醫(yī)用冷凍離心機(jī)研究案例一則

醫(yī)用冷凍離心機(jī)研究案例一則
   離心機(jī)是將樣品進(jìn)行分離的儀器，廣泛應(yīng)用干生物醫(yī)學(xué)、石油化工、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域，它利用不同物質(zhì)在離心力場(chǎng)中沉淀速度的差異，實(shí)現(xiàn)樣品的分析分離。白1836年第一臺(tái)工業(yè)用三足式離心機(jī)在德國(guó)問世以來．離心機(jī)已得到很大發(fā)展l1-31。離心機(jī)種類繁多，各有特色，正在向提高技術(shù)參數(shù)、系列化、自動(dòng)化方向發(fā)展，專用品種越來越多 】。本項(xiàng)目所研制的醫(yī)用低溫冷凍離心機(jī)．主要用于在低溫或室溫環(huán)境中將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離。雖然生產(chǎn)廠家較多，但因?yàn)榈蜏乩鋬鲭x心機(jī)在各級(jí)醫(yī)院為常用儀器，市場(chǎng)需求量很大，因此具有很好的應(yīng)用前景。

     在本文介紹了一種采用計(jì)算機(jī)控制的立式醫(yī)用低溫冷凍離心機(jī)系統(tǒng)的研制。它集顯示、交流變頻調(diào)節(jié)、自動(dòng)化和自我保護(hù)等功能于一體。在儀器運(yùn)行過程中，通過控制變頻器和壓縮機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)分離效果好，振動(dòng)小、噪聲低，適用于在低溫或室溫環(huán)境中將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用MCS一51單片機(jī)系列的89C52， 外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器27C256和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62C64組成控制核心，對(duì)樣機(jī)的顯示、鍵盤輸人、數(shù)模轉(zhuǎn)換、壓縮機(jī)的工作狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)等功能實(shí)現(xiàn)控制。低溫離心機(jī)箱內(nèi)的溫度傳感器將溶液的溫度經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以電信號(hào)的方式傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)需要來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制箱內(nèi)溫度的目的。如果離心機(jī)箱內(nèi)溶液溫度較之指標(biāo)溫度較高，則壓縮機(jī)啟動(dòng)，產(chǎn)生制冷效果，降低箱內(nèi)溫度．直到達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度。通過測(cè)速系統(tǒng)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速．并與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以輸出模擬電壓來控制變頻器。從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
 

 

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)控制模塊、電動(dòng)機(jī)控制模塊、壓縮機(jī)控制模塊、溫度測(cè)量模塊、測(cè)速模塊、鍵盤和顯示控制模塊、定時(shí)模塊以及儀器的自我保護(hù)電路等。

3．1 計(jì)算機(jī)控制部分該系統(tǒng)控制器采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CM0S 8位單片機(jī)AT89C52，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的FIash只讀程序存儲(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)．因此可以不用外擴(kuò)存儲(chǔ)器。與標(biāo)準(zhǔn)MCS一51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)適合于較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合

3-2 電動(dòng)機(jī)控制模塊電動(dòng)機(jī)為三相鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速控制采用交流變頻技術(shù)，電路原理圖如圖2所示。DAC0832的輸入端接收到來自單片機(jī)AT89C52發(fā)來的數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)。由于DAC0832的轉(zhuǎn)換輸出模擬量為電流信號(hào)，所以，在輸出端外接轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的電壓輸出給變頻器，通過改變變頻器的頻率來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到預(yù)定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

 

3．3 壓縮機(jī)控制模塊

壓縮機(jī)控制電流大，不適宜用繼電器來控制，因此，采用可控硅來控制壓縮機(jī)工作。可控硅是一種具有3個(gè)PN結(jié)的4 層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成。它的功用不僅是整流，還可以用作無觸點(diǎn)開關(guān)以快速接通或切斷電路。其控制電路通過溫度傳感器測(cè)得離心機(jī)箱內(nèi)溶液溫度，如果較之設(shè)定指標(biāo)溫度高，則壓縮機(jī)啟動(dòng)，產(chǎn)生制冷效果，來降低箱內(nèi)溫度，直至達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度。

