颜东升的论文液面检测系统设计邢科义.docx

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颜东升的论文液面检测系统设计邢科义

自动生化仪液面检测系统

摘要

自动生化仪是目前医院特别是大中型医院里不可或缺的大型生化检验设备。

它功能强大，结构复杂，自动化程度高，由诸多系统组成。

本文为自动生化分析仪设计液面检测系统。

这一系统是通过锁相环路，保证采样系统检测试剂及样本液面的准确性，并通过给下游驱动吸样针的步进电机提供定量脉冲，保证吸样针得到合适的插入液面深度，从而确保足够的吸样量，防止在吸样过程中出现“吸空”现象。

液面检测系统的防撞检测功能可以监测吸样针在吸样和加样这两个进行垂直运动的过程中，由于试剂瓶（样本杯）已空而与瓶（杯）底部发生碰撞，或由于人为疏忽因素阻隔其下降通道面发生碰撞的情况，并能在碰撞发生时发出声音报警。

关键词：

自动生化分析仪，液面检测，锁相环，定量脉冲

LiquidSurfaceDetectionSystemsofAutomaticBio-chemicalInstruments

Author:

DongshengYan

Tutors:

KeyiXing

ShaoyuanYang

DiHan

ABSTRACT

Anautomaticbio-chemicalinstrumentisakindoflargebio-chemicalinspectionequipmentsthatareabsolutelynecessaryforhospitalsespeciallybigandmedium-sizedhospitalsatpresent.Itconsistsofmanysystemsandhasstrongfunction,complicatedstructure,andhighautomationdegree.

Thispaperdesignsliquidsurfacedetectionsystemsforautomaticbio-chemicalinstruments.Byusingphaselockcircuitries,itcanguaranteetheaccuracyofsamplingsystems,whichareusedtodetectsurfaceofreagentsandsamples.Andbyprovidingmeteredpulsetothedownstreamstepmotorthatdrivesthesamplingneedles,itcanassurethatthesamplingneedlesplugintotheliquidproperlysothatthesamplingneedlescanabsorbenoughsamples.Liquidsurfacedetectionsystemscanpreventoccurrenceofphenomenaof“absorbempty”insamplingprocesses.

Defending-to-collidedetectioncanmonitorcollidingsituationsofsamplingneedleswhenreagentbottles（samplecups）areempty,orwhenthefactitiousfactorsblockthegatewayinwhichsamplingneedlesdescendinprocessesofabsorbingandaddingsamples.Andatthesametimedefending-to-collidedetectioncanproducewarningmessageswhencollidesoccur.

KEYWORDS:

LiquidSurfaceDetectionSystems,Liquidsurfacedetection,Phaselockcircuitry,Meteredpulse

前言…………………………………………………………………………….…1

第1章全自动生化分析仪简介…………………………………………………3

1.1生化分析仪发展、应用状况简介……………………….……………...3

1.2生化分析仪测量原理………………………………..…………………5

1.3整机系统介绍………………………………………………...…...……6

第2章液面系统功能及组成…………………………………….………….….8

2.1系统功能……………………………………..…………………………8

2.2系统组成……………………………………………………….….……8

第3章液面检测部分设计……………….……………………………………11

3.1振荡及分频单元………………………………………………………11

3.2锁相环路单元…………………………………………….…………...12

3.2.1锁相环CD4046应用…………………………………...………13

3.2.2双管针结构及连接…….………………………………………20

3.3低通滤波器……………………………………………………………21

3.4滤波放大单元…………………………………………………………23

3.4.1高通滤波器设计……………………………………………….23

3.4.2低通滤波器设计……………………………………………….24

3.5比较单元…………………………………………………..…………..25

3.6信号整形及LED显示单元……………………………………………27

第4章定量脉冲发生器单元设计………………………….…………………28

4.1电路功能………………………………………………………………28

4.2电路设计………………………………………………………………28

第5章防撞报警单元设计…………………………………………………….30

5.1防撞检测电路…………………………………….…………………...30

5.1.1电路功能………………………………………….……………30

5.1.2电路连接……………………………………………….………30

5.2光藕工作原理……………………………………………...………….31

5.3声音报警电路…………………………………………………………33

5.3.1电路功能……………………………………………………….33

5.3.2CD4040简介…………………………..………………………..34

5.3.3电路连接……………………………………………………….34

第6章电源设计…………………….…………………………………………36

6.1＋9V电源设计说明…………………………………………………...36

6.2＋5V电源设计说明…………………………………...………………37

6.3退藕处理……………………………………….……………………...37

结论………………………………………...……………………………………38

致谢……………………………………………………...………………………39

参考文献……………………………………………………...…………………40

前言

生化分析仪是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一，是目前医院检验科常用的大型分析设备。

它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标。

全自动生化分析仪，是把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清洗等步骤自动化完成的仪器，它可完全模仿并代替手工操作。

