【正文】 糖檢測儀，采用電池供電，因此在硬件上就要采用低功耗設計，檢測中采用試條插入開機及按鍵開機兩種開機模式，并帶有自檢功能判斷儀器的可靠性，測量結果自動保存等功能。 6 如何將采集到的電流值轉化為血糖值，可采用最小二乘法進行回歸計算血糖值；如何實現檢測信號抗干擾，可引入數字濾波算法 ,提高檢測精度。本設計的血糖儀采用生物電化學的方法來實現血糖值的檢測，根據傳感器輸出信號的特點，采用低噪聲弱電流檢測技術；為實現便攜式的功能，硬件采用低功耗設計。而且 要掌握好這一類型的血糖儀的采血量，如果采血偏多，測試結果會被影響，如果采血量不夠，不僅會造成操作失敗還會浪費試紙，而這種血糖儀多為光電式的。后者是通過酶與葡萄糖的反應產生中間 5 （帶顏色）物質，運用檢測器檢測試紙反射面的反射光的強度，將這些反射光的強度轉化成葡萄糖濃度。 從工作原理上便攜式血糖儀可分為兩種，一種是光電型便攜式血糖儀，一種是電極型便攜式血糖儀。微創(chuàng)血糖儀在近年占據了國內市場的主流，可以方便、快捷的利用血糖儀和與之配套的試條測量血糖。 4 第五階段：微采血量、多部位采血血糖儀。 第四階段：電化學法血糖儀。 第二階段：擦血式血糖儀。第二類是無創(chuàng)型血糖檢測儀，主要應用皮下組織間液和紅外光譜分析的原理，主要的產品有 Cygnus 公司的 Gluco Watch 血糖儀和 CME公司的紅外光譜式血糖儀 。之后依次經歷了水洗式的血糖儀、擦血式的血糖儀、比色法血糖儀（包含目視比色法以及光電比色法）、電化學測試法血糖儀、多部位采血的血糖儀、無創(chuàng)的血糖儀以及連續(xù)式的血糖儀等 [4]。如果要進行胰島素定量注射，就必須要事先預知患者體內血糖的濃度。 可以從很大程度上減少醫(yī)生的麻煩，節(jié)省病人的時間，減少了患者的痛苦，提高醫(yī)院的工作效率。 在市場上需求最多的醫(yī)療器械產品是適于基層社區(qū)醫(yī)生應用的，可以面向家庭的便攜式監(jiān)測和治療裝置。如果說現代科學研究得到了質的飛躍，是因為微型計算機的出現，那么可以不夸張的說，在諸多領域得到極為廣泛的應用的 單片機控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、智能化儀器的儀表、辦公自動化等，已走向家庭，單片機的應用從洗衣機、微波爐到音響、汽車，到處都是可以見到的 [3]。而糖尿病病發(fā)后會誘發(fā)各種并發(fā)癥，病患在長時間內可引起眼部疾病，嚴重者會導致失明；腎臟出現問題，嚴重者 會導致腎臟衰竭；以及引起神經功能紊亂。糖尿病是內分泌疾病，而且是無法治愈的終生疾病，給許多的患者及其家庭帶來痛苦和煩惱，目前在全世界的發(fā)病率很高。設計完成的儀表具有操作簡單、測量準確方便的特點，是糖尿病患者自己進行血糖測試的理想儀器。由于血糖濃度檢測時產生的電流是極其微弱的，在本文中 將 重點分析了弱電流信號的檢測方法。 本文以單片機為核心，設計一種便攜式血糖濃度檢測儀表。為實現血糖儀的功能，系統(tǒng)的軟件設計了 : 數據采集及處理子程序、存儲子程序、 A/D 轉換子程序等。世界衛(wèi)生組織將腫瘤、心腦血管疾病、糖尿病列為世界范圍內的三大疑難雜癥。糖尿病的泛濫對人類和社會以及經濟有著極具破壞性的影響。 近年來，人類生活發(fā)生了根本性的改變是由于電子技術的發(fā)展，特別是隨大規(guī)模集成電路產生而出現的微型計算機。利用單片機設計出的電路結構簡單、成本低、可靠性高、布置方便、易于維護滿足了廣大糖尿病患者及其家屬的要求。 血糖自我檢測系統(tǒng)是一個很有開發(fā)前景的硬件設備，患者不用去醫(yī)院，在家就可以自己進行血糖的檢測與控制，是提高我國糖尿病醫(yī)療水平的必備設備之一。但是，這樣的人工注射胰島素的治療方法存在著一定的弊端和危害，注射藥量過多會容易使患者出現低血糖的情況，給患者造成危險甚至威脅生命而不夠安全可靠。 世界上第一臺血糖儀是 1968 年由湯姆?克萊曼斯發(fā)明的。但是這些產品的不足之處在于每次測量時都會給患者帶來巨大的疼痛。它具有比較復雜的操作過程，在試紙上滴入血樣是檢測前 的工作，首先用水沖洗浸泡試紙至少一分鐘，使血液中的紅細胞充分去除，然后再把試紙放入儀器中測試并得出測試結果。兩種常用的比色法為：目視比色法和光電比色法，光電比色法比目視比色法的測量精度更高，測量過程中， 先將血樣滴入試紙，試紙的顏色在反應后將發(fā)生改變，其吸光度可以通過光電法測量，并根據郎伯 —— 比爾定律可以求出血糖濃度，操作簡單，測量結果準確是它的優(yōu)點。