3．4 溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)量模塊用于測(cè)量離心機(jī)箱內(nèi)溶液的溫度，其電路溫度傳感器采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的AD590，是單片集成的兩端感溫電流源。AD590輸出與測(cè)量溫度對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。

3．5 測(cè)速模塊速度傳感器采用3144．應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，其輸人為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)脈沖信號(hào)，它具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、精確度高、可靠性高的特點(diǎn)。測(cè)速模塊的電路如圖 5所示。電動(dòng)機(jī)軸上加一個(gè)圓盤，上面平均分布了6個(gè)小磁鋼，每個(gè)磁鋼經(jīng)過3144時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，脈沖通過施密特觸發(fā)器74LS221整形后．送到單片機(jī)計(jì)數(shù)，通過脈沖數(shù)的多少就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。

3．6 鍵盤和顯示模塊系統(tǒng)采用軟面板鍵盤輸入，共設(shè)置9個(gè)按鍵：“切換”鍵用于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和分離因素之間的切換顯示：“開門” 鍵用于在停機(jī)狀態(tài)下控制門的開合：“LEFr”、“RIGHT” 鍵用于在參數(shù)輸入狀態(tài)時(shí)左右移動(dòng)光標(biāo)：“設(shè)置”鍵用于將樣機(jī)置于設(shè)置狀態(tài)，此時(shí)除光標(biāo)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示4位中的第1位，其他數(shù)碼管均不顯示：“UP”鍵用于各參數(shù)值的設(shè)定輸入(0～9的遞增輸入)；“確定”鍵，當(dāng)正確輸入完各參數(shù)后應(yīng)按此鍵，進(jìn)行確認(rèn)； “啟動(dòng)”鍵，當(dāng)按下此鍵后，儀器將開始運(yùn)行；“停機(jī)”鍵可在任何狀態(tài)下讓系統(tǒng)停止工作。顯示采用LED八段數(shù)碼管，其中溫度3位(XXX一10～50 ℃)，時(shí)間定時(shí)2位(XX 00—99 min)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定(O～8 000 r／min，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指示燈亮；按切換鍵可顯示分離因數(shù)，此時(shí)分離因素指示燈亮。)另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還有一位數(shù)碼管的ABCDEF的各段被順序點(diǎn)亮，循環(huán)不停。

3_7 儀器的自我保護(hù)功能儀器具有上電自檢功能，失衡報(bào)警功能(指示燈亮)，蜂嗚器提示功能．壓縮機(jī)工作狀態(tài)指示功能(壓縮機(jī)工作時(shí)指示燈亮)。另外，當(dāng)儀器不處在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，“開門”鍵不起作用，即蓋門不能打開；當(dāng)門沒有蓋好時(shí)，“啟動(dòng)”鍵不起作用，以保護(hù)儀器和使用者的安全。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果樣機(jī)在不帶轉(zhuǎn)子與帶轉(zhuǎn)子2種情況下，轉(zhuǎn)速設(shè)定值逐漸提高直到4 000 r／min，測(cè)試儀器的平衡性及轉(zhuǎn)速控制部分的功能：分別在電動(dòng)機(jī)低速(500 r／min以下)和高速(3 000 r／min 以上)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)試制冷效果；調(diào)整儀器到各種極限狀態(tài)以測(cè)試各種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)情況。測(cè)試結(jié)果表明，各種邏輯控制功能和保護(hù)功能均已實(shí)現(xiàn)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與設(shè)定值誤差在要求范圍以內(nèi)，升速減速過程平穩(wěn)，到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定．儀器平衡性較好，制冷效果較好。

5 結(jié)論本儀器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了自動(dòng)控制、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。它具有自適應(yīng)反饋控制功能，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度采用閉環(huán)控制。在儀器運(yùn)行過程中，通過控制變頻器和壓縮機(jī)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。儀器具有上電自檢、失衡報(bào)警、蜂鳴器提示、壓縮機(jī)工作狀態(tài)指示和自動(dòng)開關(guān)門等功能。通過驗(yàn)證，儀器各項(xiàng)功能均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)分離效果好，振動(dòng)小、噪聲低，適用于在低溫或室溫環(huán)境中將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離。