CN107247150B - 基于微流控芯片和stm32的血型检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于微流控芯片和STM32的血型检测装置，该装置的组成包括底座、离心装置、定位装置；所述的底座的正前端设有开关和触摸屏；所述的离心装置包括离心转盘和直流无刷电机；直流无刷电机安装在底座中部，与转盘连接轴相连，转盘连接轴向上依次穿过上隔板和胶垫，与离心转盘相连，离心转盘上设置有内外两圈共24个卡槽用于放置微流控芯片；该装置以STM32控制器为核心，通过上方的交叉的两个滚珠丝杠及工作台，完成定位和离心操作。本发明结合嵌入式、微流控技术、运动控制、光学检测等技术，使其拥有定位准确、速度快、效率高、智能化、灵活方便等优点。

Description

基于微流控芯片和STM32的血型检测装置

技术领域

本发明涉及医学中的血液检测技术领域，更具体地说涉及一种基于微流控芯片和STM32嵌入式开发的血型检测装置。

背景技术

血液检测是医学中常见的检测内容，如检测血型、红细胞计数、血糖、血红蛋白浓度等。而血液检测仪器的小型化、微型化是未来的趋势，市面上已经有小型的血糖检测仪，但并没有小型的血型检测设备。因为目前血型检测多采用传统的微柱凝胶法血型卡，另外血液离心机的控制器体积较大，造成整机便携性差、检测效率低等问题。

微流控芯片是一个新兴的科技产业，以其微型化、高通量的优势，在疾病诊断、药物筛选、材料合成、环境监测、食品安全等多个领域拥有广阔前景。目前已有人将微流控芯片用于血液检测，但由于多采用电渗驱动、电磁阀，故成本较高，难以普及，不符合血液检测设备的民用化商业趋势。

发明内容

对于上述问题，本发明设计了一套带定位机械和离心机械、集控制与检测于一身的血型检测装置。本装置采用体积小巧的微流控芯片代替传统的血型检测卡，使整机的体积减小、便携性和离心效率提高，而且由于微流控芯片的使用，芯片的放置方式以卧式代替立式，更有利于离心；以STM32控制器为核心，并加入步进电机和直流无刷电机，使其按设定运行，完成定位和离心操作。该系统结合嵌入式、微流控技术、运动控制、光学检测等技术，使其拥有定位准确、速度快、效率高、智能化、灵活方便等优点。

本发明的技术方案是：

一种基于微流控芯片和STM32的血型检测装置，该装置的组成包括底座、离心装置、定位装置；

所述的底座的正前端设有开关和触摸屏；底座的左、右、后三个面的外沿，各固定有一块竖直的金属板，连同前外沿上的T形支架，组成外壳；上部为上隔板，上隔板放置有胶垫；

所述的离心装置包括离心转盘和直流无刷电机；直流无刷电机安装在底座中部，与转盘连接轴相连，转盘连接轴向上依次穿过上隔板和胶垫，与离心转盘相连，离心转盘上设置有内外两圈共24个卡槽用于放置微流控芯片；

所述的定位装置中，第一滚珠丝杠位于离心转盘上方，两端水平固定在外壳的左、右壳壁上，其右端与壳壁外的第一步进电机相连；第一滚珠丝杠上安装有第一工作台，第一工作台下方安装有摄像头；第一光电编码器安装在左壳壁外，与滚珠丝杠的左端连接；

第二滚珠丝杠两端固定在外壳的后壁和前端的T形支架上，与第一滚珠丝杠垂直交叉，并位于其上方；第二步进电机安装在后壳壁外，与第二滚珠丝杠的一端相连；第二光电编码器与第二滚珠丝杠的另一端相连，安装在T形支架上；第二滚珠丝杠上装有第二工作台，工作台下装载激光二极管；

所述的装置还包括安装在底座内的STM32控制器、第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、直流无刷电机驱动器、第一电源、第二电源、第三电源、第四电源；

其中，所述的第一步进电机驱动器和第一步进电机相连；第四电源分别与第一步进电机驱动器、第一光电编码器相连；第一驱动器、第一光电编码器和激光二极管分别与STM32控制器相连；

所述的第二步进电机驱动器和第二步进电机相连；第二电源分别与第二步进电机驱动器和第二光电编码器相连；摄像头、第二步进电机驱动器、第二光电编码器、图像采集电路分别与STM32控制器相连；

