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用于细胞培养的便携式电刺激器设计与实现

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2017年第36卷第5期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 1 13 DOI:10.13873/J.1000-9787(2017)05--0113-03 用于细胞培养的便携式电刺激器设计与实现 邓维礼 ,楮文俊 ,黄欣杰 (1.西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都610031; 2.西南交通大学机械工程学院,四川成都610031) 摘要:设计了一种以STC89C51单片机为核心的数字化多功能电刺激器,可根据用户需要产生直流、方 波、正弦波、三角波和锯齿波共5种类型的电刺激信号,同时可实现各个波形的幅值和频率可调,其幅值输 出范围为0-5V,频率范围为0—10 kHz,实现相同温度、湿度及培养基环境条件下,细胞培养过程中的电信 号刺激以及高通量筛选。 关键词:电刺激器;细胞培养;单片机;高通量 中图分类号:TP399 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2017)05-9113-03 Design and implementation of portable electrical stimulator for cell culturing DENG Wei..1i,CHU Wen-.jun ,HUANG Xin-jie。 (1.School of Materials Science and Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China;2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031。China) Abstract:A digital muhifunction electrical stimulator based on MCU STC89C51 is designed,which can generate ifve different types of waves,direct current,sine wave,square wave,tirangular wave and sawtooth wave, respectively.At the same time,the amplitude and frequency of each waveform can be adjusted according to the requirement of users.Its amplitude output range is 0—5 V.and the frequency range is 0—10 kHz.It is able to use to electrical signal stimulation and high throughput screening in cell culturing,under the same temperature,humidity and medium environment conditions. Key words:electrical stimulator;cell culturing;MCU;high throughput 0引 言 于细胞培养的便携式简易小型多功能电刺激器,该电刺激 由于电刺激信号可以促进细胞的增殖分化 ,促进 器可在封闭环境中工作,可输出频率、幅值及波形可调 的电刺激信号,从而实现相同温度、湿度及培养基环境条件 下,细胞培养过程中的电信号刺激以及高通量筛选。 1系统方案设计 组织的生长及伤口愈合,近年来,电刺激相关研究发展十分 迅猛 。细胞培养电刺激器是为细胞生长提供电刺激的 基本工具,细胞电刺激器的研制为研究细胞迁移、黏附、分 化、代谢能力的变化机制以及电信号对人体组织生长的作 用机制提供了良好的解决方案,因此,细胞培养电刺激器的 研制具有重要的研究意义与应用前景 ’ 。 能产生特定电压或者电流的信号发生器是细胞培养电 刺激器的重要组成部分。目前,实验室的信号发生器虽然 功能强大,但大多需要220 V电源供电,且体积较大、结构 复杂、价格昂贵且不便于在特定的细胞培养环境中使用。 细胞培养装置的示意图如图l所示,整套装置通过电 刺激器产生不同的电信号,经排线接入电路转接板实现电 信号的高通量产生,最后接入到培养板的每个孑L内,从而实 现对细胞的高通量刺激筛选。 电刺激器的系统结构框图如图2所示,硬件系统主要 由12V直流干电池供电、电源模块、单片机系统、DA处理 电路、滤波整形电路、输出电路等构成。该电刺激器通过直 流模块和单片机模块能够同时产生直流和交流两种不同类 型的电信号。在交流部分,单片机是系统的控制核心,从单 本文依据细胞培养的环境与特点以及电刺激信号的类 型和大小,设计并实现了一种能产生特定电压信号并适用 收稿日期:2016-06-21 基金项目:国家大学生创新创业训练计划项目(201510613009) l】4 传感器与微系统 第36卷 大调整滤波之后从输出电路输出供给细胞培养板。为了保 证输出信号频率较为稳定,DA电路选用了分辨率为8位的 电极 转换器DAC0832,从单片机输出的数据经过采样输入,通 过D/A转换,结果由OUT输出,再经过放大调整选通电路 \\ \c / /培养板 实现信号幅度的放大和缩小,然后输出到后级信号幅度调 整电路。