醫(yī)用冷凍離心機研究案例一則

  離心機是將樣品進行分離的儀器，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)在離心力場中沉淀速度的差異，實現(xiàn)樣品的分析分離。白1836年*臺工業(yè)用三足式離心機在德國問世以來．離心機已得到很大發(fā)展l1-31。離心機種類繁多，各有特色，正在向提高技術(shù)參數(shù)、系列化、自動化方向發(fā)展，品種越來越多 】。本項目所研制的醫(yī)用低溫冷凍離心機．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，但因為低溫冷凍離心機在各級醫(yī)院為常用儀器，市場需求量很大，因此具有很好的應(yīng)用前景。

     在本文介紹了一種采用計算機控制的立式醫(yī)用低溫冷凍離心機系統(tǒng)的研制。它集顯示、交流變頻調(diào)節(jié)、自動化和自我保護等功能于一體。在儀器運行過程中，通過控制變頻器和壓縮機，對電動機的轉(zhuǎn)速和溫度進行自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)分離效果好，振動小、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單片機系列的89C52， 外擴程序存儲器27C256和數(shù)據(jù)存儲器62C64組成控制核心，對樣機的顯示、鍵盤輸人、數(shù)模轉(zhuǎn)換、壓縮機的工作狀態(tài)、電動機的工作狀態(tài)等功能實現(xiàn)控制。低溫離心機箱內(nèi)的溫度傳感器將溶液的溫度經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以電信號的方式傳送給單片機，由單片機根據(jù)需要來控制電動機轉(zhuǎn)速以達到控制箱內(nèi)溫度的目的。如果離心機箱內(nèi)溶液溫度較之指標溫度較高，則壓縮機啟動，產(chǎn)生制冷效果，降低箱內(nèi)溫度．直到達到設(shè)定的標準溫度。通過測速系統(tǒng)測出電動機的轉(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。從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。
 

3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括計算機控制模塊、電動機控制模塊、壓縮機控制模塊、溫度測量模塊、測速模塊、鍵盤和顯示控制模塊、定時模塊以及儀器的自我保護電路等。

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

3-2 電動機控制模塊電動機為三相鼠籠式交流電動機，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AT89C52發(fā)來的數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號。由于DAC0832的轉(zhuǎn)換輸出模擬量為電流信號，所以，在輸出端外接轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(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機的轉(zhuǎn)速，直至達到預(yù)定的電動機轉(zhuǎn)速。

3．3 壓縮機控制模塊

壓縮機控制電流大，不適宜用繼電器來控制，因此，采用可控硅來控制壓縮機工作?？煽毓枋且环N具有3個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得離心機箱內(nèi)溶液溫度，如果較之設(shè)定指標溫度高，則壓縮機啟動，產(chǎn)生制冷效果，來降低箱內(nèi)溫度，直至達到設(shè)定標準溫度。

3．4 溫度測量模塊

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

3．5 測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)強度，輸出是一個脈沖信號，它具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、度高、可靠性高的特點。測速模塊的電路如圖 5所示。電動機軸上加一個圓盤，上面平均分布了6個小磁鋼，每個磁鋼經(jīng)過3144時都會產(chǎn)生一個脈沖，脈沖通過施密特觸發(fā)器74LS221整形后．送到單片機計數(shù)，通過脈沖數(shù)的多少就可以計算出電動機轉(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個按鍵：“切換”鍵用于電動機轉(zhuǎn)速和分離因素之間的切換顯示：“開門” 鍵用于在停機狀態(tài)下控制門的開合：“LEFr”、“RIGHT” 鍵用于在參數(shù)輸入狀態(tài)時左右移動光標：“設(shè)置”鍵用于將樣機置于設(shè)置狀態(tài)，此時除光標在電動機轉(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，進行確認； “啟動”鍵，當(dāng)按下此鍵后，儀器將開始運行；“停機”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 ℃)，時間定時2位(XX 00—99 min)，電動機轉(zhuǎn)速設(shè)定(O～8 000 r／min，此時電動機轉(zhuǎn)速指示燈亮；按切換鍵可顯示分離因數(shù)，此時分離因素指示燈亮。)另外，當(dāng)電動機在轉(zhuǎn)動時，還有一位數(shù)碼管的ABCDEF的各段被順序點亮，循環(huán)不停。

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

4 實驗結(jié)果樣機在不帶轉(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，測試儀器的平衡性及轉(zhuǎn)速控制部分的功能：分別在電動機低速(500 r／min以下)和高速(3 000 r／min 以上)運轉(zhuǎn)時測試制冷效果；調(diào)整儀器到各種極限狀態(tài)以測試各種保護功能的實現(xiàn)情況。測試結(jié)果表明，各種邏輯控制功能和保護功能均已實現(xiàn)，實測轉(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)，到達設(shè)定轉(zhuǎn)速后電動機運轉(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)計采用了自動控制、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。它具有自適應(yīng)反饋控制功能，對電動機轉(zhuǎn)速、溫度采用閉環(huán)控制。在儀器運行過程中，通過控制變頻器和壓縮機，來實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速和溫度進行自動調(diào)節(jié)。儀器具有上電自檢、失衡報警、蜂鳴器提示、壓縮機工作狀態(tài)指示和自動開關(guān)門等功能。通過驗證，儀器各項功能均已達到設(shè)計要求，系統(tǒng)分離效果好，振動小、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。