《便携式免疫层析检测装置设计报告》

1、便携式免疫层析技术是一种结合免疫技术和色谱层析技术的检测方法，该技 术在二十世纪末期逐渐开展起来。目前最为广泛使用的快速检测试纸技术就是选 择把胶体金作为标记物，该种方法已经在多个领域被广泛使用。随着纳米技术的 不断开展，各种检测标记物相继被发现并且使用到实际的实验过程中，使得免疫 层析技术也到了更快的开展，以前的免疫层析技术只能够定性的检查还不够全 面，都现在开展为定量检测，不仅检查的准确度得到了重大的提高，而且结果的 错误率也到了明显的降低。最新的根据ESE便携式免疫层析技术设计的读数仪已 经在德国被研制，并且应用在医学中的床边检验和实验室检验；在国内也有很大 的开展，比方赵友全等人在研究

2、基于叶绿素荧光的光谱特征时，采用叶绿素荧光 检测仪器，以单片机为控制内核，完成对叶绿素荧光光谱的特征值采集。任冰强 等人也研制了 一种名为时间分辨便携式免疫分析仪的检测仪，其原理是根据免疫 层析技术。这项技术便被广泛的用于开发临床、兽医、农业、食品工业、生物防 御和环境应用等方面，并且也在不断增长分类。这些实践应用也侧向流纸条的继 续开展奠定了基础。如今，对于微型控制系统，最常用的便是嵌入式系统，因为 它有着模块化易于改良，集成控制易于操作。被应用在机器视觉、室内监控、无 人机远程操作等系统，在这些系统中使用了大量的市面上可以买到的摄像头，并 将这些摄像头设计到嵌入式系统中，完成特定的要求，比

3、方将摄像头嵌入到需要 的控制系统中，对采集的图像进行特定的处理，对图像进行定时采集等等。所以 本文将摄像头引入嵌入式系统，去采集便携式免疫层析纸条上的信息，并在液晶 显示屏LCD上直观的显示出来。而且本设计采用的芯片就是STM32芯片，其有着 占用空间小，显示数据一目了然，轻便的外形等特点，成为嵌入式系统的首选。 而STM32芯片在便携式仪器中实现图像或文字的显示，实时、便捷的数字图像处 理技术方面更胜一筹，其能够将光源激发，图像采集处理，以及液晶显示融为一 体，使得让一片STM32去控制整个系统，物理占用更小、能源消耗更低、小巧和 低功耗的同时，便能够完成手持式模块的基本要求，更携带，故本文

4、提出采用 STM32作为主控制芯片。在处理时间消耗方面，如需要功耗只有mW甚至nW级。 所以在可以充分利用好嵌入式技术的基础上，协助便携式免疫层析技术的开展这 将对于其功能的扩展有着极其大的积极意义。希望可以在此次毕业设计中学到二 者的相关知识和技术，加深自己本科所学的相关知识，做到学以致用，把理论应用到实际的实验过程中。第三章 检测仪的各模块设计本文根据设想的功能将设计局部分为三个局部：LED照明模块设计、硬件外 壳设计、LCD模块设计。其中的软件模块开发中，本文选用了 Kei I unision 5 作为STM32控制器的集成开发环境。Kei I unision 5包括工程管理、源代码编

5、辑、源代码调试、元件模拟和Flash编程等功能，采用了 ULINK USB-JTAG接口 适配器，从而能在目标板上烧录和测试嵌入式应用。硬件局部的设计采用了包括 so I idwork, Cadence 等软件实现。3. 1LED照明模块设计该模块所要完成的功能是：LED照射的光通过STM32控制照射在试条上的检 测带和质控带上，二者被完全激发，荧光物质发光。发现可以使用紫外光为发光 光源，发射线穿透力很强，而且led小型易携带和装置，所以选择波长为365nm 的LED紫外光发光源，将它连在调压模块上，通过调压模块可以调节亮度，其正 向电压3.3V,发光功率为0.2W,发射角度为120。o所选

6、LED灯功率较小，适 合手持式小型模块设计，发射角度大能充分激发检测带和质控带的荧光物质。并 且该模块选用双灯照射设计，防止荧光免疫侧向流纸条不完全激发。并且整个光 源激发模块由STM32F407主控制器控制，方便又便捷。3. 2硬件外壳设计本文采用so I i dwork作为检测仪三维物理模型的开发软件，so I i dworks是 一款3D CAD三维设计制图软件，能够帮助使用者更加轻松的创立，仿真，以及 发布和管理数据，同时使用了精雕加工软件，在机器上进行加工，所用的原料为 聚甲基丙烯酸甲酯，易于切割，容易组装，材料获取也较为容易。并且设计了荧 光免疫侧向流纸条卡槽位，液晶屏粘贴位，数据

