一種智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)設(shè)計(jì)分析

倪曉強(qiáng)

（珠海貝索生物技術(shù)有限公司，廣東珠海 519015）

0 引言

細(xì)菌菌液濃度測(cè)量是臨床微生物實(shí)驗(yàn)室的日常工作之一，細(xì)菌懸浮在液體中，整體為渾濁狀液體，其濃度采用專用的麥?zhǔn)蠞舛葋?lái)表示，普通比濁計(jì)無(wú)法測(cè)量，因此臨床上常采用肉眼與不同麥?zhǔn)蠞舛葮?biāo)準(zhǔn)管比濁估算或?qū)Ｓ名準(zhǔn)媳葷嵊?jì)測(cè)量。目前市場(chǎng)上所供應(yīng)的比濁計(jì)產(chǎn)品大多為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較昂貴，導(dǎo)致很多國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室因負(fù)擔(dān)不起而仍用人工目測(cè)比濁，直接影響到試驗(yàn)的效果和準(zhǔn)確性。同時(shí)部分細(xì)菌，如結(jié)核分枝桿菌在配制菌液時(shí)需要使用磨菌管（依靠?jī)?nèi)裝的小玻璃珠之間的互相碰撞、碾磨將菌團(tuán)打散）磨菌，然后再吸出懸液比濁，不僅增加操作步驟而且存在潛在的生物安全問(wèn)題。細(xì)菌比濁的目的基本都是需要配制成指定濃度，現(xiàn)有麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)在測(cè)量后需要客戶自行計(jì)算或多次嘗試來(lái)達(dá)到目的，操作復(fù)雜、效率低，也容易導(dǎo)致操作人員的困惑。

1 對(duì)于開(kāi)發(fā)智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)的意義

鑒于目前存在的情況，開(kāi)發(fā)了一款智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)，功能在進(jìn)口儀器基礎(chǔ)上做了技術(shù)改良，不僅具有已有比濁儀的功能，而且還具有可直接對(duì)磨菌管進(jìn)行比濁的功能，同時(shí)可以適應(yīng)2種管徑，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，可滿足更多使用要求，更適合于廣大國(guó)內(nèi)微生物實(shí)驗(yàn)室使用。

2 當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外一些知名廠商（如梅里埃、BD）已研制開(kāi)發(fā)出性能穩(wěn)定的濁度計(jì)，在國(guó)外市場(chǎng)占有一定份額，但價(jià)格較昂貴，難以在國(guó)內(nèi)普及應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些廠商制造的濁度計(jì)穩(wěn)定性相對(duì)較差，難以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)現(xiàn)有產(chǎn)品均無(wú)磨菌管直接測(cè)量、自動(dòng)計(jì)算功能。

3 智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（1）智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)基于濁度測(cè)試的比濁原理設(shè)計(jì)。比濁原理的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，某一波長(zhǎng)的光線，通過(guò)菌懸液后，其光強(qiáng)度將被減弱。由朗伯-比爾定律可知，入射光與透過(guò)光的強(qiáng)度比，與樣品液的濁度和液體的厚度相關(guān)。若樣品液層厚度一定，則吸光度與樣品的濁度相關(guān)。據(jù)此，控制系統(tǒng)可根據(jù)光電池因透過(guò)樣品池的光信號(hào)的強(qiáng)弱輸出的不同電信號(hào)，來(lái)計(jì)算樣品濁度。

圖1 濁度法結(jié)構(gòu)

（2）設(shè)計(jì)難點(diǎn)。在一定的樣品濁度范圍內(nèi)，系統(tǒng)要對(duì)光電池的電信號(hào)進(jìn)行線性化補(bǔ)償與校正，以達(dá)到測(cè)試結(jié)果的精度要求（±0.1 McF）；低功耗設(shè)計(jì)，盡可能延長(zhǎng)充電電池的單次使用時(shí)間；采用低成本雙面板達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)療器械的強(qiáng)制性的電磁兼容性測(cè)試認(rèn)證要求。

