本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)中的血液檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種基于微流控芯片和stm32嵌入式開發(fā)的血型檢測裝置。

背景技術(shù)：

血液檢測是醫(yī)學(xué)中常見的檢測內(nèi)容，如檢測血型、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、血糖、血紅蛋白濃度等。而血液檢測儀器的小型化、微型化是未來的趨勢，市面上已經(jīng)有小型的血糖檢測儀，但并沒有小型的血型檢測設(shè)備。因?yàn)槟壳把蜋z測多采用傳統(tǒng)的微柱凝膠法血型卡，另外血液離心機(jī)的控制器體積較大，造成整機(jī)便攜性差、檢測效率低等問題。

微流控芯片是一個新興的科技產(chǎn)業(yè)，以其微型化、高通量的優(yōu)勢，在疾病診斷、藥物篩選、材料合成、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等多個領(lǐng)域擁有廣闊前景。目前已有人將微流控芯片用于血液檢測，但由于多采用電滲驅(qū)動、電磁閥，故成本較高，難以普及，不符合血液檢測設(shè)備的民用化商業(yè)趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

對于上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套帶定位機(jī)械和離心機(jī)械、集控制與檢測于一身的血型檢測裝置。本裝置采用體積小巧的微流控芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的血型檢測卡，使整機(jī)的體積減小、便攜性和離心效率提高，而且由于微流控芯片的使用，芯片的放置方式以臥式代替立式，更有利于離心；以stm32控制器為核心，并加入步進(jìn)電機(jī)和直流無刷電機(jī)，使其按設(shè)定運(yùn)行，完成定位和離心操作。該系統(tǒng)結(jié)合嵌入式、微流控技術(shù)、運(yùn)動控制、光學(xué)檢測等技術(shù)，使其擁有定位準(zhǔn)確、速度快、效率高、智能化、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置，該裝置的組成包括底座、離心裝置、定位裝置；

所述的底座的正前端設(shè)有開關(guān)和觸摸屏；底座的左、右、后三個面的外沿，各固定有一塊豎直的金屬板，連同前外沿上的t形支架，組成外殼；上部為上隔板，上隔板放置有膠墊；

所述的離心裝置包括離心轉(zhuǎn)盤和直流無刷電機(jī)；直流無刷電機(jī)安裝在底座中部，與轉(zhuǎn)盤連接軸相連，轉(zhuǎn)盤連接軸向上依次穿過上隔板和膠墊，與離心轉(zhuǎn)盤相連，離心轉(zhuǎn)盤上設(shè)置有內(nèi)外兩圈共24個卡槽用于放置微流控芯片；

所述的定位裝置中，第一滾珠絲杠位于離心轉(zhuǎn)盤上方，兩端水平固定在外殼的左、右殼壁上，其右端與殼壁外的第一步進(jìn)電機(jī)相連；第一滾珠絲杠上安裝有第一工作臺，第一工作臺下方安裝有攝像頭；第一光電編碼器安裝在左殼壁外，與滾珠絲杠的左端連接；

第二滾珠絲杠兩端固定在外殼的后壁和前端的t形支架上，與第一滾珠絲杠垂直交叉，并位于其上方；第二步進(jìn)電機(jī)安裝在后殼壁外，與第二滾珠絲杠的一端相連；第二光電編碼器與第二滾珠絲杠的另一端相連，安裝在t形支架上；第二滾珠絲杠上裝有第二工作臺，工作臺下裝載激光二極管；

所述的裝置還包括安裝在底座內(nèi)的stm32控制器、第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器、第一電源、第二電源、第三電源、第四電源；

其中，所述的第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第一步進(jìn)電機(jī)相連；第四電源分別與第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第一光電編碼器相連；第一驅(qū)動器、第一光電編碼器和激光二極管分別與stm32控制器相連；

所述的第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第二步進(jìn)電機(jī)相連；第二電源分別與第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第二光電編碼器相連；攝像頭、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第二光電編碼器、圖像采集電路分別與stm32控制器相連；

所述的直流無刷電機(jī)驅(qū)動器通過rs485接口與stm32控制器相連，直流無刷電機(jī)、第三電源分別與直流無刷電機(jī)驅(qū)動器相連；

所述第一電源與觸摸屏相連，觸摸屏還通過rs232接口與stm32控制器相連。

本發(fā)明的有益效果為：

1.本裝置通過stm32控制器，通過霍爾傳感器和光電編碼器采集速度信息形成反饋，智能控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)多段調(diào)速、快速響應(yīng)、多種停車方式，適應(yīng)多種血液離心的方案。且能到達(dá)與傳統(tǒng)微柱凝膠血型卡相同的精度。