7、线卡槽以及内部中心处理器 STM32F407粘贴位，紫外光激发器安装位，照相机卡条等模块设计。软件设计后 将在实验室进行材料的切割和组合。有了硬件外壳的保护里面的整个硬件电路和 LED灯就会得到稳定，这样当我们使用元器件时就可以防止因为振荡旋转使得里 面的硬件电路断裂或者接触不良，这样也就有效防止了元器件在使用过程中发生 短路或者测试不灵敏等错误的发生概率。同时拥有一个美观的外壳设计可以使产 品变得更加符合一个产品的基本特征，更能优化产品的使用。3. 3硬件电路模块设计为了适应手持式设备，本文采用50mm*50mm的PCB电路板进行硬件电路设计, 其板厚为3mm,并选用Cadence为操作软件

8、。将电源模块附带开关、STM32F407 主控制芯片附带芯片数据口、液晶显示屏输出端口、摄像头输入端口、紫外光驱 动接口、升压电路、电流保护电路以及一些电子元件。本文采用的电源模块为两 节干电池串联，从而得到的3V输出电压，配合升压电路，便能够产生本检测仪 所需要的工作电压，并且设计了 一个利用滑动变阻器来改变系统电流的电流保护 电路。并且为了克服STM32F407内存过小的问题，还设计了外部存储CD卡等辅 助模块，如图3. 1为电路板设计图。LCD屏输出紫 夕卜 光3区 动数据CPU摄像头输入I 开关升压电路电流 保护 电路如图3. 1为电路板设计图4LCD模块设计LCD液晶屏用来显示一个人

9、际互动界面。它应用于便携式数字产品和医疗器 械中，其界面是由多个像素组成的触摸矩阵，其主要是接受上位机发来信息然后 经过程序的处理来显示相关的基本信息。而且这些信息我们可以把它进行存储到 数据库，根据显示成像的基本原理我们可以做到我们需要的功能。液晶屏成像的 原理是让液晶屏上的液晶点按照一定的规矩进行亮灭，先从的产品说明书中 得到液晶点的二进制代码，将一定数量的液晶点，按顺序点亮就形成了字符或者 图片。函数首先应该将光标点位在用户指定的位置，然后调用之前设置好的字符 或者图片的二进制代码，并将二进制代码按特定顺序组合，便形成字符或图片， 将这一过程进行封装，方便之后调用，按次序判断每个液晶点的

10、亮灭，通常情况 下，赋值为“1”时，代表液晶点亮起；反之，赋值为“0”时，那么液晶点不反响。 这样通过快速的亮灭反响，就能形成需要的数字或者图片。通过LCD的电子电视 屏我们可以看到自己设计的便携式免疫层析检装置实时测试到数据，并且可以拓 展功能，记录每次使用元器件检测时的数据存入相关的数据库，方便我们可以随 时调取不同的数据做分析，也可以增加一点小功能在LCD上实时的显示当天的日 期和时间，供使用者当做一个小型手表或者计时器使用。3.5 USB接口模块设计USB接口主要是为了连接检测仪和上位机提供通信通道，一般在STM32芯片 中已经设计好了 USB控制器的集成模块，其功能可以直接通过调用相

11、关的功能函 数实现功能模块的使用，所以他需要设计的电路并不难，标准USB接口由VCC 接电源，GND接地，D-数据线与单片机的PA11接口相连，D+数据线与单片机的 PA12接口相连这四条连接线组成。当D数据线和D+数据线都连接到一个1.5KQ 的电阻时，并且没有USB设备连接时说明其处于低电平点位。而当USB设备与主 机连接时，主机的电阻是否已连接，是评估高速设备还是低速设备的一个重要依 据。带USB驱动器EM的STMF103单片机只能用作USB从设备，而STM32用于设 置高速，因此1.5KQ上拉电阻连接到D+,电路如图3-5所示。3.6外部扩展存储器设计上文也提到过，关于本设计内存缺乏的

12、问题，经过大数据的比照和分析，推 断出，可能即使将使用内存设定在最小的数值，以STM32F407主控制器的内存依 然无法将这些数据存储，故为了克服这种困难，本文设计个一个简单的外部扩展 存储器，来帮助STM32F407控制器存储由图像采集而来的数据。经过数据分析， 和实验比照，本文采用了 SD卡作为外部扩展存储器载体。主要的原因使因为SD 卡具有体积小，容量大，但价格低廉，并且市面上由多种型号可供选择。并且可 以根据厂家的详细教程，完成单片机对SD卡的读写，可以说是非常的方便。这 里需要注明的是，SD卡的引脚并非我们熟识的管脚，而是集合在一起的扇区， 故也需要扇形管脚接口。第四章测试结果和分析

