便携式全自动液氮研磨装置的制作方法

本发明属于临床微生物检验技术仪器领域，具体而言，涉及一种便携式全自动液氮研磨装置。
背景技术：
：近几十年侵袭性真菌的感染率死亡率大幅增加，引起了医护人员和科研人员的极大重视。真菌的早期诊断在临床十分重要，因此真菌检测技术的研发已成为科研人员重要工作之一，分子生物学技术是真菌检测技术中的一个重点。目前主要使用的分子生物学技术如pcr、新一代测序(基因组分析、转录组分析)、质谱(蛋白质组分析)等均需将真菌特有坚固的细胞壁进行破壁处理获得dna、rna及蛋白质。相对于化学法、酶法等破壁技术，液氮研磨破壁更为高效快速，但由于液氮罐通常体积较大，携带不方便，倒取液氮过程中液氮损耗较大且有溅出危险，目前实验室所用的手动研磨装置速度较慢，且在研磨过程中液氮会被损耗，极为影响其使用效率。技术实现要素：针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的便携式全自动液氮研磨装置。为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：一种便携式全自动液氮研磨装置，包括杜瓦瓶体、特制瓶盖、单片机、控制模块、显示模块、气压表、液位计、气泵、压力传感器、安全阀、电源电路、磁力搅拌器、搅拌容器、试管搅拌适配器、磁力转子、研磨珠；气泵、压力传感器、显示模块、电源电路、控制模块均与单片机相连接；控制模块包括多个按键和将多个按键与单片机连接起来的连接电路。进一步地，液氮存储罐为杜瓦瓶。进一步地，显示模块为led数码管显示屏。进一步地，显示模块包括3个双8字数码管。进一步地，所述单片机为为stc89c52单片机。进一步地，所述气压表为yd-60氮气压力表。进一步地，所述液位计为侧装式侧翻板液位计。进一步地，所述压力传感器为超低温薄膜压力传感器。进一步地，所述气泵为lh202v微型活塞真空泵。进一步地，所述安全阀为a21h-160微启式低温安全阀。进一步地，所述磁力搅拌器为nb-1型5寸盘磁力搅拌器。进一步地，所述搅拌容器为特制耐低温试管。进一步地，所述磁力转子为特制腰鼓状磁力搅拌子。进一步地，所述试管搅拌适配器为6孔试管搅拌适配器。进一步地，所述研磨珠为特制辅助研磨玻璃珠。一种对所述的便携式全自动液氮研磨装置内的压力进行实时采样及调整的方法，包括采样和调整的步骤。进一步地，采样包括以下步骤：步骤1)计算控制参数a；a代表压力；步骤2)设定初始值e(n-1)＝e(n-2)＝0；步骤3)本次采样输入y(n)；步骤4)计算e(n)和△u(n)；步骤5)输出u(n)＝u(n-1)+△u(n)；重置e(n-2)＝e(n-1)，e(n-1)＝e(n)；步骤6)当到达采样时刻后，转到步骤3)，进行下一次采样。进一步地，调整包括以下步骤：根据得到的采样信息数据，单片机根据系统误差(偏差＝给定值-反馈值)和偏差变化率(当前周期偏差-上周期偏差)查询相应的模糊控制表，得到kp，ki，kd三个参数的整定值进行pid运算；增量式pid只和最近的n-2，n-1，n次误差有关，单片机只需保存三次误差即可；增量式pid公式：u(n)＝kp(1+t/ti+td/t)e(n)-kp(1+2td/t)e(n-1)+kp(td/t)e(n-2)+u(n-1)，其中u(n)，u(n-1)分别为采样时刻n，n-1时的输出值；kp，ti，td分别为比例、积分和微分系数；e(n)，e(n-1)，e(n-2)分别为采样时刻n，n-1，n-2时的偏差值；t为采样周期；a＝kp(1+t/ti+td/t)；a代表压力。本发明提供的便携式全自动液氮研磨装置，汲取微量液氮于研磨装置中并在液氮环境下对真菌等生物材料进行精细研磨，设计科学合理，操作简便，能够实现对液氮稳定存储及远距离运输，通过气泵、超低温传感器、安全阀的配合工作能够在保证安全的基础上将定量液氮打入至研磨装置内，并实现便携式全自动液氮研磨功能，可以很好地满足实际应用的需要。