醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計第7章-半自動生化分析儀設(shè)計

第七章半自動生化分析儀設(shè)計7.1生化分析儀概述生化分析儀是用來對人體中的血液、尿液等各種生化成分進(jìn)行定量檢測和分析的儀器。7.1.1生化分析過程生化分析過程一般包括樣品的識別、處理和存儲，樣本和試劑的存儲、傳送，化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)的檢測，信號處理、數(shù)據(jù)報告和結(jié)果分析等步驟。半自動生化分析儀部件結(jié)構(gòu)圖①LCD顯示屏；②鍵盤；③電源指示燈；④打印機(jī)；⑤比色池；⑥吸液鍵7.1.2生化分析儀分類（1）按反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)分可為連續(xù)流動式、分立式和離心式三類（2）按自動化程度可分為半自動和全自動兩種。（3）按同時可測定項目可分為單通道和多通道兩類。（4）按儀器的復(fù)雜程度及功能可分為小型、中型和大型三類。（5）按規(guī)定程序可變與否，可分為程序固定式和程序可變式分析儀兩類。7.2生化分析測量原理7.2.1基本原理臨床檢驗中常利用吸收光譜的強(qiáng)度來測定體液或組織中某一成分的含量，這類分析方法統(tǒng)稱光度法。7.2.1基本原理朗伯—比耳定律A＝KCL吸光度為入射光強(qiáng)度，I為出射光強(qiáng)度，7.2.1基本原理朗伯-比爾定律成立的前提(1)入射光為平行單色光且垂直照射；(2)吸光物質(zhì)為均勻非散射體系；(3)吸光質(zhì)點之間無相互作用；(4)輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收，無熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生。7.2.2信號采集方法（1）終點法。（2）固定時間法（3）連續(xù)監(jiān)測法：又稱為速率法

各測光點之間的吸光度的變化速率來得到濃度7.2.3葡萄糖氧化酶法測量原理醌亞胺的最大吸收峰在500nm左右，吸光度的變化與樣本中的葡萄糖濃度成正比。7.2.4生化分析儀總體結(jié)構(gòu)生化分析儀由光路和電路部分組成半自動生化分析儀具備了生化分析儀的所有基本功能，設(shè)計思路和方法很有代表性，因此本節(jié)以半自動化生化分析儀作為典型代表來介紹儀器的設(shè)計方法。半自動生化分析儀光路設(shè)計光路部分：包括光源和透鏡、比色池、單色裝置（光柵和濾光片）等半自動生化分析儀電路設(shè)計電路部分：除光電接收、信號放大、數(shù)據(jù)處理等核心模塊外，還包括電源模塊、蠕動泵、溫度控制模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、打印模塊等部分組成。半自動生化分析儀電路設(shè)計生化分析儀系統(tǒng)組成框圖。7.3測量光路設(shè)計7.3.1光源選擇在光學(xué)檢測中，理想的光源應(yīng)該具有使用壽命長、價格低的優(yōu)點，除此之外不同的應(yīng)用場合對光源會提出不同的要求。光源從大類上可以分為連續(xù)光源和單色光源兩種。最典型的連續(xù)光源是白熾燈，它發(fā)光的光譜符合黑體輻射定律?，F(xiàn)在常用鹵鎢燈，鹵鎢燈的波長和能量均較穩(wěn)定，價格也較低，但缺點是能量低，尺寸也較大。另一種重要的氣體放電燈是氚燈，它屬于真空管器件，對應(yīng)的輻射波長范圍是195~400nm，目前氚燈的主要缺點是壽命有限。7.3.2光電探測器選擇1光電傳感器類型熱探測器和光子探測器熱探測器對各種波長都能響應(yīng)，光子探測器則對一般只對一段光波長區(qū)間有響應(yīng)；熱探測器響應(yīng)時間比光子探測器長，光子探測器具有響應(yīng)快的優(yōu)點，它的響應(yīng)時間一般在微秒或納秒數(shù)量級，因此在一些快速測量的場合，只能選用光子探測器。2光電傳感器的性能參數(shù)（1）光譜響應(yīng)范圍（2）暗電流（3）響應(yīng)率（4）噪聲等效功率（5）響應(yīng)時間（6）線性度7.3.3分光方法選擇分光光度計采用的光源一般是發(fā)射寬波段范圍的連續(xù)輻射，然而在實際測量時希望采用窄譜段或單色光。因此，必須采用合適的裝置將復(fù)合光分解為窄譜帶或單色光，單色器就是將光源輻射的復(fù)合光分解為單色光并可以從中分出任意波長單色光的光學(xué)裝置。單色器單色器由入射狹縫、準(zhǔn)直裝置（透鏡或反射鏡）、色散元件（棱鏡或光柵）、聚焦裝置（透鏡或凹面反射鏡）和出射狹縫等五個部分組成一個完整色散系統(tǒng)，安裝在一個不透光的暗盒中。色散元件（1）光柵（2）濾光片（3）折射棱鏡7.3.4光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)，首先需要確定所使用的光波段測量中需要平行光鹵光燈設(shè)計中首先看它的光譜曲線，還要注意空間光場分布光電管需要注意的除了波段還有主要是噪聲水平分光元件是光柵，角色散和線色散是光譜儀的重要指標(biāo)7.4生化分析儀電路的設(shè)計7.4.1信號采集和處理模塊信號采集和處理模塊的功能包括對光的強(qiáng)度進(jìn)行采集、放大和轉(zhuǎn)換，用于數(shù)據(jù)分析處理。信號檢測電路將采集的光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過運算放大器放大和AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，最后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。光信號檢測電路光信號檢測電路采用硅光電池檢測光信號強(qiáng)度。T型反饋電路組成電流-電壓變換電路T型網(wǎng)絡(luò)電路的等效電阻

