【正文】 20 55— +125 3— 177。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用?？膳c任何 單片機 、 IC 接口。因此，在本次設(shè)計中時鐘模塊采用 DS1302芯片。而 MAX3232 是 MAX232 的改進型，具有 更低功耗 特別適合電池供電系統(tǒng) 。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16*2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 第 4 腳： RS 為 寄存器 選擇，高電平 1 時選擇 數(shù)據(jù)寄存器 、低電平 0 時選擇 指令寄存器 。 第 15～ 16 腳： 空腳 或背燈電源。 單片機最小系統(tǒng) 根據(jù)血糖儀的便攜式及低功耗的要求，本次設(shè)計采用了 MSP430F169 單片機作為核心控制器。晶體只需要通過 XIN 和 XOUT 兩個引腳連接再加上兩個 30pF 的電容即可。端口 54— 58 是 JTAG 接口 ,用于編程。功耗計算公式為： IUP ?? (31) 得知工作時的功耗為： 924μ W；待機時的功耗為： W。在此基礎(chǔ)上，由于 ADC 轉(zhuǎn)換的是電壓信號，因此在放大電流信號的同時，我們還需要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。Is）。典型的 T 型網(wǎng)絡(luò)放大電路如圖 33 所示。加在血糖儀電極兩端的電壓要求恒定不變，因此加在運算放大器的同相輸入端上的電壓并不是直接從電源上取得，而是從相對較穩(wěn)定的單片機內(nèi)部參考電壓上經(jīng)分壓得 到。 OPA333 為零點漂移運算放大器，有利于提高低輸出電壓的放大效果。 由于運算放大器的開環(huán)增益： VinVoAu? （ 38） 單片機內(nèi)部 ADC 為 12 位 ADC，因此可以算出 ADC 的最大飽和電壓為，即 Vo=。弱電流檢測與放大電路中運用了典型的 T 型網(wǎng)絡(luò)放大電路來代替單一電阻。 經(jīng)過查閱資料以及計算得到弱電流檢測與放大電路的工作和待機時的功耗。因此在系統(tǒng)中內(nèi)置一塊小的鈕扣電池 ,用于在設(shè)備換電池時繼續(xù)給系統(tǒng)供電。同時 ,如果 BT1 電量不足時 ,二極管 D3 導通 ,并且經(jīng)過電阻 R11給內(nèi)置電池 BT1 充電。其導通電壓較低 ,一般不到 。 22 S1SWPBS2SWPBS3SWPBGNDR26200kR5200kR6200kR27200kR28200kS4SWPBS5SWPB 圖 33 按鍵處理電路 按鍵控制通過圖 33 所示的方式直接接入 CPU 的外部中斷口。而將MCU 外部的五個普通 I/O 引腳與五個按鍵相連接。另一方面由于葡萄糖氧化酶分子的劇烈震動，隨著溫度的提高，將可能導致酶的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使酶變性 ,這樣酶的活力將被削弱。它與單片機的接口電路如圖 34 所示。在電路設(shè)計中， DQ 線通過 10K 的電阻拉高，保證總線在沒有數(shù)據(jù)傳輸時始終為高電平。設(shè)置完成后其自動 運行，在需要的時候可以隨時讀出，并且具有閏年自動補償功能。 I/O 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端：在控制指令字輸入后的下一個 SCLK 時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。其次， RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的方法。 SCLK 為時鐘輸入端： SCLK 引腳表示時鐘引腳，它給 I/O 引腳數(shù)據(jù)的傳輸提供時序。其中日歷時鐘的存儲 需要 6 個字節(jié) 的存儲容量，溫度存儲需要 2 個字節(jié)、血糖濃度的存儲需要 2 個字節(jié)。保存在單片機的 RAM 中，以便用戶可以查看近期的測量結(jié)果，存儲芯片選用的是 AT24C02，主要是通過 I2C 總線實現(xiàn) 與單片機的連接，具體的連接電路如圖 36 所示。存儲芯片 AT24C02的存儲容量為 256*8即 2KB。其中工作時的功耗為： W；待 機時的功耗為： W。如果在傳 送過程中 RST 置為低電平，則會終止此次 數(shù)據(jù)傳送 ， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。 