張志清 張陽春

1 山西省醫(yī)療器械檢測(cè)中心（太原 030012）

2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（哈爾濱 150001）

0.概述

目前尿液檢驗(yàn)已是臨床檢驗(yàn)的重要項(xiàng)目，不僅應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)疾病，對(duì)其他全身性疾病的診斷、治療也是不可缺少的。其臨床意義有：（1）協(xié)助泌尿系統(tǒng)的診斷和療效觀察；（2）協(xié)助診斷其他系統(tǒng)的病變；（3）安全用藥的監(jiān)護(hù)；（4）中毒及職業(yè)病的輔助診斷；（5）運(yùn)動(dòng)員服用興奮劑檢查；（6）用于健康的評(píng)估。

我們?cè)O(shè)計(jì)的尿液分析儀具有操作方便、結(jié)果準(zhǔn)確、快捷高效等優(yōu)點(diǎn)，能兼容尿液檢測(cè)10 項(xiàng)、11 項(xiàng)、12 項(xiàng)、13 項(xiàng)試紙，并采用內(nèi)置微型熱敏打印機(jī)自動(dòng)打印分析結(jié)果，由大屏幕液晶顯示器以中英文方式顯示人機(jī)對(duì)話窗口，并能保存測(cè)試結(jié)果以供查詢。儀器具有自動(dòng)探測(cè)有無試紙、自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)試及自動(dòng)卸條功能，其測(cè)定的項(xiàng)目有：白細(xì)胞（LEU）、亞硝酸鹽（NIT）、維生素C（VC）、蛋白質(zhì)（PRO）、潛血（BLD）、尿膽原（URO）、膽紅素（BIL）、PH、比重（SG）、葡萄糖（GLU）、酮體（KET）、肌肝（Cre）、鈣（Ca）。

尿液分析儀主要的硬件為：主控制器C8051F020；紅外處理器、接條處理器、傳送處理器AT89C2051；打印顯示處理器P89C58；顯示器CGM19264A3（LED）；紅外接收管：PT204-6B；紅外發(fā)射管：IR5311C；時(shí)鐘：SD2200A；硅光電池：BPW21R；測(cè)量電機(jī)17H130H-03A；傳送電機(jī)25BYZ-A013；接條電機(jī)42BYHJ07B；控制鍵盤：采用薄膜開關(guān)成型技術(shù)。其中，光學(xué)掃描機(jī)中采用低功耗、高亮度、長(zhǎng)壽命的LED 發(fā)光管作為發(fā)光源，采用硅光電池作為光敏接收器件，硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件，特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性響應(yīng)好，使用壽命長(zhǎng)，耐高溫輻射，光譜靈敏度和人眼靈敏度相近。

1.基本原理和流程

圖1.尿液分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.系統(tǒng)構(gòu)成的方框圖

尿液分析儀采用微電腦進(jìn)行控制，采用硅光電池作為光敏接收器件，接收紅、藍(lán)、綠三波長(zhǎng)反射光的方式測(cè)定試劑帶上的顏色變化，從而進(jìn)行半定量的分析與測(cè)定。試劑帶上有數(shù)個(gè)含各種試劑的試劑墊，各自與尿中相應(yīng)成分進(jìn)行獨(dú)立反應(yīng)，最終顯示出不同顏色，顏色的深淺與尿液中某種成分的含量多少成比例關(guān)系，個(gè)別試劑帶中還有另一個(gè)“補(bǔ)償墊”，作為尿液本底顏色判定，以便對(duì)有色尿及儀器變化所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

測(cè)試流程是：將吸附有尿液的試劑帶放在儀器接條部位，紅外探測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到試劑帶后將其傳動(dòng)至測(cè)量部位，微電腦會(huì)驅(qū)動(dòng)測(cè)量電機(jī)行走到試劑帶的各個(gè)試劑墊，然后分別開啟紅、藍(lán)、綠三種光源，試劑帶上已產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的各種試劑墊被光源照射，其反射光被硅光電池接收，然后微處理器再將接收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，從而最終實(shí)現(xiàn)尿液試劑帶的分析與測(cè)定。尿液分析儀結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 所示。

尿液分析儀自動(dòng)計(jì)算出反射率，自動(dòng)打印出各種成分的相應(yīng)結(jié)果，尿液中某種成分含量高，其相應(yīng)試劑墊的反射光較暗，否則較強(qiáng)。