附图说明图1为本发明的结构框图；图2为超低温薄膜压力传感器工作原理图；图3为超低温薄膜压力传感器电路示意图；图4为气泵控制电路的引脚接线图；图5为7805降压芯片引脚接线图；图6为复位电路与起振电路图；图7为按键电路图；图8为数码管显示电路图；图9为pid运算示意图；图10为采样过程流程图；图11为存储罐结构图；图12为电源电路图；图13为磁力转子示意图；图14为研磨珠示意图；图15为试管搅拌适配器示意图；图16为磁力搅拌器示意图；图17为搅拌容器示意图；图18为研磨装置整体示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1-图18所示，一种便携式全自动液氮研磨装置分为两个部分：液氮运输取用装置、液氮研磨装置，液氮运输取用装置包括杜瓦瓶、特制瓶盖、stc89c52单片机、控制模块、显示模块、电源电路以及设置在瓶体内外的的超低温薄膜压力传感器、侧装式磁翻板液位计液位计、yd-60氮气压力表、lh202v微型活塞真空泵、a21h-160微启式低温安全阀，液氮研磨装置包括nb-1型5寸盘磁力搅拌器18、特制耐低温试管16、特制腰鼓状磁力搅拌子18、6孔试管搅拌适配器15、特制辅助研磨玻璃珠17。控制模块、显示模块、电源电路、超低温薄膜压力传感器、lh202v微型活塞真空泵均与stc89c52单片机相连接。显示模块为led数码管显示屏。控制模块包括多个按键和将多个按键与stc89c52单片机连接起来的连接电路。led数码管成本较低，对于显示数字较为合适，且采用动态扫描法与单片机相连时，占用的单片机口线少，编写显示相关驱动程序也相对容易。显示模块读取数据，通过3个双8字数码管分别显示当前杜瓦瓶内压力、直流电机转速、直流电机转向。超低温薄膜压力传感器实时测量杜瓦瓶内的压力，并将测量值发送到stc89c52单片机，然后在led数码管显示屏上显示出来。通过控制模块的按键向stc89c52单片机发送指令设定箱体内压力，范围为50kpa-60kpa，在瓶内气压大于50kpa的情况下打开液氮出液口阀门，液氮将会在压力作用下从阀门流出至搅拌容器中，压力误差保持在±1kpa。因为本存储罐需要的按键并不多，所以选择独立式按键接口设计。独立式按键是直接用i/o口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独用一根i/o口线，每个按键的工作不会影响其它i/o口线状态。按键检测模块是实现用户设定压力的部分，设定压力在50-60之间。其中s1为压力提升键，s2为压力降低键，s3为确认键，s4和s5无键值。采用控制模块的按键进行输入控制，对压力目标值进行设定。通过超低温薄膜压力传感器采集压力信息，经stc89c52单片机处理，对压力的控制电路进行调控，实时将数值显现在led数码管显示屏上。超低温薄膜压力传感器具有稳定性好、可靠性高、使用温区宽、温度性能好、耐腐蚀性能高等技术特点，特别适合恶劣条件下的压力参数测量。釆用惠斯通电桥的原理测量压力，其核心器件是溅射膜片。利用离子束溅射沉积的方法在弹性元件上先后沉积绝缘介质层、合金电阻层和金电极皋，釆用薄膜微加工技术制作应变电阻和电极图形，最后沉积廂护层。当环境压力发生变化时，弹性元件感知压力而发生微小变形，应变电阻由于电阻-应变效应而使桥臂电阻值变化，最终导致传感器的输出电压值变化。性能测试：各温度点超低温薄膜压力传感器静态性能如表1所示。(1)25℃时，线性方程为y＝359.08+8266.475p，精度为0.33％。线性为0.312％fs,迟滞为0.022％fs,重复性为0.06％fs；(2)60℃时，线性方程为y＝373+8335p,误差为0.35％；(3)-60℃时，线性方程为y＝332.91±8271.91p,误差为0.16％；(4)-196℃时，线性方程为y＝294.3523±8295.625p,误差为1.05％；(5)-253℃时，线性方程为y＝168.807±8378.057p,误差为2.99％。表1各温度点超低温薄膜压力传感器静态性能杜瓦瓶：杜瓦瓶是储藏液态气体、低温研究和晶体元件保护的一种较理想容器和工具。