交流部分电路如图4所示,图中在D/A转换系统 图1 细胞培养装置示意图 后面设计了一个由两级LM358组合运算放大器组成的信 号幅度可调的滤波整形电路。 VCC 片机输出的信号通过D/A处理电路转换为模拟信号,经过 滤波整形后输出。电刺激信号的输出范围可通过转接板的 电阻调节以及写入单片机的程序控制,其幅值输出范围为 0~5 V,频率范围为0~10 kHz。 2VDC供电I 鼹 ’XTALI P0.0/AD0 UU.~、1!/lAD1AY XTAL2>P0 2/AD2 RST 0.3/,ADP0.5/AD5 P0 6/AD6 P0.7/AD7 ADi 面 电源模块卜_ 。= 供电0 直流模块 L丁口 弦波 I  P0 0 P0.1 P0.2 P0 3 P0.4 P0.5 P0.6 P0 7 D/A处王9 电路L二 塑.I 71 ,1:踺 -1i毽. (DAC0832) l壁 邀:I信号选通 Pl 0 PI.1 图2 电刺激器系统结构框图 STC89C51 I昌 U2 。GND 2硬件系统设计 2.1 直流部分 考虑到用于细胞培养的电刺激器的使用环境具备恒 温、恒湿、无菌及密闭等特点,电刺激器应尽量满足体积小、 P1 0一P1.1o  P0 4 l上 P0 3 禹 § I D 无需外接电源、易封装等要求,此款电刺激器设计制作了独 立电源模块,用一组l2 V干电池配合LM317 稳压芯片实 现对单片机及电路元件的供电。其中直流部分,电源输入 经LM317稳压之后直接通过电阻分压,从而实现不同电压 №B£!¨m m 5kll l 15kn +12V ^+l2V LM 358 GND V ]: 的直流输出,其工作原理图如图3所示。 煎 曛整 离 图4 交流模块电路原理图 GND 一UND  3软件系统设计 软件的任务是根据上位单片机的指令完成信号的控制 和输出“' ,电刺激器采用c语言进行软件开发以增强可 修改性,整个程序由初始化模块、键盘输入读取模块、波形 厂 r_[亡l 图3直流模块电路原理图 产生信号输出模块等部分组成。 3.1 键盘扫描程序的设计 键盘扫描程序的作用足识别用户对控制系统的操作, 根据用户所给的按键信息选定需要输出的波形,以及实现 对输出波形频率和幅值的控制,程序流程图如 5所示。 2.2 交流部分 交流部分主要由单片机最小系统、功能选择开关、D/A 处理电路构成。选用单片机的原因在于单片机的技术发展 较为成熟,而且价格便宜,成本低廉,中富的资源和工具有 益于开发。单片机选用性价比较高的STC89C51芯片,其 3.2波形产生程序的设计 波形产生程序是系统设汁中交流部分的核心,方波、 软硬件功能较为完善,性能优异稳定,可实现键盘读入、 LCD显示、编程、信号幅度调整等功能 ,对产生和选择所 需求的波形有明显的优势。 单片机与功能选择开关、电源电路、D/A电路相连。 弦波、三角波及锯齿波四种波形的程序流程图如图6所示 4实验测试与结果分析 根据上述设计制作出电刺激器实物,并完成了相关测 试 、通过万用表测量了直流部分在连续工作10 h范围内, 输出电压随时问的变化,如图7所示。由图可见,随工作时 在功能选择端选择需要输出的波形,并设置幅度和频率等 参数要求,用单片机计算并得到频率和幅值的控制字,同时 间的增加,电源电压逐步降低.但是,由于稳压芯片的作用, 传递控制信号给数模转换器DAC0832 ,输出的信号经放 各个输出节点的输出电压能够保持恒定,为后续使用提供 第5期 邓维礼,等:用于细胞培养的便携式电刺激器设计与实现 ll5 o loo 200 300 400 500 600 图7直流电压输出特性 (a)正 波。i蜀置l 直 .广蠲隧 / 图5键盘扫描程序流程图 …, i ,/・ …. , .j 。 i… 黑 . . 、 l_i 一 / , 图8 交流信号波形测试结果 要产生方波、正弦波、三角波及锯齿波4种波形,其幅值输 出范围为0—5 V,频率范围为0—10 kHz。 依据实物测试结果,所设计的用于细胞培养的简易小 人,出 5 0 5 O 型多功能电刺激器,基本实现了多种波形的选择,各个波形 的幅值凋节及频率控制。该电刺激器克服了现有生物实验 (a)厅波程序流程 开始 室仪器的不足,不需要使用220 V电源进行供电,具有 l取表格初值RI:0 ● 鼹DAC0832端口地址 A赋值OOH 0832输H{A对应电压 性好、便携性好、功率低、干扰小及效率高等特点,使用方 便,操作简单,节省了人力和物力,为后续细胞培养的相关 研究奠定了基础。 I DAC0832入f】地j ● I查表格取数送0832 参考文献: [1] Genovese J A,Spadaceio C,Langer J,et al,Electrostimulation 匝 l RI+I ̄R1 (b)】肼幺波程序流程 l。。。。A。。=。。A‘。 ̄。。,。。。—’t---- ‘induces cardiomyocyte prediferentiation of fibroblasts[J].Bio— chemical and Biophysical Research Communications,2008, 厂元 置DAC0832人f I地川: 370(3):450--455. 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Journal of Biological Engineering.2015,9(1):1-10. 本文所设汁的电刺激器以STC89C51单片机为核心, 同时具备直流输出和交流输出两种功能,并可根据使用需 (下转第119页J 第5期 冉莉莉,等:智能iBeacon测距报警系统 l】9 过定时器中断产生,广播的周期根据当前iBeacon设备与主 机设备的相对位置进行调整。 