所述的直流无刷电机驱动器通过RS485接口与STM32控制器相连，直流无刷电机、第三电源分别与直流无刷电机驱动器相连；

所述第一电源与触摸屏相连，触摸屏还通过RS232接口与STM32控制器相连。

本发明的有益效果为：

1.本装置通过STM32控制器，通过霍尔传感器和光电编码器采集速度信息形成反馈，智能控制直流无刷电机的转速，实现多段调速、快速响应、多种停车方式，适应多种血液离心的方案。且能到达与传统微柱凝胶血型卡相同的精度。

2.本装置由于微流控芯片中液体容量小，且采用轻薄的PMMA材质转盘，故本装置对离心力要求低，有利于降低功耗和获得更好的离心效果。

3.本装置采取闭环调节，工作稳定，抗干扰能力强。由于采用单片机做控制器，选择步进电机进行定位操作，使成本降低。

4.本装置在离心功能之外，还可在预定转速到达时触发激光二极管并进行图像采集工作，经由触摸屏实时显示速度曲线，功能丰富，做到真正意义的智能控制。

5.本装置由于选择体积小巧的微流控芯片取代大体积的传统血型卡，以及小体积的单片机做控制器，使得机械装置的整体结构缩小，故有效解决传统血型检测仪器检测效率低、体积庞大便携性差等弊病，具有很高的推广价值。

附图说明

图1为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件机械连接结构三维外观图；

图2为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件结构剖视图；

图3为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件结构俯视图；

图4为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的电气连接示意框图；

图5为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的步进电机转速检测电路图；

图6为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的图像采集电路图；

图7为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的芯片通道结构图。

具体实施方式

本发明提供的血型检测装置的主要部件包括底座1、离心转盘2、触摸屏3、激光二极管4、摄像头5、外壳。所述基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件结构图如图1所示。所述基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件结构剖视图如图2所示，图2可直观说明正面视角中各部件的构造与位置，为使图像简洁明图2未画出图1中底座正面正上方支持滚珠丝杠11和激光二极管4的T形支架。所述基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的硬件结构俯视图如图3所示，图3可进一步详细补充说明各部件的构造和位置。以下将整个装置分为三个部分，即底座、离心装置、定位装置。

所述底座1为箱式结构，安装的器件包括开关、触摸屏3、STM32控制器6、直流无刷电机7、直流无刷电机驱动器8、第一步进电机驱动器9、第二步进电机驱动器20以及电源等部件，以上部件都封装于所述底座1中。底座的正前端设有开关和触摸屏3。触摸屏的速度控制界面，上方设定4段速度，每一段分为加(减)速和匀速两个过程，中间显示及时速度曲线，下方为驱动器发出的脉冲，调节占空比以实现转速控制。

所述离心装置主要包括离心转盘2和直流无刷电机7。底座1之上设有离心转盘2，在离心转盘2上开有内外两圈共24个卡槽12以放置微流控芯片(每圈12个卡槽)；底座1中的直流无刷电机7通过转盘连接轴13与离心转盘2连接，两者之间为底座的上隔板。在直流无刷电机7与上隔板的接触面上下垫有软胶垫14；底座1的左、右、后三个面的外沿，各固定有一块竖直的金属板，连同前外沿上的T形支架，组成外壳；

第一滚珠丝杠15位于离心转盘上方，两端水平固定在左右外壳的壳壁上，其右端与壳壁外的第一步进电机17相连，第一步进电机17带动滚珠丝杠15运动，将旋转运动转化为直线运动；第一滚珠丝杠15上安装有第一工作台19，第一工作台19下方安装有摄像头5；光电编码器18安装在左侧壳外，与滚珠丝杠15连接，可检测步进电机17的转速；

第二滚珠丝杠11两端固定在外壳的后壁和前端的T形支架上，与第一滚珠丝杠15垂直交叉，并位于其上方10cm处；第二滚珠丝杠11上装有第二工作台16，工作台16下装载激光二极管4；第二滚珠丝杠11可将第二步进电机21的旋转运动转化为工作台16的直线运动。光电编码器22检测步进电机21的转速，安装在前端的支架上。第二步进电机21安装在后侧壳外。

由于微流控芯片的使用，芯片的放置方式以卧式代替传统血型卡的立式，这样一方面是因为后续的激光照射和拍照需要卧式放置，另一方面卧式放置芯片更有利于离心，所需离心力更小，同等的离心力条件下离心的时间更短，离心效果更好。