由内外两层筒体组成，内筒体用于储存低温液体，外筒体除保护内筒体外它还与内桶体形成真空夹层以阻止瓶外热量的侵入，减少瓶内低温液体的自然汽化量。特制瓶盖：如图11所示，为满足需求使用304钢设计特制杜瓦瓶盖，包括一个液氮进液口12，用于向瓶内装入液氮；液氮出液管路及出液口10，出液管路及出液口内径为2mm；安全阀接口，接安全阀保证瓶内压力过大时能够及时排出；液氮压力表接口，接液氮压力表13，与超低温压力传感器配合使用监测瓶内压力；内侧嵌入超低温压力传感器11，与液氮压力表配合使用监测瓶内压力，同时将压力信息反馈给单片机，控制气泵工作实现对瓶内气压的控制。电源电路：使用12v，容量9000mah锂电池作为电源，支持气泵、单片机、超低温薄膜传感器使用约10个小时。12v锂电池分三路并联输出，第一路输出直接为超低温薄膜压力传感器供12v直流电，使其处于稳定的工作状态中。第二路输出经12v转5v降压芯片(7805)处理后向单片机供5v直流电。第三路接入pwm控制模块，pwm控制模块在接收到单片机的控制信号后，输出对应频率及大小的电流以控制气泵中直流电机的工作，进而实现对杜瓦瓶内部气压的控制。压力控制电路：lh202v微型活塞真空泵使用直流无刷电机，当需要增加杜瓦瓶内部压力时，pwm控制模块通过ttl串口接收来自单片机的控制信息，单片机串口波特率为9600，校验位：无，数据位：8，停止位：1。发送特定指令控制电机的工作：频率、速度(占空比)、正转、反转、停止、刹车等。表2串口操作命令功能码(byte)地址(byte)状态(byte)速度(hbyte)0xe0addrstatespeed转速(lbyte)频率(hbyte)频率(lbyte)bcc校验(byte)speedfrequency(h)frequency(l)bcc余量监测：磁翻板液位计利用浮力原理和磁性耦合作用，当杜瓦瓶中的液氮液位升降时液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红白翻柱翻转180°。当液位上升时翻转柱由白色转变成红色，当液位下降时翻转柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为杜瓦瓶内部液氮液位实际高度，从而实现对液氮余量的实时监测。安全防护：微启式弹簧安全阀14是利用压缩弹簧的力平衡作用在阀瓣上的力。当杜瓦瓶内部压力过大，作用在安全阀瓣上的力大于压缩弹簧的力时，阀门将打开将多余压力释放出去。可通过调整旋转螺杆调整其开启压力。串口输出(uart)：串口输出包括硬件连接和软件设置。软件设置：将串口波特率设置为9600，数据位设置为8位，停止位设置为1位、奇偶校验位设置为无。表3协议命令接口列表及含义单片机的复位依靠外部电路来实现的。时钟电路工作后,只要单片机的复位引脚(rst)上出现24个时钟振荡脉冲(也就是2个机器周期)以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。因此,要想保证单片机能够可靠的复位,在应用系统的电路设计中,就要使rst引脚保持10ns以上的高电平，使52单片机能循环到复位状态。当单片机复位后,也就是rst从高电平变成低电平后，52单片机就从0000h地址开始执行程序。对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。52单片机虽然使用时间早、应用范围广，但是在实际使用过程中，一个典型的问题就是52单片机容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源通过12v锂电池降压后供给。一种对液氮运输取用装置内的压力进行实时采样及调整的方法，包括采样和调整的步骤。