3.3 Android服务程序设计 Android端服务程序主要功能有:1)检测设备是否提供 蓝牙4.0;2)启动蓝牙4.0;3)扫描并绑定周围iBeacon设 备;4)校准RSSI值;5)设置设备相关参数. .上述5个功能通常按顺序执行。服务程序从本地数据 库获取用户设定保存的数据信息,再根据检测到绑定UUID 的iBeacon设备RSSI值的强度来解析iBeacon设备的范围, 从而判断距离位置进行报警。 4结论 图7设备连接与参数设置 Android服务程序中蓝牙设备按照如下步骤启用: 1)使用Bluet00thAdapt startLeScan()方法扫描蓝牙低 能耗设备(iBeacon设备); 2)在扫描到iBeacon设备后,在回调函数中会得到 BluetoothDevice的实例化对象,并通过调用BluetoothAdapt— er.stopLeScan()方法停止扫描; 3)通过BluetoothDeviee.coNne(・tGatt()方法来获取到 BluetoothGatt对象; 4)执行BluetoothGatt.discoverServices()方法,方法为异 系统结合iBeacon定位技术与Android系统,没计一种 防物品丢失测距警报系统,通过手机端服务程序可以检测 iBeacon设备大致范围:住范围内、在范围外、在设备上。并 根据用户设定的报警范围和报警方式,达到触发条件时触发 报警提醒用户。为用户提供物品与用厂1之间大致距离,该系 统平均有效警报范围约2 m,触发警报响应平均时间约20 s。 参考文献: [1] 石志京,徐铁峰,刘太君.等.基于iBeacon基站的室内定位技 术研究[J]移动通信,2015,39(7):88-91. [2] 卞合茸.基于蓝牙4.0低功耗室内定位研究[D].北京:北京 邮电大学.2015. 步操作,在回调函数onServicesDisco vere d()中得到status 的值,通过判断status是否和BlueloothGatt.GATI'一SUCCESS 的相等来判断查找Service是否成功; 5)如果成功,则调用Bluet()( ̄thGatt.getService()来获取 BluetouthGattService; [3] 张浩,赵千川.蓝牙手机室内定化系统[J].计算机应用, 201l,31(11):3152--3156. [4] 吴栋淦.基于iBeacnn的智能导览系统的设计与实现[J].贤 阳学院学报:fI然科学版,2014.9(4):9-13. 6)通过调用BluetoothGattService.getCha—rcteristic() [5] 王满息,J‘恩杰。基于WSNs的RSS尤源被动定位算法评 述[J].传感器与微系统,2015,34(3):1--7. [6] 林方旭,朱明华.基于RSS1的自适应分段曲线拟合室内定位 算法[J].传感器与微系统,2015,34(10):151--153. 疗法去获取Blueto(】thGattCharacteristic; 7)通过调用BluetoothGattCharacteris—tic.get Descriptor ()方法获取Bluet0othGattDes(!riptor。 [7] 姜华,何风行.陈文权,等.一种基于超声和射频融合的无 结合下位机程序的程序流程,服务程序根据Beacon帧 信息判断,当iBeaeon设备 手机蓝牙的RSSI值发生变化 时,服务程序将根据RSS1 fff汁算iBeaeon设备与主机没备 的大致距离从而根据用户没置的报警阈值做出相应的报警 线传感器网络网格定位方法[J].传感器与微系统,2O15. 34(3):25--27. [8]Matthew S(;as1.Building applications with iBeacon[M].Caliif)r- nia:O’Reilly Media,2014. 操作。Android服务程序端iBeacon没备连接与参数配置操 作界面如图7所示。 — — —, 、 作者简介: 冉莉莉(1987一),女,硕十,助教,从事Android定位应用、燃料 电池技术:【作。 ;》、, 、j》 — 、 、— ‘ —户 —, p0 、、, , 0 、j 、— ‘ —, 0 、 — — /、) 0 (上接第115页) [7] 何 猛,邹远文,李晋川,等.细胞电刺激器的设计 实 观[J].实验科学与技术,2015,13(3):214—216- [8] Feng P,Zhang z-Based。“the LM317 dj“ bI 。l ge g“l 一 。r。f Dc regula ed p。w “pply[J]・El。 “i‘’Test,2009(5): 电子科技,2012,25(6):104—106・ [11]董、 男,马俊,周 泉,等.基于单片机的智能信号发生器 设计与仿真[J].电子测量技术,2014,37(1):62—65. [12]马忠梅单片机的C语言应用程序设汁[M1.北京:北京航空 航天大学出版社.,2()(】7. [9] 仃小苛,王晓娟,田 芳.基于单片机的低频信号发生器设 汁[J].现代l乜子技术.2014,37(16):14—17. 10]牟庭贵.基于DAC0832币lI A F89K52的信 发生器设计[J]. 作者简介: 邓维礼(1983一),男,硕土,一I:程师,主要从事微传感器设计及 信号处理工作 

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