測量進度高是其另一大優(yōu)點，目前此種方法被市場上的血糖儀所廣泛采用。 中國公司從 1997 年也開始，對血糖檢測設備和試紙進行開發(fā)及研制，目前比較成功的有上海禾益公司、上海新立醫(yī)療器械公司、臺灣五鼎、德鑫和北京怡成生物電子公司等，這些公司生產的血糖儀和血糖試紙涵蓋了各種檢測方法。 血糖儀的分類 血糖儀從 1968 年由湯姆?克 萊曼斯發(fā)明開始至今歷經 5 個階段，并且可按工作原理、測量方式以及采血方式進行分類。電化學法測試采用酶與葡萄糖反應產生電子，再運用電流計數，然后讀取電子的數量，最后轉化成葡萄糖濃度讀數。 滴血式的血糖儀缺點是較大的采血量和較強的疼痛感，因此患者會感到痛苦。首先，在查閱大量資料的基礎上，比較研究市場上現有的便攜式血糖儀，從而提出本文的設計方法；其次，詳細介紹 了該儀表的整體設計及軟硬件設計；最后，進行抗干擾和低功耗設計，并得出結論。如何通過降低單片機本身的功耗（單片機本身自帶的低 功耗模式）及外電路的功耗，來降低檢測儀整體的功耗，是重點要解決的問題。針對這一功能的儀表通常有 兩種設計方案： 方案一：血糖儀采用交流電源供電，并且血糖儀機身帶有 USB 接口，在單片機外部接有降壓電路，將 220V 電壓降至單片機可接受的電壓范圍，并帶有試條插入開機及蜂鳴器報警等功能。 在市場上常見的便攜式儀器設備中，通常都要求其數據的采集系統(tǒng)要具有速度快、精度高的特點，并且同時具有供電電壓低、體積小以及功耗小等良好特性。 8 顯示分辨率： 1%。 開機方式：試紙插入自動開機和按鍵控制開機。系統(tǒng)整體設計框圖如圖 21 所示。并且由于它具有較高的集成度、豐富的片內外設、超低功耗等優(yōu)點，非常適合本系統(tǒng)對 MCU模 塊的要求。 10 表 21 單片機型號 型號 Flash/字節(jié) RAM/字節(jié) A/D D/A DMA 定時器數量 端口數量 MSP430F1122 4 256 10 位 2 14 MSP430F135 16 12 位 3 48 MSP430F141 32 12 位 3 48 MSP430F167 32 12 位 12 位 √ 3 48 MSP430F169 60 2K 12 位 12 位 √ 3 48 說明：“ √”表示該型號的芯片存在對應功能。 從等待方式喚醒時間： 6μ s。 雙 12 位 D/A 同步轉換。 串行通信 USART1（ UART 和 SPI）接口。 11 因此，本次設計將 MSP430F169 型號的單片機作為血糖儀控制系統(tǒng)的核心。 本設計葡萄糖的檢測傳感器即采用這種電化學生物傳感器，它主要有兩個部分組成：其一為生物分子識別元件（感受器），是具有分子識別能力的葡萄糖氧化酶；其二是信號轉換器（換能器）含有電化學電極（電流的測量）。 溫度傳感器 由于環(huán)境溫度在一定程度上會引起生物酶的活性，對測量結果造成誤差，因此在血糖儀測量血糖的基礎上 增加了溫度測量，并將測量的溫度由LCD 顯示出來。 零待機功耗 適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域 通過這兩種常見溫度傳感器進行的對比，適 合于本次低功耗設計要求的溫度傳感器為 DS18B20。 DS1302 是 DALLAS 公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，內含有一個實時時鐘 /日歷和 31 字節(jié)靜態(tài) RAM,通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘 /日歷電路 .提供秒、分、時、日、日期以及月年的信息 ,每月的天數和閏年的天數可自動調整時鐘操作可通過 AM/PM 指示決定采用 24 或12 小時格式 .DS1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信 ,僅需用到三個口線 : 1 RES 復位； 2 I/O 數據線； 3 SCLK 串行時鐘。功耗低，顯示狀態(tài)時電流為 2μ A(典型值 )，省電模式時小于 1μ A，在2V 電壓工作時，電流只有 300nA。 串行芯片選型 當用單片機和 PC 機通過串口進行通信，盡管單片機有串行通信的功能，但單片機提供的信號電平和 RS232 的標準不一樣，因此要通過 MAX232 這種類似的芯片進行電平轉換。 