软胶垫14，以防止在离心过程中某一速度区间由于振动频率达到装置固有频率而产生的共振抖动问题。

所述的工作台固定在丝杠螺母上，在丝杠转动过程中，丝杠螺母随螺纹移动，使工作台直线运动。控制好步进电机的转动行程，即可控制好工作台的直线运动距离，使其上的激光二极管和摄像头到达指定的位置。第一工作台将摄像头移动到指定位置，可以实现对微流控芯片的图像采集功能；第二工作台将激光二极管移动到指定位置，可以起到对微流控芯片的激光照射作用。

所述离心转盘2采用PMMA材质制作，使得转盘质量更轻，所需转矩减小，功耗降低，离心效果更佳。

如图4所示实施例表明，本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的电气连接示意框图。

本发明所述的基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的涉电器件包括STM32控制器、触摸屏、离心模块、激光二极管模块和图像采集模块；其中，触摸屏、离心模块、激光模块、图像采集模块分别与STM32控制器相连。

所述的激光二极管模块的组成包括第四电源25、第一步进电机驱动器、第一步进电机、第一光电编码器和激光二极管。其中，第一步进电机驱动器和第一步进电机相连；第四电源25分别与第一步进电机驱动器、第一光电编码器相连，供电；第一驱动器、第一光电编码器和激光二极管分别与STM32控制器相连。

所述的图像采集模块的组成包括第二电源23、第二步进电机驱动器、第二步进电机、第二光电编码器、摄像头；其中，第二步进电机驱动器和第二步进电机相连；第二电源23分别与第二步进电机驱动器和第二光电编码器相连，供电；摄像头、第二步进电机驱动器、第二光电编码器、图像采集电路分别与STM32控制器相连。

所述离心模块包括第三电源24、直流无刷电机驱动器、直流无刷电机。其中，直流无刷电机驱动器通过RS485接口与STM32控制器相连，直流无刷电机与直流无刷电机驱动器相连，第三电源24为直流无刷电机驱动器供电。所述触摸屏通过RS232接口与STM32控制器相连，第一电源10与触摸屏相连。

所述的第一电源10、第二电源23、第四电源25为明纬NES-35-12交流/直流单组输出开关电源，第三电源24为明纬LRS-150-24交流/直流单组输出封闭型电源供应器。第一和第二步进电机驱动器为时代超群ZD-6560。直流无刷电机驱动器为爱控科技AQMD3608BLS，该驱动器中自带一个霍尔传感器以便于检测转速信息。直流无刷电机为时代超群57BL75S10。上述器件都安置在底座中。

所述的第一和第二光电编码器为HEDSS公司的ISC2805-001E360B5C，激光二极管为NEC公司的NDL5055；第一和第二步进电机为28BYGH2501。所述的摄像头为OV7670，所述的离心装置为离心转盘。上述器件安置在底座外。

图5为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的步进电机转速检测电路图。为了提高步进电机速度的控制精度，本装置采用闭环控制。即使用光电编码器作为传感器检测步进电机转速，并将检测到的转速信号传入STM32控制器，形成反馈。光电编码器具有结构简单、灵活性、非接触性和快速性等优点，本装置的光电编码器采用HEDSS公司的ISC2805-001E360B5C。第一和第二步进电机都采用28BYGH2501。第一和第二步进电机的转轴通过联轴器与光电编码器的转轴连接，光电编码器输出a、b两相相位差90°的5V电平信号。由于高于STM32的工作电平3.3V，需要进行电平转换处理。如图5所示，使用74LVC4245芯片可实现5V与3.3V之间的电平转换，之后通过一个滤波电路滤除杂波使之整定为标准信号输入到STM32控制器的PB1、PB2之中。

图6为本发明基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的图像采集电路图。采用OV7670作为图像传感器，其像素时钟高达24MHz，I/O口抓取时钟困难，CPU占用大，AL222B是一个FIFO芯片，其作用是暂存图像数据，从而解决I/O口抓取速度慢和CPU占用的问题。如图6所示，有源晶振为OV7670提供12MHz的时钟信号，SN74LVC1G00产生2.8V的安全工作电压。OV7670通过光电转化将图像信息通过D0—D7传出，经过AL422B后传至STM32控制器中存储和处理。

图7为芯片结构图。本系统采用的微流控芯片尺寸为3.4cm×3.4cm，而传统的血型卡尺寸为6.4cm×6.4cm，前者面积仅为后者的28.2％。在芯片中设置6条通道，自左向右依次为-A、-B、-D、对照组、Ac、Bc，前四个通道在腔室A输入待测者红细胞悬浮液，进行正定型检测，后两个通道在腔室B输入待测者血清，进行反定型检测。在6个腔室C中分别注入对应的反应试剂，与血液在腔室D中混合发生反应。腔室E中注入生物凝胶，在同道中形成一段过滤通道，铁磁石蜡阀门经过激光照射后融化开启，之后血液、试剂与反应物经过过滤通道，最后到达废液池。