RST 為復(fù)位端： RST 引腳的操作非常簡單，給它高電平表示啟動芯片讓芯片工作 (低電平復(fù)位，高電平時芯片正常 )，給它低電平表示不讓芯片工作。 X31000uF/25VC8GNDGNDVCC21X12X23GND4RST5I/O6SCLK7VCC18U3DS1302 圖 35 時鐘控制 由圖 35 可以看出 DS1302 的外圍電路設(shè)計并不難， X1 和 X2 引腳外接 的晶振， VCC1 引腳為備用電源輸入，可以不使用，當使用時可以外接電池或充電電容，在 VCC2 和 VCC1 兩個引腳中，選擇電壓高的那個引腳作為工作電源。其中工作時的功耗為： ；待機時的功耗為： 0W。將MSP430F169 單片機的 引腳與 DS18B20 芯片 DQ 引腳連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳 輸。 通過查閱資料可知， 血糖儀的正常工作溫度范圍 是： 545℃，因此為了保證檢測的 23 準確性，在本次設(shè)計中增加了溫度控制模塊，對血糖儀的周圍環(huán)境溫度進行檢測。從而便可以實現(xiàn)各種按鍵功能。 S4可在設(shè)置年、月、日以及日期時進行選擇，稱之為左鍵， S5 具有與 S4 相反的功能，稱之為右鍵。 按鍵處理電路 儀表中需要按鍵輸入的情況比較少，所以儀表按鍵處理采用三個獨立按鍵的接線方式，用于按鍵輸入。總之 ,BT2 有電時 ,系統(tǒng)由它供電 ,同時對 BT1充電；BT2 沒電或換電池時 ,系統(tǒng)由內(nèi)置的 BT1 供電 ,繼而方便用戶使用。 21 BT25VBT13VD1DiodeD3DiodeD2DiodeR11200GNDGND 圖 32 電源控制電路 BT2 是系統(tǒng)的外置電池 ,就是可以取出來更換的；而 BT2 則是內(nèi)置的小鈕扣電池是可以充電的。 電源控制和按鍵處理電路 電源控制電路 儀表采用便攜式設(shè)計 ,供電電源采用 5V的鈕扣電池。當 R1 R20 和 R21 值均為 55KΩ時， Vo=20uA (55000+55000+55000)=。因此可以得出放大器的開環(huán)增益 Au≈165000。它可用于傳感放大器、直流增益模塊和其他單電源供電的使用運算放大器的場合。 1KR16RPotPLUGR1955KR15760KR14760KR17760KR2055KR2155KR23760KR22760KR24760KC161uFC151uFGND5VGNDD4D Zener32184U7ALM258R25100KC171uF32674U6OPA33332674U8OPA333 圖 34 弱電流檢測與放大電路 電流檢測與放大部分的運算放大器選用單通道、低功耗、高精度、低噪聲的精密運放 OPA333，在濾波部分選用雙差動輸入、低功耗運算放大器LM258。 C1 用來提供噪聲抑制和環(huán)路補 償，選用低漏電的聚苯乙烯電容。 將檢測到的弱電流進行放大和處理，將此電流變?yōu)閱纹瑱C可檢測的電流信號，所用到的基本的放大電路如圖 32 所示。因此，由于單片 17 機工作電壓為 ，則內(nèi)部 12 位 ADC 模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值為 mVVV *2112m in ?? （ 32） 若要實現(xiàn)對微弱電流進行高精度測量，則要求運放的差模電壓放大倍數(shù)足夠大，運放的輸出失調(diào)電壓 Vos 足夠小（ Vos171。雖然 MSP430F169 系列芯片具有 12 位 ADC，但其分辨率還是遠遠不能高效的采集這個微弱信號。 和 為單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)的 TTL 電平輸出接口，在外部轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的信號。而且根據(jù)低功耗的要求，如果 XT2CLK 信號沒有用作 MCLK 和 SMCLK 時鐘信號，可以控制位 XT2OFF 關(guān)閉 XT2，從而降低系統(tǒng)功耗。 DVCC123456VREF+7XIN8XOUT9VeREF+10VREF/VeREF1112131415161718192021222324252627282930313248474645444342414039383736353433AVCC64DVss63AVss62616059RST58TCK57TMS56TDI/TCLK55TDO/TDI54XT2IN53XT2OUT52515049U1MSP430F169C130pFC230pFGNDGNDR1GNDR2100kC3GNDX28MHzC430pC530pX1GND GNDC6470uF/25VC7GND 圖 31 單片機最小系統(tǒng) 16 圖 31 中單片機最小系統(tǒng)的供電電壓 Vcc 為 。 