尿液分析儀的整個(gè)操作流程包含各部件的配合情況及順序，如紅外處理器驅(qū)動(dòng)紅外檢測(cè)裝置一直掃描托盤上有無放置試劑帶，當(dāng)掃描到有試劑帶時(shí)，會(huì)給接條處理器一個(gè)信號(hào)，接條處理器在接收到此信號(hào)后會(huì)驅(qū)動(dòng)接條電機(jī)把試劑帶刮送到傳動(dòng)位置，然后接條處理器會(huì)給傳送控制器一個(gè)信號(hào)，傳送處理器在接收到此信號(hào)后會(huì)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)電機(jī)將試劑帶再傳送到測(cè)量位置。然后傳送處理器會(huì)給主處理器一個(gè)反饋信號(hào)，告知可以進(jìn)行測(cè)試。主處理器在接收到此信號(hào)后開始啟動(dòng)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)測(cè)量電機(jī)進(jìn)行光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)的移動(dòng)和掃描測(cè)定，然后再將測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行處理，分送至顯示器、打印機(jī)、串口。

系統(tǒng)構(gòu)成的方框圖如圖2 所示。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路I/O 口分配情況

尿液分析儀主處理器總計(jì)有8 個(gè)8 位I/O 端口，分別為P0 口到P7 口，每個(gè)口有8 條I/O 口線，8 個(gè)口總計(jì)有64 條I/O 口線，所以其一般無需再接其他I/O 擴(kuò)展芯片，便可滿足尿液分析儀正常需求。

分配原則：由于C8051F020 器件本身的特性，應(yīng)將特有的端口（如串口、I2C 總線、外部中斷INT0 和INT1、時(shí)鐘）通過自定義的交叉開關(guān)功能將其分配至P0.0 至P0.7，JTAG 程序下載口接至TMS、TCK、TDI、TDO，除此之外，其他的則可以進(jìn)行自由分配，將輸出口、輸入口、數(shù)據(jù)線各自設(shè)置在某個(gè)口。

2.2 主要電路設(shè)計(jì)

紅外掃描發(fā)射管及指示燈控制圖如圖3 所示，為了保證足夠的發(fā)光強(qiáng)度，采用D203、D204、D205 三個(gè)紅外發(fā)射管，其控制端連接至紅外處理器AT89C2051，由紅外處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制，三個(gè)發(fā)射管按一定的頻率依次循環(huán)開啟閃爍，以實(shí)現(xiàn)掃描區(qū)域的掃描。D201 為綠色指示燈，D202 為紅色指示燈，兩者均由紅外處理器控制，分別用來指示現(xiàn)在儀器的狀態(tài)（允許放置試紙條還是不允許放置）。

紅外掃描接收部分電路圖如圖4 所示，其中PT204-6B 為紅外接收管，CA3130 為高轉(zhuǎn)換效率的運(yùn)算放大器。當(dāng)紅外發(fā)射管按一定頻率發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)，若紅外接收管接收到反饋的信號(hào)，則HW_INPUTA 端將會(huì)有信號(hào)輸出，否則其輸出即為低電平。

圖3.紅外掃描發(fā)射管及指示燈控制圖

圖4.紅外掃描接收部分電路圖

圖5.紅外掃描數(shù)模轉(zhuǎn)換控制圖

圖6.測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖7.照射光電路

圖8.接收光測(cè)量電路

紅外掃描數(shù)模轉(zhuǎn)換控制圖如圖5 所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5620 的DACB1 輸出連接至LM339比較器的反相輸入端，以便與紅外接收管輸出信號(hào)HW_INPUTA 進(jìn)行比較判定。在此，DACB1作為紅外探測(cè)的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)紅外接收管輸出信號(hào)大于此基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，表示紅外掃描區(qū)域放置有試紙條，否則表示無試紙條。

測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示，A、K 接步進(jìn)電機(jī)的線圈兩端，DACA 為C8051F020 的DA輸出口，主要是為了給電機(jī)提供從0V 到2.4V 的一個(gè)電壓變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。圖中的二極管主要是為了給電機(jī)線圈提供一個(gè)電流釋放的通道，以保護(hù)三極管不受電機(jī)線圈反向電動(dòng)勢(shì)的沖擊。

照射光電路如圖7 所示，為光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)中的發(fā)光管控制電路連線圖，其R2、G2、Y2 由主控制器C8051F020 控制，當(dāng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，此三組發(fā)光管分別點(diǎn)亮，考慮光強(qiáng)的效果紅光以二只LED 發(fā)光管點(diǎn)亮，綠光以三只LED 發(fā)光管點(diǎn)亮，藍(lán)光以一只LED 發(fā)光管點(diǎn)亮。