2.本裝置由于微流控芯片中液體容量小，且采用輕薄的pmma材質(zhì)轉(zhuǎn)盤，故本裝置對離心力要求低，有利于降低功耗和獲得更好的離心效果。

3.本裝置采取閉環(huán)調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。由于采用單片機(jī)做控制器，選擇步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定位操作，使成本降低。

4.本裝置在離心功能之外，還可在預(yù)定轉(zhuǎn)速到達(dá)時觸發(fā)激光二極管并進(jìn)行圖像采集工作，經(jīng)由觸摸屏實(shí)時顯示速度曲線，功能豐富，做到真正意義的智能控制。

5.本裝置由于選擇體積小巧的微流控芯片取代大體積的傳統(tǒng)血型卡，以及小體積的單片機(jī)做控制器，使得機(jī)械裝置的整體結(jié)構(gòu)縮小，故有效解決傳統(tǒng)血型檢測儀器檢測效率低、體積龐大便攜性差等弊病，具有很高的推廣價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件機(jī)械連接結(jié)構(gòu)三維外觀圖；

圖2為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖4為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的電氣連接示意框圖；

圖5為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路圖；

圖6為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的圖像采集電路圖；

圖7為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的芯片通道結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的血型檢測裝置的主要部件包括底座1、離心轉(zhuǎn)盤2、觸摸屏3、激光二極管4、攝像頭5、外殼。所述基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。所述基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2所示，圖2可直觀說明正面視角中各部件的構(gòu)造與位置，為使圖像簡潔明圖2未畫出圖1中底座正面正上方支持滾珠絲杠11和激光二極管4的t形支架。所述基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示，圖3可進(jìn)一步詳細(xì)補(bǔ)充說明各部件的構(gòu)造和位置。以下將整個裝置分為三個部分，即底座、離心裝置、定位裝置。

所述底座1為箱式結(jié)構(gòu)，安裝的器件包括開關(guān)、觸摸屏3、stm32控制器6、直流無刷電機(jī)7、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器8、第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器9、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器20以及電源等部件，以上部件都封裝于所述底座1中。底座的正前端設(shè)有開關(guān)和觸摸屏3。觸摸屏的速度控制界面，上方設(shè)定4段速度，每一段分為加(減)速和勻速兩個過程，中間顯示及時速度曲線，下方為驅(qū)動器發(fā)出的脈沖，調(diào)節(jié)占空比以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

所述離心裝置主要包括離心轉(zhuǎn)盤2和直流無刷電機(jī)7。底座1之上設(shè)有離心轉(zhuǎn)盤2，在離心轉(zhuǎn)盤2上開有內(nèi)外兩圈共24個卡槽12以放置微流控芯片(每圈12個卡槽)；底座1中的直流無刷電機(jī)7通過轉(zhuǎn)盤連接軸13與離心轉(zhuǎn)盤2連接，兩者之間為底座的上隔板。在直流無刷電機(jī)7與上隔板的接觸面上下墊有軟膠墊14；底座1的左、右、后三個面的外沿，各固定有一塊豎直的金屬板，連同前外沿上的t形支架，組成外殼；

第一滾珠絲杠15位于離心轉(zhuǎn)盤上方，兩端水平固定在左右外殼的殼壁上，其右端與殼壁外的第一步進(jìn)電機(jī)17相連，第一步進(jìn)電機(jī)17帶動滾珠絲杠15運(yùn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動；第一滾珠絲杠15上安裝有第一工作臺19，第一工作臺19下方安裝有攝像頭5；光電編碼器18安裝在左側(cè)殼外，與滾珠絲杠15連接，可檢測步進(jìn)電機(jī)17的轉(zhuǎn)速；

第二滾珠絲杠11兩端固定在外殼的后壁和前端的t形支架上，與第一滾珠絲杠15垂直交叉，并位于其上方10cm處；第二滾珠絲杠11上裝有第二工作臺16，工作臺16下裝載激光二極管4；第二滾珠絲杠11可將第二步進(jìn)電機(jī)21的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為工作臺16的直線運(yùn)動。光電編碼器22檢測步進(jìn)電機(jī)21的轉(zhuǎn)速，安裝在前端的支架上。第二步進(jìn)電機(jī)21安裝在后側(cè)殼外。

