免疫層析檢測設備會得到什么樣的檢測數(shù)據(jù)，然后和真實的免疫層 析檢測設備作是否相同的判斷，假設相同即為此檢測儀得到了正確的結果，假設不相 同，那么對代碼進行修改。對其性能分析便捷性分析可以知道其內(nèi)部采用合理布局， 大大減少了布線和不必要的固定架設計，并且所有的控制系統(tǒng)都由STM32F407 芯片控制，大大減少了設備空間。而在設備的選材，配置等方

16、面也時刻考慮到便 捷性的因素。對于低功耗分析，本文采用獨立電源進行供電，所提供的供電源為 兩節(jié)干電池，串聯(lián)供電，合計3V不穩(wěn)定電壓，配合升壓電路對整個設備，包括 紫外光激發(fā)，STM32芯片，液晶屏，照相機等用電模塊供電。本文通過使用800MA 的干電池進行數(shù)據(jù)測試，并得出結果，大約能維持4到5各小時，基本做到了低 功耗的要求。第五章結論和展望1總結本課題通過利用嵌入式技術和免疫層析的相關理論知識，把系統(tǒng)整體模塊化分布 設計，使得各模塊完成其對應的功能，其主要工作包括設計以STM32為主控芯片 的硬件電路，內(nèi)容包含圖像采集模塊、電源模塊、人機交互模塊。運用Altium Designer對所有電路

17、進行設計和仿真，并對其中的缺乏做出修改，設計出合理 的PCB板，同時也運用SOLIDWORKS設計檢測儀的硬件外殼3D仿真模型，完成了 其要求的基本功能。也得出幾點結論：.本課題設計的便攜式免疫層析檢測裝置主要核心由STM32微控制器，在圖 像處理方面選用ROI思想進行處理，即只選取T線的數(shù)據(jù)進行處理，可以大幅減 少待處理的像素數(shù)，減少無謂的噪聲影響，從而大大減少了工作量，并克服了單 片機內(nèi)存較小，無法儲存圖像信息的缺點.便攜式免疫層析檢測儀的主控電路設計主要連接這控制器的最小電路系 統(tǒng)，以及各種外接端口和最后的PCB主板設計圖的規(guī)劃，并做出了詳細的PCB 主控件的具體設計.實驗采用了嵌入式的

18、方式進行設計，為日后其他相關模塊的設計提供了方 便，檢測數(shù)據(jù)的準確性也有待提高，系統(tǒng)代碼也能夠更加完善。通過進一步的改 進，便攜式免疫層析監(jiān)測裝置能夠向著更小、更輕的方向開展，有著很大的市場 空間和開展前景2展望.拓展功能可以利用無線打印機模塊的通訊功能實現(xiàn)對于每一次檢測數(shù)據(jù) 的打印。例如，后期可以添加無線打印模塊，通過把它和USB連接通信實現(xiàn)接收 檢測儀的發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的需求，將數(shù)據(jù)通過UART傳輸給串口接收, 如果使我們想要的結果那么可以通過藍牙或者Zigbee的傳輸模式給打印機傳輸數(shù) 據(jù)，并打印結果。.對于便攜式免疫層析試紙檢測儀使用過程中電能的損耗措施，由于實驗過 程中才用的是普通電池，它的電量很有限所以我們可以采用可充電型的鋰電池