接收光測(cè)量電路如圖8 所示，G1 為光電池，通過LM324 運(yùn)算放大電路將其由感應(yīng)到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后放大后進(jìn)行輸出，其輸出信號(hào)AD0 連接至主處理器C8051F020 的AD端，由此來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。C8051F020 有兩個(gè)AD，一個(gè)為12 位，一個(gè)為8 位。在此選擇12 位的AD 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。

3.尿液分析儀處理器的調(diào)試順序

3.1 主控制器C8051F020 初始化端口、交叉開關(guān)。

3.2 主控制器C8051F020 給其他處理器發(fā)送復(fù)位命令，即一個(gè)高低電平變化，并告之主控制器已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后等待其他處理器反饋復(fù)位成功信號(hào)。

3.3 其他處理器復(fù)位并初始化各器件（如接條電機(jī)復(fù)位、傳送電機(jī)復(fù)位等）后給主控制器發(fā)送成功信號(hào)（通過將一條口線拉低來實(shí)現(xiàn)）。

3.4 主控制器在接收到其他處理器的復(fù)位成功信號(hào)后，開始初始化其他外圍器件，如根據(jù)紅外部分讀回的AD 值設(shè)置紅外比較的基準(zhǔn)等。

3.5 測(cè)試順序

3.5.1 啟動(dòng)測(cè)試的手段：

a)由紅外處理器啟動(dòng)（注：可由主控制器將其屏蔽，以免在紅外出現(xiàn)故障時(shí)能臨時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)測(cè)試）；

b)由主控制器按鍵啟動(dòng)。

3.5.2 當(dāng)紅外處理器啟動(dòng)沒被屏蔽時(shí)，紅外處理器控制紅外發(fā)射管按一定頻率循環(huán)亮滅，并在檢測(cè)到試紙條后給接條處理器一個(gè)信號(hào)。

3.5.3 接條處理器在接收到紅外處理器發(fā)送過來的試紙條檢測(cè)到信號(hào)后，判斷：

a)接條電機(jī)是否處在初始位置（注：有可能此時(shí)正在接條）；

b)主控制器是否正處于菜單之中；

c)傳送處理器是否允許接條（注：有可能此時(shí)傳送電機(jī)正在傳送）。

3.5.4 當(dāng)上述三個(gè)條件任何一個(gè)發(fā)生時(shí)，則接條處理器不響應(yīng)紅外處理器的信號(hào)。

3.5.5 否則，接條處理器給主控制器一個(gè)信號(hào)，告之啟動(dòng)測(cè)試。同時(shí)控制接條電機(jī)進(jìn)行試紙條的刮送。

3.5.6 在刮送到位置后，回撤一定距離，然后給傳送處理器一個(gè)信號(hào)，告之可以開始傳送。然后繼續(xù)回撤到起始位置。

3.5.7 傳送處理器在接收到接條處理器可以開始傳送的信號(hào)后，啟動(dòng)兩個(gè)傳送電機(jī)進(jìn)行傳送，并在適當(dāng)時(shí)刻告之接條處理器可以進(jìn)行下一個(gè)條的刮送。

3.5.8 傳送處理器在將試紙條傳送到測(cè)量頭部位時(shí)，給主控制器發(fā)一個(gè)信號(hào)，告之可以啟動(dòng)實(shí)際的測(cè)試。

3.5.9 主控制器在接收到傳送處理器可以啟動(dòng)實(shí)際的測(cè)試信號(hào)后，控制測(cè)量電機(jī)進(jìn)行試紙條的檢測(cè)。

4.軟件主程序

5.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的尿液分析儀集合了電氣、機(jī)械結(jié)構(gòu)兩方面的設(shè)計(jì)，是集成了光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)為一體的用于尿液臨床檢測(cè)的高精度智能化儀器，該尿液分析儀有效地減小了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為造成的干擾，保證各標(biāo)本的一致性；并將與尿液接觸的所有部件設(shè)置為可拆卸式，以便用戶清洗維護(hù)，減少長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試所造成的交叉污染；儀器的測(cè)試速度達(dá)到600 樣本/小時(shí)，可滿足臨床更多的實(shí)際測(cè)試需求，廣泛地應(yīng)用于各醫(yī)療衛(wèi)生部門。