如图10所示，通过单片机对箱体内压力进行实时采样的方法包括以下步骤：步骤1)计算控制参数a，a代表压力；步骤2)设定初始值e(n-1)＝e(n-2)＝0；步骤3)本次采样输入y(n)；步骤4)计算e(n)和△u(n)；步骤5)输出u(n)＝u(n-1)+△u(n)；重置e(n-2)＝e(n-1)，e(n-1)＝e(n)；步骤6)当到达采样时刻后，转到步骤3)，进行下一次采样。如图9所示，对箱体内的温度、湿度和二氧化碳浓度三个参数进行实时自动控制调整的方法包括以下步骤：根据得到的采样信息数据，单片机根据系统误差(偏差＝给定值-反馈值)和偏差变化率(当前周期偏差-上周期偏差)查询相应的模糊控制表，得到kp，ki，kd三个参数的整定值进行pid运算。增量式pid只和最近的n-2，n-1，n次误差有关，单片机只需保存三次误差即可；而位置式pid：u(n)＝kpe(n)+ki∑kn＝0e(n)+kd[e(n)-e(n-1)]需要对误差累积，增加了单片机负担，其中kp，ki，kd分别为位置式pid的比例系数、积分系数、微分系数。增量式pid公式：u(n)＝kp(1+t/ti+td/t)e(n)-kp(1+2td/t)e(n-1)+kp(td/t)e(n-2)+u(n-1)，其中u(n)，u(n-1)分别为采样时刻n，n-1时的输出值；kp，ti，td分别为比例、积分和微分系数；e(n)，e(n-1)，e(n-2)分别为采样时刻n，n-1，n-2时的偏差值；t为采样周期。a＝kp(1+t/ti+td/t)；a代表压力。液氮研磨：在通过便携式液氮存储装置将液氮打入包含磁力转子、研磨珠、待研磨真菌样本搅拌容器后，将搅拌容器放入已放置在磁力搅拌器上的试管搅拌适配器中。打开磁力搅拌器，磁力搅拌器将不断变换基座的两端的极性来推动磁力转动，通过磁性搅拌子的转动带动液氮、研磨珠、待研磨真菌样本进行转动，转动过程中研磨珠不断与磁力转子及互相之间进行作用，在这种作用下待研磨真菌样本的细胞壁将会逐渐破裂，最终达到真菌细胞壁破壁的目的。磁力转子：磁力转子是特制腰鼓状磁力搅拌子，如图13所示，中短径d1为3mm，边短径d2为5mm，长径d3为8mm，径间距d4为3mm，内部为磁性实体，外部包裹着聚丙乙烯，聚丙乙烯具有足够的材料强度使其不在研磨中损坏，且在-196℃的环境中能够正常使用，其长径为8mm，短径为3mm，边短径为5mm，径间距为3mm，这种两头大中间小的设计能够形成足够强大的涡流且长径两端外表做凸球面设计，与研磨珠能充分接触达到研磨效果。研磨珠：如图14所示，研磨珠为直径为2mm的特制辅助研磨玻璃球，在搅拌子转动时与搅拌子或者互相之间进行作用，实现研磨的效果。试管搅拌适配器：试管搅拌适配器如图15所示，其材料为聚丙乙烯，聚丙乙烯具有足够的材料强度使其不在碰撞中损坏，且在-196℃的环境中能够正常使用。搅拌器整体直径为120nm，高60mm，试管适配孔直径为15mm，深30mm，能满足6根试管同时研磨。磁力搅拌器：磁力搅拌器如图16，利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁性搅拌子转动，通过磁性搅拌子的转动带动样本旋转，使样本均匀混合。本设计使用nb-1型5寸盘磁力搅拌器，使用单旋钮方式进行转速控制，转速范围为0-1500rpm，工作盘尺寸为135mm，最大搅拌量为1l，整机功率为10w，整机尺寸210*160*70。在功能上满足使用需求的同时，较为便携，满足设计的需求。搅拌容器：如图17所示，搅拌容器是使用聚丙乙烯制成的特制耐低温试管，试管直径为13mm，长75mm。聚丙乙烯材料能够在-197℃至200℃之间正常使用，聚丙乙烯的洛氏硬度为118-122之间，有足够的强度保证液氮研磨过程中不被损坏，能够满足设计使用需求。本发明提供的便携式全自动液氮研磨装置，设计科学合理，操作简便能够实现对液氮稳定存储及远距离运输，通过气泵、超低温传感器、安全阀的配合工作能够在保证安全的基础上将定量液氮打入至研磨装置内，实现便携式全自动液氮研磨功能，可以很好地满足实际应用的需要。以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12