全自动生化分析仪灵敏、准确、快速，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，提高了检验质量。

全自动生化分析仪是在传统的分光光度计的基础上发展来的，它使用测量反应度的方法以确定体液中各物质的含量。

[1]由于体液中各物质的含量均十分微小，故进样系统的精度直接影响测量结果，进样系统的设计技术一直都是全自动生化分析仪的关键技术之一。

进样精度一般靠以下技术保证:

（1）合理的液路设计和连接技术；

（2）液面检测技术:

采样针能够感应液面，探测到液面后插入适当深度后会停止；

（3）随量跟踪技术:

采样针根据所分配液体的多少自动调整下降深度；

（4）堵塞检测:

探针能自动检测血液或试剂中纤维蛋白质或其他杂物堵针，堵针后根据内置压力感受器进行处理。

本次毕业设计的主要目的是为全自动生化分析仪设计液面检测板，为液面检测技术提供一个解决方案；进行初步的随量跟踪设计，让随量跟踪技术减少对主控板的依赖，使液面检测和随量跟踪能够成为一个整体，增强了设计的通用性；在防撞电路中使用一个音调渐变的发声报警电路，让使用者对仪器运行过程中所出现的异常情况有所重视。

课题研究的重点是使仪器在进行液面检测时，保证系统检测精度，防止误检测。

因此在该液面检测板的设计过程中，采用了锁相环电路，以保证系统检测试剂及样本液面的准确性。

为了实现随量跟踪技术，保证吸样针插入液面的深度能够在一个合理的范围，这里使用了定量脉冲发生器，以脉冲的数量来控制步进电机运动的多少，再由步进电机联动取样针。

防撞监测功能保护取样针和反应装置意外互撞时不致产生损伤。

针对医院操作者在仪器使用和维护方面的一些不足，特别设计了声音报警电路，达到防撞检测及报警提示的目的。

由于本设计的一个目标是将此液面检测板做成一个较为独立的系统，减少其工作过程中对主控板的依赖，增强其通用性。

故本文中没有涉及到主控板的调度问题，只是设计了液面检测板和主控板之间的接口也较为简单。

本文的主要内容如下：

第一章简要介绍了全自动生化分析仪的发展状况、测量原理和系统构成，说明该检测系统在全自动生化分析仪整机中的位置；第二章为液面系统的总体设计，根据功能需求规划其组成；第三、四、五章分别对液面检测、脉冲发生、声音报警这三个功能模块进行详细设计；第六章是对通用电源、电路保护的设计。

第1章全自动生化分析仪简介

1.1生化分析仪发展、应用状况简介

生化分析仪（ChemistryAnalyzer）是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一，它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标:

如转氨酶、血红蛋白、白蛋白、总蛋白、胆固醇、肌酐、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙等。

结合其他临床资料，进行综合分析，可以帮助诊断疾病，对器官功能做出评价，鉴别并发因子，以及决定今后治疗的基准等。

生化分析仪是目前医院检验科常用的大型分析设备，由于生化工作在检验工作中的重要地位，对生化分析仪的需求相当高。

自50年代全自动生化分析仪出现以来，各种全自动生化分析仪层出不穷，现在国内各级医院充斥着美国，日本，法国，意大利等各国各类的全自动生化分析仪，其中以日本日立、奥林巴斯，美国贝克曼、杜邦最多。

自动生化分析仪的出现始于20世纪50年代，1957年Seggs首次介绍的是一种单通道、连续流动式自动生化分析仪。

1964年，推出了一台可同时测定多项目的连续流动式自动生化分析仪。

70年代中期，电子计算机控制的自动生化分析仪使自动生化分析仪进入了一个崭新的发展时期。

进入八九十年代，各型自动生化分析仪竞相发展，功能及性能指标日趋完善。

它们的共同特点是具有先进的光路系统和强大的数据处理功能，实现了检测技术多样化，如生物模块测试技术（免保养的电极模块），无交叉污染的超声波混匀技术和一次性反应杯等，使检测速度大大提高。

[2]

自动生化分析仪根据仪器的自动化程度的高低可分为全自动和半自动两种；根据仪器的反应装置的结构原理，可分为连续流动式、分立式、离心式、袋式和干式五类；根据同时可测项目的数量分为单通道和多通道，单通道每次只能检查一个项目，但项目可换，多通道每次可同时检测多个项目；根据选择方式又有随机任选式和固定项目式之分。

随机任选式就是多通道分析仪；是目前全自动生化分析仪的发展趋势，干式分析仪也己逐渐走进临床化学试验室以至患者家庭。

全自动生化分析仪，就是把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清洗等步骤进行自动化的仪器，它可完全模仿并代替手工操作。