14 表 23 電平轉換芯片型號 型號 供電電壓（ V） 功耗 (mA) 外接電容（μ F） MAX232 5 5 1（ 4 個） MAX3232 5 或 （ 4 個） MAX3232 具有更低的功耗，因此本次設計的串行通信部分將使用MAX3232 作為電平轉換芯片。常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中。 第 5 腳： RW 為讀寫信號線 ，高電平 (1)時進行讀操作，低電平 (0)時進行寫操作。（ 15 腳背光正極， 16 腳背光負極） 15 第 3 章 硬件設計 在本章內容將較為詳細的介紹血糖儀各組成部分的電路工作原理，為后續(xù)的軟件設計提供基 礎。 單片機最小系統(tǒng)如圖 31 所示。另一個為高速振蕩器，一般稱為第二振蕩器 XT2，它產生時鐘信號 XT2CLK，它的工作特性與 LFXT1CLK 振蕩器工作在高頻模式時類似。 MSP43OF169 的 Pl 和 P2 總共 16 個端口不僅具有普通的輸入 /輸出功能 ,還具有外部中斷功能。 電流檢測電路 弱電流放大電路 血液中的葡萄糖與生物酶傳感器上的葡萄糖氧化酶反應產生的電流是極其微弱的 ,通常為 020μ A。對于一個 12 位的ADC 模塊其分辨率為滿刻度的 1/2^n 即滿刻度的 %。因此要想達到高精度和高靈敏度的測量與放大就要用到高精度的運算放大器，常見的高精度運算放大器有 OP0 OP2OP37 以及 OPA333 等，而新的 OPA333 是零漂移放大器且精確度非常高，且其功耗只有同類最相似器件的十分之一， OPA333 具有偏移超低、靜態(tài)電流超低、封裝很小且工作電壓低至 的特點，因此，它可以滿足醫(yī)療儀表、溫度測量、測試設備、安防和消費類電子系統(tǒng)等方面的應用需求，而且靜態(tài)電流僅為 A，符合本次設計的設計要求。 R1RR3Is32674U9GND GNDVo1KR2100pFC1GND 圖 33 典型 T 型網絡放大電路 其中 R R R3 是三個精密電阻，能保證電路的高靈敏度。圖中的 PLUG 代表酶電極的插頭。 LM358 內部包括有兩個獨立的內部頻率補償的高增益運算放大器；在理想的工作狀態(tài)下，電源電流與其電壓無關。而血液中葡萄糖與生物酶傳感器中的葡萄糖氧化酶氧化還原反應產生的弱電流范圍是 020μ A，即 Vin=20μ A。即 )(2021192119 R RRRRIsVo ???? （ 39） ADC的顯示精度為 。其中工作時的功耗為： 66mW；待機時的功耗為： W。具體電路如下圖 32 所示。當 BT2 電量不足或換電池時 ,BT1 通過 D2 給系統(tǒng)供電 ,繼續(xù)維持設備正常工作。因此當用戶不小心將電池 BT2放置反了 ,既 BT2 兩端的電壓變?yōu)?3V,此時若沒有 D1,芯片很容易燒毀；當接入 D1 時 ,由于 D1 導通 ,BT2 兩端變?yōu)? 左右 ,而不是之前的 3V,此電壓在MSP43OF169 芯片的額定電壓范圍 ,因而能起到保護作用。其中按鍵S1 用于系統(tǒng)的開啟、關閉以及確定選擇項等功能，也可以稱為 OK 鍵； S2具有減的功能，設計為在設置時間、日期或編碼時，按一次減 1，也可以稱之為上鍵；而 S3 具有與 S2 相反的功能，具有加的功能，稱之為下鍵。若要實現按鍵按下時所接的引腳為低電平，則可以通過按鍵的另一端接地，以及配合上拉電阻來實現。由于環(huán)境溫度會影響酶的活性，因此 血糖儀的準確性 會 受 周圍環(huán)境 溫度的影響，其測出的血糖值可能與生化儀測出的靜脈血漿血糖存在一定的 差異。 GND1DQ2VCC3U2DS18B20GNDR310kC15 圖 34 溫度傳感器接口電路 從圖 34 中可以看出，單片機與 DS18B20 芯片的接口非常簡單。 經過查閱資料以及計算得到溫度傳感器接口電路的工作和待機時的功耗。 24 硬件電路也相對比較簡單， MSP430F169 單片機與 DS1302 芯片的接口電路如圖 35 所示。同樣，在緊跟 8位的控制指令字后的下一個 SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數據，讀出數據時從低位 0 位到高位 7。當 RST 為高電平時，所有的 數據傳送 被初始化，允許對 DS1302 進行操作。 經過查閱資料以及計算得到時鐘控制電路的工作和待機時的功耗。因此每個數據占 10個字節(jié)，共需要 1000個字節(jié)即 1000B。 A01A12A23GND4VCC8