一種病理組織漂片多功能一體機的設計

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，病理組織的漂片和烤片的質(zhì)量會(huì )直接影響后續染色的質(zhì)量，其中病理組織漂片的水溫和烤片溫度的穩定又會(huì )影響漂片的質(zhì)量。為了減輕病理醫師的工作量，提高制片的效率，設計一套多功能的病理組織漂片和烤片一體機至關(guān)重要。

本系統設計采用數字型溫度傳感器，采用PID算法實(shí)現恒溫控制，溫度可調范圍大，穩定可靠。在漂片缸體中安裝了可調亮度照明系統，可根據使用環(huán)境調節亮度，提高了漂片的效率。同時(shí)在缸體中安裝了殘渣清理系統，可有效清理漂浮在水面上的殘渣，保持了漂片水缸的清潔。

圖1 系統原理框圖

系統總體設計

病理組織漂片多功能一體機的系統原理框圖如圖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字式溫度傳感器DS18B20，可測量溫度范圍-55℃-125℃，誤差±0.5℃。病理醫師可通過(guò)按鍵設置相關(guān)的溫度和啟動(dòng)漂片缸體的加熱和烤片平臺的加熱。主控單片機STC8AF讀取溫度傳感器傳回來(lái)的數據，經(jīng)PID控制后輸出調節PWM占空比控制加熱模塊實(shí)現恒溫控制。照明系統通過(guò)按鍵調節PWM占空比來(lái)實(shí)現照明亮度的調節。清潔系統采用直流水泵抽水經(jīng)過(guò)漂片缸體上的沖洗孔，形成高壓把漂浮的殘渣沖洗掉，從而實(shí)現保持漂片水缸的清潔。

圖2 單片機主控圖

系統硬件設計

1.1 單片機主控電路設計

MCU采用高性能單片機STC8A4K64S2A12，新一代的51單片機，主頻可達24MHZ，比傳統單片機快12倍，大部分指令1T可完成，是一款高速單片機。同時(shí)無(wú)需外部晶振電路和外部復位電路，大大簡(jiǎn)化了系統外圍電路。自帶定時(shí)器，多路硬件PWM輸出，ADC模擬采集等功能。STC8A4K64S2A12單片機作為主控，外圍采集控制電路簡(jiǎn)單，系統功能強大非常適合本系統的設計。實(shí)現三路溫度信號采集，經(jīng)計算實(shí)現控制漂片水浴缸恒溫加熱，烤片平臺的恒溫加熱，照明系統亮度可調，自動(dòng)清潔凈化水缸等功能。單片主控如圖2所示。

1.2 溫度采集電路設計

溫度傳感器采用DS18B20數字式傳感器，采集范圍-55℃至+125℃，溫度測量范圍寬，采用單總線(xiàn)的方式傳輸數據，抗干擾能力強，分辨率最大可達0.0625℃。本系統設計的溫控在常溫至+99℃連續可調，采用DS18B20溫度傳感器非常適合本系統設計。DS18B20溫度采集電路如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度采集電路

1.3 加熱控制電路設計

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通和斷開(kāi)，所以采用固態(tài)繼電器實(shí)現隔離控制，為了更好的實(shí)現恒溫采用PID控制算法實(shí)現恒溫控制。硅膠加熱片隔離驅動(dòng)電路如圖4所示。硅膠加熱片加熱和溫度傳感器構成閉環(huán)反饋，溫度接近設定值時(shí)PWM開(kāi)始調整，直到加熱片的溫度穩定在設定值附近。PID恒溫控制如圖5所示。

圖4 硅膠加熱片隔離驅動(dòng)電路

圖5 PID恒溫控制

1.4 照明電路設計

病理組織比較薄，有一定的透明度，在光線(xiàn)比較差的情況下，病理組織在水缸中不容易撈片。本系統在攤片的水缸中設計了亮度可調節的照明系統，照明燈采用高亮度的白光LED燈，不但節能而且亮度高。病理醫師可以根據自己的使用習慣調節亮度，更方便快捷的制片。