由于微流控芯片的使用，芯片的放置方式以臥式代替?zhèn)鹘y(tǒng)血型卡的立式，這樣一方面是因?yàn)楹罄m(xù)的激光照射和拍照需要臥式放置，另一方面臥式放置芯片更有利于離心，所需離心力更小，同等的離心力條件下離心的時間更短，離心效果更好。

軟膠墊14，以防止在離心過程中某一速度區(qū)間由于振動頻率達(dá)到裝置固有頻率而產(chǎn)生的共振抖動問題。

所述的工作臺固定在絲杠螺母上，在絲杠轉(zhuǎn)動過程中，絲杠螺母隨螺紋移動，使工作臺直線運(yùn)動?？刂坪貌竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動行程，即可控制好工作臺的直線運(yùn)動距離，使其上的激光二極管和攝像頭到達(dá)指定的位置。第一工作臺將攝像頭移動到指定位置，可以實(shí)現(xiàn)對微流控芯片的圖像采集功能；第二工作臺將激光二極管移動到指定位置，可以起到對微流控芯片的激光照射作用。

所述離心轉(zhuǎn)盤2采用pmma材質(zhì)制作，使得轉(zhuǎn)盤質(zhì)量更輕，所需轉(zhuǎn)矩減小，功耗降低，離心效果更佳。

如圖4所示實(shí)施例表明，本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的電氣連接示意框圖。

本發(fā)明所述的基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的涉電器件包括stm32控制器、觸摸屏、離心模塊、激光二極管模塊和圖像采集模塊；其中，觸摸屏、離心模塊、激光模塊、圖像采集模塊分別與stm32控制器相連。

所述的激光二極管模塊的組成包括第四電源25、第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第一步進(jìn)電機(jī)、第一光電編碼器和激光二極管。其中，第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第一步進(jìn)電機(jī)相連；第四電源25分別與第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第一光電編碼器相連，供電；第一驅(qū)動器、第一光電編碼器和激光二極管分別與stm32控制器相連。

所述的圖像采集模塊的組成包括第二電源23、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第二步進(jìn)電機(jī)、第二光電編碼器、攝像頭；其中，第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第二步進(jìn)電機(jī)相連；第二電源23分別與第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和第二光電編碼器相連，供電；攝像頭、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、第二光電編碼器、圖像采集電路分別與stm32控制器相連。

所述離心模塊包括第三電源24、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器、直流無刷電機(jī)。其中，直流無刷電機(jī)驅(qū)動器通過rs485接口與stm32控制器相連，直流無刷電機(jī)與直流無刷電機(jī)驅(qū)動器相連，第三電源24為直流無刷電機(jī)驅(qū)動器供電。所述觸摸屏通過rs232接口與stm32控制器相連，第一電源10與觸摸屏相連。

所述的第一電源10、第二電源23、第四電源25為明緯nes-35-12交流/直流單組輸出開關(guān)電源，第三電源24為明緯lrs-150-24交流/直流單組輸出封閉型電源供應(yīng)器。第一和第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為時代超群zd-6560。直流無刷電機(jī)驅(qū)動器為愛控科技aqmd3608bls，該驅(qū)動器中自帶一個霍爾傳感器以便于檢測轉(zhuǎn)速信息。直流無刷電機(jī)為時代超群57bl75s10。上述器件都安置在底座中。

所述的第一和第二光電編碼器為hedss公司的isc2805-001e360b5c，激光二極管為nec公司的ndl5055；第一和第二步進(jìn)電機(jī)為28bygh2501。所述的攝像頭為ov7670，所述的離心裝置為離心轉(zhuǎn)盤。上述器件安置在底座外。

圖5為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路圖。為了提高步進(jìn)電機(jī)速度的控制精度，本裝置采用閉環(huán)控制。即使用光電編碼器作為傳感器檢測步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并將檢測到的轉(zhuǎn)速信號傳入stm32控制器，形成反饋。光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活性、非接觸性和快速性等優(yōu)點(diǎn)，本裝置的光電編碼器采用hedss公司的isc2805-001e360b5c。第一和第二步進(jìn)電機(jī)都采用28bygh2501。第一和第二步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與光電編碼器的轉(zhuǎn)軸連接，光電編碼器輸出a、b兩相相位差90°的5v電平信號。由于高于stm32的工作電平3.3v，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換處理。如圖5所示，使用74lvc4245芯片可實(shí)現(xiàn)5v與3.3v之間的電平轉(zhuǎn)換，之后通過一個濾波電路濾除雜波使之整定為標(biāo)準(zhǔn)信號輸入到stm32控制器的pb1、pb2之中。