13、1系统运行测试通过上文的设计，将电源模块、STM32F407主控制芯片模块和摄像头模块以 及其他模块接口安装在电路板上，实际操作只需要将试条固定在卡槽中，开启设 备，紫外光便会照射在试条的测试区，并使荧光物质发光，再由照相机进行图像 采集。从而得到层析免疫纸条的检测区域的荧光灰度，在经过照相机模块处理， 以函数的形式将数据发送到STM32F407中心控制器中，并进行数据处理，从而得 到检测液的参数数据。实验产品整体效果如图4. 1图4. 1系统整体实体图2上位机通讯调试测试通过USB接口使检测设备与上位机设备实现通讯，这样上位机的数据就可以 通过串口在显示屏上现实如图4.2所示，并设置好实现U

14、SB窗口通信的波特率 参数和选择的信道，通过收发简单的信息来判断上位机设备和检测设备已经正确 连接，并可以实现通信，同时也利用STM32的PH9-PH12、PH14、PI4、PI6-PI7 接口，接收接口传输过来的信息，在输出的8位图像数据。0V2640的S10_ C和 SIO_D接口分别与STM32的PF8, PF9引脚相连，通过该接口实现将摄像头进行初 始化配置。CMOS摄像头模块将采集到的图像数据存储到C0M7寄存器中，并将 RGB5656的多位图像数据传输到图像数据的缓冲区，通过DMA实现，控制器将图 像数据缓冲区的数据取出并进行处理，然后将该组数据传输到液晶显示器。图4. 2上位机数

15、据接收和发送界面3测试结果分析由于本文是从硬件设计和软件设计方面来设计便携式免疫层析检测设备，所 以对生物学上的检测原理只做轻微了解，而数据的处理也采用的是数据库比照分 析，对得出检测数据的正确性只做经验上的区分，即通过以往的生物学上的经验, 来假设便携式免疫层析检测设备会得到什么样的检测数据，然后和真实的免疫层 析检测设备作是否相同的判断，假设相同即为此检测仪得到了正确的结果，假设不相 同，那么对代码进行修改。对其性能分析便捷性分析可以知道其内部采用合理布局， 大大减少了布线和不必要的固定架设计，并且所有的控制系统都由STM32F407 芯片控制，大大减少了设备空间。而在设备的选材，配置等方

16、面也时刻考虑到便 捷性的因素。对于低功耗分析，本文采用独立电源进行供电，所提供的供电源为 两节干电池，串联供电，合计3V不稳定电压，配合升压电路对整个设备，包括 紫外光激发，STM32芯片，液晶屏，照相机等用电模块供电。本文通过使用800MA 的干电池进行数据测试，并得出结果，大约能维持4到5各小时，基本做到了低 功耗的要求。第五章结论和展望1总结本课题通过利用嵌入式技术和免疫层析的相关理论知识，把系统整体模块化分布 设计，使得各模块完成其对应的功能，其主要工作包括设计以STM32为主控芯片 的硬件电路，内容包含图像采集模块、电源模块、人机交互模块。运用Altium Designer对所有电路

17、进行设计和仿真，并对其中的缺乏做出修改，设计出合理 的PCB板，同时也运用SOLIDWORKS设计检测仪的硬件外壳3D仿真模型，完成了 其要求的基本功能。也得出几点结论：.本课题设计的便携式免疫层析检测装置主要核心由STM32微控制器，在图 像处理方面选用ROI思想进行处理，即只选取T线的数据进行处理，可以大幅减 少待处理的像素数，减少无谓的噪声影响，从而大大减少了工作量，并克服了单 片机内存较小，无法储存图像信息的缺点.便携式免疫层析检测仪的主控电路设计主要连接这控制器的最小电路系 统，以及各种外接端口和最后的PCB主板设计图的规划，并做出了详细的PCB 主控件的具体设计.实验采用了嵌入式的

18、方式进行设计，为日后其他相关模块的设计提供了方 便，检测数据的准确性也有待提高，系统代码也能够更加完善。通过进一步的改 进，便携式免疫层析监测装置能够向着更小、更轻的方向开展，有着很大的市场 空间和开展前景2展望.拓展功能可以利用无线打印机模块的通讯功能实现对于每一次检测数据 的打印。例如，后期可以添加无线打印模块，通过把它和USB连接通信实现接收 检测仪的发送的数据，然后根据不同的需求，将数据通过UART传输给串口接收, 如果使我们想要的结果那么可以通过蓝牙或者Zigbee的传输模式给打印机传输数 据，并打印结果。.对于便携式免疫层析试纸检测仪使用过程中电能的损耗措施，由于实验过 程中才用的是普通电池，它的电量很有限所以我们可以采用可充电型的锂电池