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(jié)，病理組織的漂片和烤片的質(zhì)量會直接影響后續(xù)染色的質(zhì)量，其中病理組織漂片的水溫和烤片溫度的穩(wěn)定又會影響漂片的質(zhì)量。為了減輕病理醫(yī)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重要。

本系統(tǒng)設計采用數(shù)字型溫度傳感器，采用PID算法實現(xiàn)恒溫控制，溫度可調(diào)范圍大，穩(wěn)定可靠。在漂片缸體中安裝了可調(diào)亮度照明系統(tǒng)，可根據(jù)使用環(huán)境調(diào)節(jié)亮度，提高了漂片的效率。同時在缸體中安裝了殘渣清理系統(tǒng)，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(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)總體設計

病理組織漂片多功能一體機的系統(tǒng)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(shù)字式溫度傳感器DS18B20，可測量溫度范圍-55℃-125℃，誤差±0.5℃。病理醫(yī)師可通過按鍵設置相關的溫度和啟動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的數(shù)據(jù)，經(jīng)PID控制后輸出調(diào)節(jié)PWM占空比控制加熱模塊實現(xiàn)恒溫控制。照明系統(tǒng)通過按鍵調(diào)節(jié)PWM占空比來實現(xiàn)照明亮度的調(diào)節(jié)。清潔系統(tǒng)采用直流水泵抽水經(jīng)過漂片缸體上的沖洗孔，形成高壓把漂浮的殘渣沖洗掉，從而實現(xiàn)保持漂片水缸的清潔。

圖2 單片機主控圖

系統(tǒng)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(tǒng)單片機快12倍，大部分指令1T可完成，是一款高速單片機。同時無需外部晶振電路和外部復位電路，大大簡化了系統(tǒng)外圍電路。自帶定時器，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單，系統(tǒng)功能強大非常適合本系統(tǒng)的設計。實現(xiàn)三路溫度信號采集，經(jīng)計算實現(xiàn)控制漂片水浴缸恒溫加熱，烤片平臺的恒溫加熱，照明系統(tǒng)亮度可調(diào)，自動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(shù)字式傳感器，采集范圍-55℃至+125℃，溫度測量范圍寬，采用單總線的方式傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾能力強，分辨率最大可達0.0625℃。本系統(tǒng)設計的溫控在常溫至+99℃連續(xù)可調(diào)，采用DS18B20溫度傳感器非常適合本系統(tǒng)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現(xiàn)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，所以采用固態(tài)繼電器實現(xiàn)隔離控制，為了更好的實現(xiàn)恒溫采用PID控制算法實現(xiàn)恒溫控制。硅膠加熱片隔離驅動電路如圖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PWM開始調(diào)整，直到加熱片的溫度穩(wěn)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，在光線比較差的情況下，病理組織在水缸中不容易撈片。本系統(tǒng)在攤片的水缸中設計了亮度可調(diào)節(jié)的照明系統(tǒng)，照明燈采用高亮度的白光LED燈，不但節(jié)能而且亮度高。病理醫(yī)師可以根據(jù)自己的使用習慣調(diào)節(jié)亮度，更方便快捷的制片。

LED驅動采用集成DC/DC變換器XL4001，XL4001是固定頻率150KHz的BUCK電路，具有2A的負載驅動能力，并別具有低紋波高效率的特點。外圍電路簡單，同時內(nèi)置過流和短路保護功能，恒壓，恒流，過壓保護等功能齊全，系統(tǒng)成本低，高可靠性。通過面板輕觸按鍵調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)單片輸出的PWM的占空比，通過占空比的調(diào)節(jié)實現(xiàn)照明亮度的調(diào)節(jié)。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

漂片過后會在水面上漂浮著一些蠟塊殘渣，這些殘渣會影響下一次漂片的質(zhì)量，本系統(tǒng)在水缸設計了自動沖洗清潔系統(tǒng)，解決了手動清潔漂片水缸的缺點。本系統(tǒng)在漂片水缸中開有沖洗孔，按下清潔按鈕，直流水泵抽水經(jīng)沖洗孔出來，把水面上的殘渣帶走，水經(jīng)過濾網(wǎng)后循環(huán)使用，同時避免了頻繁更換漂片水缸的水，只需定期更換過濾濾網(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控制直流水泵的的開合進行沖洗清潔。單片機默認輸出高電平，外圍驅動電路采用PNP三極管級聯(lián)NPN三極管驅動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(tǒng)穩(wěn)定可靠。凈化沖洗系統(tǒng)電路設計如圖8所示。

圖7 凈化沖洗系統(tǒng)電路設計

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)以STCSTC8A4K64S2A12單片機為主控中心，系統(tǒng)程序主流程圖如圖8所示。單片機上電初始化各相關硬件功能，讀取EEPROM預存的加熱溫度數(shù)據(jù)，照明亮度數(shù)據(jù)，開機后可以直接按加熱按鍵即可無所每次使用時都設置加熱溫度參數(shù)和照明亮度參數(shù)，方便操作。系統(tǒng)實時檢測按鍵的狀態(tài)，如果系統(tǒng)已經(jīng)在工作，則系統(tǒng)同時還實時監(jiān)測溫度狀態(tài)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)程序主流程圖

結語

攤烤片多功能一體機系統(tǒng)采用了單片機控制技術，采用數(shù)字傳感器檢測技術，采用了PID控制算法，提高了恒溫的控制精度。除了具有常規(guī)的漂片功能，增加了烤片平臺，自動清潔系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，克服了病理醫(yī)師實際操作制片時的漂片看不清，水缸清潔不方便等缺點，極大的提高了制片的效率。本多功能一體機系統(tǒng)實用性強，安全可靠，在病理組織制片中有較好的推廣性。

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注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期