本发明提供的基于微流控芯片和STM32的血型检测装置的使用方法，包括以下步骤：

1)定位。将注入反应试剂、生物凝胶、待测血液的微流控芯片中置于离心转盘2上。在所述触摸屏3中输入定位信息后，第一步进电机17和第二步进电机21开始转动。

微流控芯片中注入的血液与试剂可能发生特异性免疫结合。触摸屏输入信息后，触摸屏3通过RS232串口与STM32控制器相连，STM32控制器6给驱动器9和启动器20发出不同频率的脉冲波分别驱动第一步进电机17和第二步进电机21转动，滚珠丝杠11和滚珠丝杠15牵引激光二极管4和摄像机5到达准确位置。

2)离心。在触摸屏3中输入转速及持续时间等信息并按下启动按钮，离心转盘2开始运动。到达预定转速后，STM32控制器6发出指令启动所述激光二极管4发出激光。

STM32控制器6受到触摸屏3发来的信息后，向直流无刷电机7发出不同占空比的脉冲波，带动转盘转动，转盘上微流控芯片中的血液、试剂及反应物在离心力的作用下开始流动。微流控芯片的阀门为铁磁石蜡阀门。该阀门是石蜡与铁磁颗粒的混合物，受激光照射后可在短时间内产生高热量并融化，使阀门打开，速度优于传统石蜡阀。

3)图像采集。在整个过程的关键时间点和试验后，启动所述摄像头5采集图像进行分析。

特异性反应产生的凝血块在离心过程中无法穿越凝胶层，被阻隔在前端，而不发生凝血的通道中血液将完全穿过凝胶层到达末端，于是通过图像分析可鉴定血型。

本发明所涉及的协议或软件为公知技术。

本发明中所述控制器为搭载STM32F103ZET6芯片的单片机(红牛开发板，旺宝电子公司)，其核心为STM32，处理速度快，板载资源充足，接口丰富，设计灵活。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种基于微流控芯片和STM32的血型检测装置，其特征为该装置的组成包括底座、离心装置、定位装置；

所述的底座的正前端设有开关和触摸屏；底座的左、右、后三个面的外沿，各固定有一块竖直的金属板，连同前外沿上的T形支架，组成外壳；上部为上隔板，上隔板放置有胶垫；

所述的离心装置包括离心转盘和直流无刷电机；直流无刷电机安装在底座中部，与转盘连接轴相连，转盘连接轴向上依次穿过上隔板和胶垫，与离心转盘相连，离心转盘上设置有内外两圈共24个卡槽用于放置微流控芯片；

所述的定位装置中，第一滚珠丝杠位于离心转盘上方，两端水平固定在外壳的左、右壳壁上，其右端与壳壁外的第一步进电机相连；第一滚珠丝杠上安装有第一工作台，第一工作台下方安装有摄像头；第一光电编码器安装在左壳壁外，与滚珠丝杠的左端连接；

第二滚珠丝杠两端固定在外壳的后壁和前端的T形支架上，与第一滚珠丝杠垂直交叉，并位于其上方；第二步进电机安装在后壳壁外，与第二滚珠丝杠的一端相连；第二光电编码器与第二滚珠丝杠的另一端相连，安装在T形支架上；第二滚珠丝杠上装有第二工作台，工作台下装载激光二极管；

所述的装置还包括安装在底座内的STM32控制器、第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、直流无刷电机驱动器、第一电源、第二电源、第三电源、第四电源；

其中，所述的第一步进电机驱动器和第一步进电机相连；第四电源分别与第一步进电机驱动器、第一光电编码器相连；第一驱动器、第一光电编码器和激光二极管分别与STM32控制器相连；

所述的第二步进电机驱动器和第二步进电机相连；第二电源分别与第二步进电机驱动器和第二光电编码器相连；摄像头、第二步进电机驱动器、第二光电编码器、图像采集电路分别与STM32控制器相连；

所述的直流无刷电机驱动器通过RS485接口与STM32控制器相连，直流无刷电机、第三电源分别与直流无刷电机驱动器相连；

所述第一电源与触摸屏相连，触摸屏还通过RS232接口与STM32控制器相连。

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