輸出電壓電壓放大電路為了方便后續(xù)電路處理，需要將電流-電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的信號轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路所需要的信號。采用集成運算放大器AD8677實現(xiàn)此放大功能，將電流-電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的信號輸入到運算放大器的同相輸入端，經(jīng)過反饋放大后在輸出端得到所需放大電壓。經(jīng)過放大電路放大后的信號是模擬信號，而處理器僅能處理數(shù)字信號，為了能把該模擬信號的數(shù)值用處理器進(jìn)行計算處理，需要先用AD7715轉(zhuǎn)換模塊把放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳給處理器。外置A/D模塊數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)是讀取測光值，并進(jìn)行測光量程判斷。讀取ADC數(shù)據(jù)后判斷數(shù)值大小，通過程控開關(guān)選擇合適的量程進(jìn)行采集，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)采集子程序流程圖7.4.2中央控制系統(tǒng)設(shè)計中央控制系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其它子程序組成，核心部件為單片機(jī)。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的32位ARMCortex-M3內(nèi)核，其增強(qiáng)型處理器采用LQFP100封裝，哈佛總線結(jié)構(gòu)，90MIPS運行速度，72MHZ主頻運行的CPU控制系統(tǒng)軟件組成框圖主程序主要完成數(shù)據(jù)采集、生化過程檢測控制、數(shù)值顯示等功能。生化分析儀主程序流程圖按鍵處理模塊鍵盤模塊用于人機(jī)交互操作。此處采用鍵盤掃描管理芯片ZLG7289B顯示處理模塊320×240點陣大小的彩色液晶顯示模塊RA8806蠕動控制模塊使用蠕動泵吸取液體進(jìn)入比色池進(jìn)行測量蠕動控制模塊蠕動泵的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用專用芯片L298作為電機(jī)驅(qū)動芯片。蠕動控制模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路打印模塊測量完成后需要將測量數(shù)據(jù)打印輸出STM32通過RS-232通信

模塊將打印數(shù)據(jù)發(fā)送至

打印機(jī)控制器。溫控模塊系統(tǒng)出于簡