全自动生化分析仪灵敏、准确、快速，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，提高了检验质量。

全自动生化分析仪涉及光学、精密机械、自动控制、电子电路、热工学、生物化学、分析化学等学科，且要求高精度、高可靠性，是一个十分复杂的系统，国际上仅有少数几个知名跨国公司可以制造，如：

贝克曼—库尔特（Beckman-Coulter）、奥林巴斯（Olympus）、日立（Hitachi）等。

在国内，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司是最早开始研制全自动生化分析仪的企业之一。

随着科学技术的不断进步，特别是电子技术和计算机技术的飞速发展，使得生化分析仪器结构和性能都有了很大的改进。

自动生化分析仪主要向完善仪器各种功能的方向发展，尤其是电脑软件功能的开发，使仪器发展日新月异。

21世纪是一个信息和分子生物学的世纪，计算机及网络将深入到日常生活的每个角落。

因此，全自动生化分析仪除了向高速度、随意任选式、模块组合化、超微量化、智能化、尖端化发展的同时，也必然向就近检验、床边即时检验发展，患者自测项目将进一步发展。

总之，全自动生化分析仪将同时向大而全和小、快、灵两个方向发展。

1.2生化分析仪测量原理

临床生化检验，主要在技术方法的应用方面上探讨生化检验新技术以及新的标记物的选择和评价，用以帮助诊断，又称“诊断生化”。

主要应用了下列技术：

光谱技术、电化学分析技术、层析技术、电泳技术、离心技术、抗原抗体特异性反应和标记技术、核酸扩增、杂交及序列分析技术等，其中生化分析仪主要运用了光谱技术中的吸收光谱法和比浊法来检验体液中的物质含量。

一束强度为Io的平行单色光通过一个含有浓度为C的吸光物质、厚度为L的吸收池时，一些光子被吸收，光强从Io衰减为It，则该溶液的吸光度A等于：

A=-Lg（It/Io）。

其中It/Io为透光率。

某溶液的吸光度等于该物质的吸光系数、浓度C和光径L（cm）的乘积，当光径不变时，浓度和吸光度成正比，这是生化分析仪利用吸收光谱法进行定量测定的基础。

除特种蛋白外的大部分临床生化项目，配以相应的试剂，均可利用吸收光谱法在生化分析仪上进行测定。

带有小粒的悬浮液和胶体溶液都具有向四面八方散射入射光的性质，当一束平行光通过含有悬浮质点的悬浮液或胶体溶液时，同时受到散射和吸收两个因素的影响，使光的强度减弱。

在光源的光路方向上测量透射光（实际上还包括散射光）强度与入射光强度比值，并通过该比值测定出悬浮液或胶体溶液中质点的溶度，称为透射比浊法，在光路的其他方向上测定测量散射光强度，从而测定出悬浮液或胶体溶液中质点的溶度，称为散射比浊法。

比浊法与吸收光谱法相比较：

比浊法特异性差，灵敏度低；散射比浊法与透射比浊法相比较：

散射比浊法灵敏度高，线性范围宽，但干扰因素多。

各物质含量的计算方法决定于其所采用的测定方法和定标模式，临床生化检验测定方法总的来说可分为三大类：

终点法，动力学法和固定时间法。

[3]都是通过测量反应度的变化来确定被测定物浓度。

以终点法说明：

指经过一段时间（一般为10分钟左右）的反应，整个反应达到平衡，由于反应的平衡常数很大，可认为所有的被测定物已转变为产物，反应液的吸光度不再增加（或降低），吸光度的增加（或降低）程度与被测定物的浓度成正比。

由于对反应度的测量极其敏感，所以全自动生化分析仪的液面检测系统、取样系统对液体体积的控制就要很精确，也需要全自动生化分析仪的系统构成有比较好的规划。

1.3整机系统介绍

全自动生化分析仪是在传统的分光光度计的基础上发展来的。

从结构上来说，它包含分光光度计的主要组成部分，如：

光源、单色器（色散装置）、比色池、检测器等；另外，它还包括生化分析所需的特有部分，如：

进样系统、清洗系统、温控系统、软件系统等[4]。

图1.1生化分析仪构成

光电比色部分是整个仪器的核心，进样系统是分析的前提，控制单元是分析的保证，数据处理系统是功能的扩展。

进样系统的精度直接影响测量结果，本文研究的液面检测系统即隶属于进样系统。

第2章液面系统功能及组成

2.1系统功能

全自动生化分析仪的液面系统板，安装在试剂针、样本针组件的摇臂里，以导线与主控板相连。

其功能为：

在试剂针取试剂、样本针取样本这两个过程中，能够准确检测到杯（瓶）内的液面，保证两针不至插入液面过深，以免由于交叉污染影响测量结果，同时防止试剂、样本量不足时空吸，产生错误结果；