設(shè)計采用了模塊化設(shè)計原則來設(shè)計血糖儀的硬件電路，結(jié)合前面的設(shè)計要求和功能需要，此次設(shè)計由低功耗的高集成度 MSP430F169 單片機以及一些外圍電路模塊組成，外圍模塊主要包括：弱電流檢測模塊、電源控制模塊、信號的采集和放大模塊、按鍵控制模塊、溫度控制模塊、液晶顯示模塊、時鐘和存儲模塊等。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端。比 12864類的液晶更適合本系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用。 LCD 顯示器選型 常見的 LCD 液晶顯示屏有 1602 和 12864 兩類，通過查找資料得知 1602液晶顯示具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等特點。單片機輸出電平為 TTL 電平，要與計算機進行串行通信需要對 TTL 信號進行轉(zhuǎn)換，使它成為 RS232 接口可接收的電平信號。工作電壓為 — ，顯示清晰。 時鐘 RAM 的讀 /寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達 31 個字節(jié)的字符組方式通信 .主要特點是 采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。 DS18B20 是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。常用的溫度傳感器有 AD590、 DS18B20 等，表 22 為這兩種溫度傳感器的參數(shù)，將其參數(shù)進行對比，篩選出適用于便攜式血糖儀的溫度傳感器。葡萄糖氧化酶印刷電極如圖 22 所示。 傳感器選型 葡萄糖濃度傳感器 用于檢測葡萄糖濃度的傳感器常用的有葡萄糖電化學生物傳感器，它的工作原理是利用葡萄糖氧化酶，催化氧化葡萄糖的特性，檢測各種物質(zhì)中的葡萄糖濃度。 欠電壓檢測器。 16 位定時器 Timer_A。 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， 125μ s 指令周期。 如表 21 所示，本設(shè)計選擇型號為 MSP430F169 的單片機，因為它具有MSP430F169 具有以下資源： 低工作電壓： — 。 與其他單片機相比， MSP430 系列單片機具有超低功耗，電源電壓采用，待機電流小于 1μ A，在 RAM 數(shù)據(jù)保持方式時耗電電流小于 μ A,在活動模式時耗電 250μ A/MIPS(MIPS 表示每秒百萬條指令 )， I/O 端口的漏電流最大為 50nA，遠低于其他系列產(chǎn)品。 9 單 片 機M C U生 物 酶 傳感 器電 源 控 制液 晶 顯 示按 鍵 輸 入串 口 通 信時 鐘 及 存儲 電 路P C 機溫 度 傳 感器 圖 21 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖 MCU 模塊是系統(tǒng)的核心，它需要完成傳感器信號的采集與處理、 LCD的驅(qū)動、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與存儲，讀取按鍵的狀態(tài)、與上位機的通信等。 血糖儀工作原理 本設(shè)計中傳感器是用生物傳感器 —— 葡萄糖氧化酶電極進行血糖測試，采集血液中的葡萄糖會與葡萄糖氧化酶進行反應(yīng)而產(chǎn)生弱電流信號，之后將產(chǎn)生的弱電流通過反饋電路進行信號放大，由于此信號非 常小，不便于測量，因此要通過硬件電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，將采集到的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對該電壓信號通過放大器進行放大和硬件濾波處理。 測量精度： 5%。因此在本次設(shè)計中也不例外，采用兩粒的紐扣電池作為供電電源 ，為了達到易于攜帶以及低功耗等設(shè)計要求，顯示器采用液晶屏，單片機及外圍硬件芯片都采用低功耗芯片；同時設(shè)計了上位機通訊模塊，使得用戶可以通過 PC 機對測試數(shù)據(jù)進行查詢，進而實現(xiàn)血糖數(shù)據(jù)校正、打印和描繪數(shù)據(jù)曲線等操作。 方案二：設(shè)計一種便攜式血