（3）為解決上述難點(diǎn)及存在問(wèn)題，在硬件電路上，設(shè)計(jì)了全新的方案：硬件電路部分主要由電源模塊、主控模塊、光路模塊、采樣模塊、顯示模塊、按鍵模塊、RS232模塊組成。功能框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路框圖

3.1 電源模塊

采用鋰電池供電進(jìn)行單+5 V電壓源設(shè)計(jì)。該模塊由充電管理電路、電池和升壓電路組成。充電管理部分，具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)充、過(guò)溫保護(hù)功能，保證了產(chǎn)品的安全可靠。鋰電池容量為1800 mA·h，可供儀器正常使用30 d以上。另外，安全環(huán)保的鋰電池代替原設(shè)計(jì)的堿性電池，也符合可持續(xù)綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念。升壓部分，采用電荷泵升壓原理，功耗低，轉(zhuǎn)換效率高（90%）。

3.2 主控模塊

采用高性能、低功耗的8位AVR（Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，RISC；Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，精簡(jiǎn)指令集）單片機(jī)ATmega64A-AU作為主控芯片，控制系統(tǒng)的充電、按鍵檢測(cè)、數(shù)據(jù)采樣與計(jì)算、結(jié)果顯示與保存、結(jié)果輸出、參數(shù)設(shè)置與保存。

3.3 光路模塊

主要由恒流電路組成，為比濁法光路系統(tǒng)的光源提供恒定電流。基于運(yùn)放加場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源，可提供精度較高的恒定電流，在保證LED（Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管）發(fā)光光強(qiáng)的同時(shí)，也延長(zhǎng)了LED光源的壽命。采用波長(zhǎng)為590 nm的單色LED，可省去濾光片，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。且使用短波長(zhǎng)的光，對(duì)于小顆粒的散射更為靈敏，利于測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量磨菌管的功能，在光路設(shè)計(jì)上采用了高位單光徑設(shè)計(jì)，避開(kāi)了底部玻璃珠的干擾，實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量功能。

3.4 采樣模塊

通過(guò)光電池采集透過(guò)樣品池的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大后輸入到單片機(jī)。采樣模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。光電池輸出的是微弱的電信號(hào)，需要保證放大后提供給單片機(jī)的電信號(hào)不失真，即保持其線性關(guān)系，否則無(wú)法計(jì)算出正確的濁度值。

3.5 顯示模塊

LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）液晶顯示模組，通過(guò)SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）協(xié)議與主控芯片通信，顯示儀器的運(yùn)行狀態(tài)、測(cè)量結(jié)果、參數(shù)等。

3.6 按鍵模塊

通過(guò)按鍵檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的校準(zhǔn)、測(cè)量、參數(shù)設(shè)置等操作。

3.7 RS232模塊

實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的輸出。通過(guò)串口，可連接熱敏打印機(jī)打印測(cè)試結(jié)果。

4 智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

軟件系統(tǒng)功能框圖，如圖3所示。其中最大的特點(diǎn)，就是解決了自動(dòng)計(jì)算和多途徑校準(zhǔn)功能。

圖3 軟件功能框圖

計(jì)算功能根據(jù)客戶設(shè)定的初始體積和目標(biāo)濁度，自動(dòng)計(jì)算需要增加的液體量，較人工計(jì)算更準(zhǔn)確更高效。

多途徑校準(zhǔn)功能使得客戶不用經(jīng)常使用標(biāo)準(zhǔn)菌株進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)，可以直接回復(fù)初始校準(zhǔn)值，采用單點(diǎn)校正的方式保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

5 總結(jié)

隨著智能麥?zhǔn)媳葷嵊?jì)的實(shí)際應(yīng)用，其本身所具備的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)逐漸被深入的開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且進(jìn)行廣泛的運(yùn)用，使得實(shí)驗(yàn)室工作更加準(zhǔn)確、便利。