液面检测信号将触发定量脉冲电路，产生驱动步进电机的定量脉冲，使针下降到设计要求的液面深度；

另外，本板还具有防撞检测功能及声音报警功能，以免针撞击到硬物而损坏。

液面检测信号与防撞检测信号都将输出到主控板，再由主控板进行适当的调度。

2.2系统组成

液面检测板连接双管针和主控板，如图2.1所示，通过感应双管针接触液面时电容的变化来检测液面信息，并对检测信号进行处理后输出到主控板。

图2.1液面检测板位置示意图

图2.2液面检测板的总体结构框图

液面检测板总体结构框图如图2.2所示，锁相环路前端是振荡与分频电路，生成参考信号，双管针通过屏蔽线连接到锁相环路中，作为其调谐电容的一部分，后端接滤波放大与比较电路，对锁相环路输出信号进行处理，输出信号将触发定量脉冲发生器，给步进电机提供定量脉冲，同时把处理后的信号输出到主控板。

防撞检测电路作为板卡上独立的一部分，在发生碰撞时触发声音报警，同时把检测信号输出到主控板。

液面检测板可划分为以下几个小的电路单元：

振荡及分频电路；

锁相环路；

信号处理电路；

比较电路；

脉冲产生电路；

防撞检测电路；

声音报警电路。

后面将把液面系统的设计分解开，分别从要实现的几个功能方面出发，对液面检测单元、脉冲发生单元、防撞检测及声音报警单元这三个功能模块进行细化。

第3章液面检测部分设计

液面检测部分主要包括了振荡及分频电路、锁相环路、滤波及放大电路和比较电路这四个小的电路单元，这四个单元连接起来，共同实现液面检测的功能。

下面分别对这几个单元进行详细设计。

3.1振荡及分频单元

本节主要研究振荡及分频单元的功能及设计实现，本单元主要功能是提供6MHz稳定的振荡信号，经分频处理后，输出特定频率的方波信号到锁相环路，此信号作为锁相环路的参考信号，要求具有高稳定度。

振荡及分频电路如图3.2所示。

为使此液面检测板具有一定的通用性，则锁相环路的参考信号要有较宽的范围，因此选定输出频率较高的晶体振荡器和可实现较多分频的分频器，这样可以对参考信号进行较宽频率的调节。

电路包括一个6.0MHz的晶体振荡器和一个分频器，分频器选用CD4024（或74HC4024），可实现2～128分频，从分频器6脚输出频率为375KHz的方波信号。

图3.1振荡及分频电路框图

图3.2振荡及分频电路

6.0MHz晶体振荡器和计数器CD4024均采用+5V供电；使用CD4024的6脚输出，可实现16分频，输出375KHz方波信号，直接输入到锁相环芯片的SIGIN脚。

3.2锁相环路单元

本节主要研究锁相环路单元的功能及设计实现，锁相环路结构框图如图3.3所示，以锁相环芯片4046为核心，双管针作为VCO调谐电容的一部分接入到电路中，参与控制VCO的输出信号频率。

分频器信号与VCO输出信号同时输入到鉴相器，输出误差信号，并通过低通滤波器得到一控制电压，该控制电压分为两路，一路加至VCO的输入端，调整VCO的振荡频率，使VCO输出信号频率迅速逼近参考信号频率；另一路输出到滤波放大电路单元。

锁相环路单元主要完成以下功能：

把双管针的电容变化信息转化为VCO的频率变化；

相位比较；

输出直流误差信号。

图3.3锁相环路结构框图

3.2.1锁相环CD4046应用

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。

它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图3.4所示。

图3.4锁相环构成

压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。

施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。

这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。

这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定[5]。

图3.5CD4046引脚排列

当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。

锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。

过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

图3.5是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各引脚功能如下：

1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。

2脚相位比较器Ⅰ的输出端。

3脚比较信号输入端。

4脚压控振荡器输出端。

5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。

6、7脚外接振荡电容。

8、16脚电源的负端和正端。

9脚压控振荡器的控制端。

10脚解调输出端，用于FM解调。

11、12脚外接振荡电阻。

13脚相位比较器Ⅱ的输出端。

14脚信号输入端。

15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

图3.6CD4046内部电原理框图

主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。

比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。

当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。

从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图3.7所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。

从图中还可知，fout不一定是对称波形。

对相位比较器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。

图3.7比较器Ⅰ输入输出信号波形

相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。

它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。

它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。

对相位比较器Ⅱ而言，当14脚的输入信号比3脚的比