多功能的病理组织漂片和烤片一体机设计过程

病理组织漂片和烤片是病理组织制片中非常重要的制片环节，病理组织的漂片和烤片的质量会直接影响后续染色的质量，其中病理组织漂片的水温和烤片温度的稳定又会影响漂片的质量。为了减轻病理医师的工作量，提高制片的效率，设计一套多功能的病理组织漂片和烤片一体机至关重要。

本系统设计采用数字型温度传感器，采用PID算法实现恒温控制，温度可调范围大，稳定可靠。在漂片缸体中安装了可调亮度照明系统，可根据使用环境调节亮度，提高了漂片的效率。同时在缸体中安装了残渣清理系统，可有效清理漂浮在水面上的残渣，保持了漂片水缸的清洁。

图1 系统原理框图系统总体设计

病理组织漂片多功能一体机的系统原理框图如图1 所示。220V市电输入经电源模块降压后5V和12V直流电压给单片和直流水泵供电。温度采集采用常用的数字式温度传感器DS18B20，可测量温度范围-55℃-125℃，误差±0.5℃。病理医师可通过按键设置相关的温度和启动漂片缸体的加热和烤片平台的加热。主控单片机STC8AF读取温度传感器传回来的数据，经PID控制后输出调节PWM占空比控制加热模块实现恒温控制。照明系统通过按键调节PWM占空比来实现照明亮度的调节。清洁系统采用直流水泵抽水经过漂片缸体上的冲洗孔，形成高压把漂浮的残渣冲洗掉，从而实现保持漂片水缸的清洁。

图2 单片机主控图

系统硬件设计

1.1 单片机主控电路设计

MCU采用高性能单片机STC8A4K64S2A12，新一代的51单片机，主频可达24MHZ，比传统单片机快12倍，大部分指令1T可完成，是一款高速单片机。同时无需外部晶振电路和外部复位电路，大大简化了系统外围电路。自带定时器，多路硬件PWM输出，ADC模拟采集等功能。STC8A4K64S2A12单片机作为主控，外围采集控制电路简单，系统功能强大非常适合本系统的设计。实现三路温度信号采集，经计算实现控制漂片水浴缸恒温加热，烤片平台的恒温加热，照明系统亮度可调，自动清洁净化水缸等功能。单片主控如图2所示。

1.2 温度采集电路设计

温度传感器采用DS18B20数字式传感器，采集范围-55℃至+125℃，温度测量范围宽，采用单总线的方式传输数据，抗干扰能力强，分辨率最大可达0.0625℃。本系统设计的温控在常温至+99℃连续可调，采用DS18B20温度传感器非常适合本系统设计。DS18B20温度采集电路如图3所示。

图3 DS18B20温度采集电路1.3 加热控制电路设计

加热控制采用的是硅橡胶加热片，硅橡胶加热片易于定制，并且功率大，加热分布均匀，可以很好的贴附在加热缸体下从而实现给水浴缸体加热和烤片平台加热。加热片的恒温控制要频繁的控制硅胶加热片的导通和断开，所以采用固态继电器实现隔离控制，为了更好的实现恒温采用PID控制算法实现恒温控制。硅胶加热片隔离驱动电路如图4所示。硅胶加热片加热和温度传感器构成闭环反馈，温度接近设定值时PWM开始调整，直到加热片的温度稳定在设定值附近。PID恒温控制如图5所示。

图4 硅胶加热片隔离驱动电路

图5 PID恒温控制1.4 照明电路设计

病理组织比较薄，有一定的透明度，在光线比较差的情况下，病理组织在水缸中不容易捞片。本系统在摊片的水缸中设计了亮度可调节的照明系统，照明灯采用高亮度的白光LED灯，不但节能而且亮度高。病理医师可以根据自己的使用习惯调节亮度，更方便快捷的制片。

LED驱动采用集成DC/DC变换器XL4001，XL4001是固定频率150KHz的BUCK电路，具有2A的负载驱动能力，并别具有低纹波高效率的特点。外围电路简单，同时内置过流和短路保护功能，恒压，恒流，过压保护等功能齐全，系统成本低，高可靠性。通过面板轻触按键调节亮度，调节单片输出的PWM的占空比，通过占空比的调节实现照明亮度的调节。照明空控制电路如图6所示。

图6 照明控制电路1.5 冲洗净化电路设计

漂片过后会在水面上漂浮着一些蜡块残渣，这些残渣会影响下一次漂片的质量，本系统在水缸设计了自动冲洗清洁系统，解决了手动清洁漂片水缸的缺点。本系统在漂片水缸中开有冲洗孔，按下清洁按钮，直流水泵抽水经冲洗孔出来，把水面上的残渣带走，水经过滤网后循环使用，同时避免了频繁更换漂片水缸的水，只需定期更换过滤滤网即可。大大提高了摊片制片的效率。水泵采用食品级耐腐蚀的直流水泵，单片机控制继电器来控制直流水泵的的开合进行冲洗清洁。单片机默认输出高电平，外围驱动电路采用PNP三极管级联NPN三极管驱动12V继电器，从而控制水泵，避免了上电瞬间产生误触发，系统稳定可靠。净化冲洗系统电路设计如图8所示。

图7 净化冲洗系统电路设计系统软件设计

系统以STCSTC8A4K64S2A12单片机为主控中心，系统程序主流程图如图8所示。单片机上电初始化各相关硬件功能，读取EEPROM预存的加热温度数据，照明亮度数据，开机后可以直接按加热按键即可无所每次使用时都设置加热温度参数和照明亮度参数，方便操作。系统实时检测按键的状态，如果系统已经在工作，则系统同时还实时监测温度状态。如果系统出现加热异常则立即切断加热输出并声光警报，直到人工去除警报。

图8 系统程序主流程图结语

摊烤片多功能一体机系统采用了单片机控制技术，采用数字传感器检测技术，采用了PID控制算法，提高了恒温的控制精度。除了具有常规的漂片功能，增加了烤片平台，自动清洁系统，照明系统，克服了病理医师实际操作制片时的漂片看不清，水缸清洁不方便等缺点，极大的提高了制片的效率。本多功能一体机系统实用性强，安全可靠，在病理组织制片中有较好的推广性。

参考文献

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［6］ 流行单片机实用子程序及应用实例［M］。西安电子科技大学出版社，杨振江等编著，2002

责任编辑：PSY