基于C8051F350的干式生化分析系统的硬件设计

摘要：人体体液的生化指标是临床的重要参考资料，在疾病诊断和治疗上有着非常重要的意义。本文介绍了以单片机C8051F350为核心设计的干式生化分析的硬件系统。系统集信号采样、信号调理、光源选择、条码扫描、自动温控等功能于一身，能够准确、快速、方便的完成对多项生化指标的检测。经过样机实验证明，使用方便、快捷．具有较高的使用潜力和价值。
关键词：C8051F350；微弱信号；条码扫描；自动温控

生化分析仪是用来对人体的血液、尿液等体液中各种生化成分进行定量检测和分析的仪器，能够检验如肝功能、肾功能、血脂、心功能，它同时还能测量激素及微量蛋白。人体体液的生化指标在临床疾病诊断和治疗上具有重要的参考价值。是临床的重要参考资料。
临床检验中的干式生化分析实际上是相对于经典的湿式生化分析而言，干式生化分析主要是指将液体样品(如血清、血浆、全血、尿液等)直接加到固定在干载体的干试剂上，并且以样品中的水分作为溶剂，是样品中的待测成分与试剂进行化学反应，从而进行分析的一种检验方法，是集当代化学、光学、酶学、化学计量和计算机技术于一体的多学科分析技术。由于这种检验方法的快速性，干式生化分析仪在各医院检验科得到了大幅的推广，关于干式生化分析仪的研究也越来越多。

1 系统概述
本系统以Silicon Labs公司的单片机C8051F350为核心进行系统硬件的搭建。C8051F350是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速的、流水线结构8051兼容的CIP51内核，对于学习或使用过51内核单片机的技术人员来说，易于开展研发工作。C8051F350器件具有片内C2接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在线系统调试，方便调试，缩短设计流程。

该系统的构成框图如图1所示。系统的工作流程为：将干片置于载物台上，距离检测器感应到干片已经到位，释放信号进行条码扫描，将扫描到的信息送到单片机内存储备用。然后控制机械结构将载物台运送到进样位，将样品滴到干片上，继而将干片引至恒温的检测位进行检测。检测过程主要是首先单片发出信号选定所需波长的光源，照射到载有样品的干片上，光经过反射至系统的检测部分，继而将光信号转换为电信号，经过放大滤波电路的调理之后，送至单片机进行运算处理。单片机处理之后，通过RS232接口与ARM进行通信，并将信息传送至ARM进行后续处理和显示。

2 硬件设计
本系统的硬件部分主要可以分为以下几个部分：电源部分、条码扫描米快、温度测控制模块、LED光源模块、信号测量与处理模块以及与ARM等通讯的RS232接口模块。电源模块为单片机提供工作电流，同时为光源和温控部分提供电流。条码扫描模块读取干片的条码信息。温度测控模块使孵育和检测温度保持在恒温下，减小温度对测量结果的影响，提高测量的精度。LED光源模块提供检测用光，并且实现不同波长光源的切换。信号测量与处理模块，采样光路中返回的光信号转换为电压信号，对含有各种噪声的信号进行放大滤波等调制处理，后送至单片机内进行数据处理与传递。
2．1 条码扫描模块
条码扫描模块包括干片感测和条码扫描，该部分的作用是通过近距检测器检测到干片已经被放置在载片台上，将控制信号发至条码扫描仪，条码扫描仪扫描干片上的条码信息发送至单片机，从而实现被检验者信息的自动输入和识别。其中U1为近距检测器(HSDL-9100)，当干片接近该近距检测器时，经过干片反射回来的光强度增加，流过Rt的电流增大，运算放大器U2的同相输入端电压升高。经过U2的放大之后，输入到比较器U3的反向输入端与基准电压进行比较，将数字信号输出到条码扫描仪，通知扫描仪进行条码扫描。其中，通过R8能够设置合理的阈值，防止控制信号振荡。条码扫描仪选用摩托罗拉的SE995。

2．2 温度测控模块
温度测控部分包括温度检测与温度控制。由于温度对化学反应的影响比较大，所以干式生化分析对于温度的要求较高。在系统的硬件设计中，采用反馈法对反应温度进行实时精确控制。如图3所示，热敏电阻对于温度有较高的灵敏度，当温度变化时，热敏电阻的阻值发生相应的变化。恒流源使电流通过热敏电阻，将电阻的变化转换为电压的变化，后经过运算放大器的放大将模拟信号直接送至单片机C8051F350内，在CPU内部与设定的标准值进行比较，并且经过单片机内部的PID算法作用，计算出模拟输出的量，控制帕尔贴加热或者制冷。例如，当输入电压小于标准值，说明温度高于温度标准值，单片机的模拟输出端输出模拟信号，经放大控制驱动芯片产生电流，使得帕尔贴转换为制冷，降低检测温度。反之，若输入电压高于标准值，说明温度低于温度标准值，单片机控制驱动芯片。使得帕尔贴转换为加热状态。在PID负反馈的作用下，能将检测温度控制在37±0．5℃。