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)

用于细胞培养的便携式电刺激器设计与实现*

邓维礼1， 楮文俊2， 黄欣杰2

(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)

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0～5 V，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。

电刺激器； 细胞培养； 单片机； 高通量

0 引 言

由于电刺激信号可以促进细胞的增殖分化[1,2]，促进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[3～5]。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[6,7]。

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。

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于细胞培养的便携式简易小型多功能电刺激器，该电刺激器可在封闭环境中独立工作，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

细胞培养装置的示意图如图1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孔内，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12 V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

图1 细胞培养装置示意图

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。

图2 电刺激器系统结构框图

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、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12 V干电池配合LM317[8]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,从而实现不同电压的直流输出，其工作原理图如图3所示。

图3 直流模块电路原理图

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，丰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[9]，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。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，同时传递控制信号给数模转换器DAC0832[10]，输出的信号经放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。

图4 交流模块电路原理图

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[11,12]，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是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，程序流程图如图5所示。

图5 键盘扫描程序流程图

3.2 波形产生程序的设计

波形产生程序是系统设计中交流部分的核心，方波、正弦波、三角波及锯齿波四种波形的程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

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，输出电压随时间的变化，如图7所示。由图可见，随工作时间的增加，电源电压逐步降低，但是，由于稳压芯片的作用，各个输出节点的输出电压能够保持恒定，为后续使用提供了稳定的电压。

图7 直流电压输出特性

利用示波器对交流部分输出的波形进行了测量，分别得到信号的幅值和周期，结果如图8所示，该电刺激器能够产生不同频率、不同幅度的正弦波、方波、三角波及锯齿波。

图8 交流信号波形测试结果

5 结 论

本文所设计的电刺激器以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，各个波形的幅值调节及频率控制。该电刺激器克服了现有生物实验室仪器的不足，不需要使用220 V电源进行供电，具有独立性好、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。

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Design and implementation of portable electrical stimulator for cell culturing*

DENG Wei-li1， CHU Wen-jun2， HUANG Xin-jie2

(1.School of Materials Science and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

A digital multifunction electrical stimulator based on MCU STC89C51 is designed,which can generate five different types of waves,direct current, sine wave, square wave,triangular 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.

electrical stimulator; cell culturing; MCU; high throughput

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0113—03

2016—06—21

国家大学生创新创业训练计划项目(201510613009)

TP 399

A

1000—9787(2017)05—0113—03

邓维礼(1983-)，男，硕士，工程师，主要从事微传感器设计及信号处理工作。