LED驅動(dòng)采用集成DC/DC變換器XL4001，XL4001是固定頻率150KHz的BUCK電路，具有2A的負載驅動(dòng)能力，并別具有低紋波高效率的特點(diǎn)。外圍電路簡(jiǎn)單，同時(shí)內置過(guò)流和短路保護功能，恒壓，恒流，過(guò)壓保護等功能齊全，系統成本低，高可靠性。通過(guò)面板輕觸按鍵調節亮度，調節單片輸出的PWM的占空比，通過(guò)占空比的調節實(shí)現照明亮度的調節。照明空控制電路如圖6所示。

圖6 照明控制電路

1.5 沖洗凈化電路設計

漂片過(guò)后會(huì )在水面上漂浮著(zhù)一些蠟塊殘渣，這些殘渣會(huì )影響下一次漂片的質(zhì)量，本系統在水缸設計了自動(dòng)沖洗清潔系統，解決了手動(dòng)清潔漂片水缸的缺點(diǎn)。本系統在漂片水缸中開(kāi)有沖洗孔，按下清潔按鈕，直流水泵抽水經(jīng)沖洗孔出來(lái)，把水面上的殘渣帶走，水經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)后循環(huán)使用，同時(shí)避免了頻繁更換漂片水缸的水，只需定期更換過(guò)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，單片機控制繼電器來(lái)控制直流水泵的的開(kāi)合進(jìn)行沖洗清潔。單片機默認輸出高電平，外圍驅動(dòng)電路采用PNP三極管級聯(lián)NPN三極管驅動(dòng)12V繼電器，從而控制水泵，避免了上電瞬間產(chǎn)生誤觸發(fā)，系統穩定可靠。凈化沖洗系統電路設計如圖8所示。

圖7 凈化沖洗系統電路設計

系統軟件設計

系統以STCSTC8A4K64S2A12單片機為主控中心，系統程序主流程圖如圖8所示。單片機上電初始化各相關(guān)硬件功能，讀取EEPROM預存的加熱溫度數據，照明亮度數據，開(kāi)機后可以直接按加熱按鍵即可無(wú)所每次使用時(shí)都設置加熱溫度參數和照明亮度參數，方便操作。系統實(shí)時(shí)檢測按鍵的狀態(tài)，如果系統已經(jīng)在工作，則系統同時(shí)還實(shí)時(shí)監測溫度狀態(tài)。如果系統出現加熱異常則立即切斷加熱輸出并聲光警報，直到人工去除警報。

圖8 系統程序主流程圖

結語(yǔ)

攤烤片多功能一體機系統采用了單片機控制技術(shù)，采用數字傳感器檢測技術(shù)，采用了PID控制算法，提高了恒溫的控制精度。除了具有常規的漂片功能，增加了烤片平臺，自動(dòng)清潔系統，照明系統，克服了病理醫師實(shí)際操作制片時(shí)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。本多功能一體機系統實(shí)用性強，安全可靠，在病理組織制片中有較好的推廣性。

參考文獻

[1] 廖惜春,項華珍,徐秀平.模擬電子技術(shù)基礎[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2008

[2] 沈紅衛.單片機應用系統設計實(shí)例與分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003

[3] 改進(jìn)的PID算法在輸液加溫器中的應用[J].唐煜輝,肖化,白湧,楊洪波.現代電子技術(shù),2014(01)

[4] 基于單片機的集中溫控系統設計[J].于浩楠,董玉林.科技創(chuàng )新與應用,2019(08)

[5] 溫度的測量與控制[M].清華大學(xué)出版社,姜忠良,陳秀云編著(zhù),2005

[6] 流行單片機實(shí)用子程序及應用實(shí)例[M].西安電子科技大學(xué)出版社,楊振江等編著(zhù),2002

注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期