圖6為本發(fā)明基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的圖像采集電路圖。采用ov7670作為圖像傳感器，其像素時鐘高達(dá)24mhz，i/o口抓取時鐘困難，cpu占用大，al222b是一個fifo芯片，其作用是暫存圖像數(shù)據(jù)，從而解決i/o口抓取速度慢和cpu占用的問題。如圖6所示，有源晶振為ov7670提供12mhz的時鐘信號，sn74lvc1g00產(chǎn)生2.8v的安全工作電壓。ov7670通過光電轉(zhuǎn)化將圖像信息通過d0—d7傳出，經(jīng)過al422b后傳至stm32控制器中存儲和處理。

圖7為芯片結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)采用的微流控芯片尺寸為3.4cm×3.4cm，而傳統(tǒng)的血型卡尺寸為6.4cm×6.4cm，前者面積僅為后者的28.2％。在芯片中設(shè)置6條通道，自左向右依次為-a、-b、-d、對照組、ac、bc，前四個通道在腔室a輸入待測者紅細(xì)胞懸浮液，進(jìn)行正定型檢測，后兩個通道在腔室b輸入待測者血清，進(jìn)行反定型檢測。在6個腔室c中分別注入對應(yīng)的反應(yīng)試劑，與血液在腔室d中混合發(fā)生反應(yīng)。腔室e中注入生物凝膠，在同道中形成一段過濾通道，鐵磁石蠟閥門經(jīng)過激光照射后融化開啟，之后血液、試劑與反應(yīng)物經(jīng)過過濾通道，最后到達(dá)廢液池。

本發(fā)明提供的基于微流控芯片和stm32的血型檢測裝置的使用方法，包括以下步驟：

1)定位。將注入反應(yīng)試劑、生物凝膠、待測血液的微流控芯片中置于離心轉(zhuǎn)盤2上。在所述觸摸屏3中輸入定位信息后，第一步進(jìn)電機(jī)17和第二步進(jìn)電機(jī)21開始轉(zhuǎn)動。

微流控芯片中注入的血液與試劑可能發(fā)生特異性免疫結(jié)合。觸摸屏輸入信息后，觸摸屏3通過rs232串口與stm32控制器相連，stm32控制器6給驅(qū)動器9和啟動器20發(fā)出不同頻率的脈沖波分別驅(qū)動第一步進(jìn)電機(jī)17和第二步進(jìn)電機(jī)21轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠11和滾珠絲杠15牽引激光二極管4和攝像機(jī)5到達(dá)準(zhǔn)確位置。

2)離心。在觸摸屏3中輸入轉(zhuǎn)速及持續(xù)時間等信息并按下啟動按鈕，離心轉(zhuǎn)盤2開始運(yùn)動。到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)速后，stm32控制器6發(fā)出指令啟動所述激光二極管4發(fā)出激光。

stm32控制器6受到觸摸屏3發(fā)來的信息后，向直流無刷電機(jī)7發(fā)出不同占空比的脈沖波，帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上微流控芯片中的血液、試劑及反應(yīng)物在離心力的作用下開始流動。微流控芯片的閥門為鐵磁石蠟閥門。該閥門是石蠟與鐵磁顆粒的混合物，受激光照射后可在短時間內(nèi)產(chǎn)生高熱量并融化，使閥門打開，速度優(yōu)于傳統(tǒng)石蠟閥。

3)圖像采集。在整個過程的關(guān)鍵時間點(diǎn)和試驗(yàn)后，啟動所述攝像頭5采集圖像進(jìn)行分析。

特異性反應(yīng)產(chǎn)生的凝血塊在離心過程中無法穿越凝膠層，被阻隔在前端，而不發(fā)生凝血的通道中血液將完全穿過凝膠層到達(dá)末端，于是通過圖像分析可鑒定血型。

本發(fā)明所涉及的協(xié)議或軟件為公知技術(shù)。

本發(fā)明中所述控制器為搭載stm32f103zet6芯片的單片機(jī)(紅牛開發(fā)板，旺寶電子公司)，其核心為stm32，處理速度快，板載資源充足，接口豐富，設(shè)計(jì)靈活。

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。