【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 尿病患者人數(shù)將接近一億，成為僅次于印度的第二個(gè)患糖尿病人數(shù)較多的國(guó)家。糖尿病的泛濫對(duì)人類和社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)有著極具破壞性的影響。而糖尿病病發(fā)后會(huì)誘發(fā)各種并發(fā)癥，病患在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可引起眼部疾病，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致失明；腎臟出現(xiàn)問題，嚴(yán)重者 會(huì)導(dǎo)致腎臟衰竭；以及引起神經(jīng)功能紊亂。此外，還會(huì)增加心臟病的病發(fā)幾率；會(huì)出現(xiàn)中風(fēng)及腿部血流不暢等風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于糖尿病患者來(lái)說，高血糖時(shí)刻威脅著他們的生命安全，雖然無(wú)法根治糖尿病，但是，擁有一種有效且攜帶方便的血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備就成為必要人體血糖濃度的連續(xù)、動(dòng)態(tài)、精確地檢測(cè)是糖尿病預(yù)防和治療的基礎(chǔ)和前提。 近年來(lái)，人類生活發(fā)生了根本性的改變是由于電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)。如果說現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，是因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)的出現(xiàn)，那么可以不夸張的說，在諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用的 單片機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器的儀表、辦公自動(dòng)化等，已走向家庭，單片機(jī)的應(yīng)用從洗衣機(jī)、微波爐到音響、汽車，到處都是可以見到的 [3]。因此，一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志，可以從單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平中看出來(lái)，并已逐步成為標(biāo)志之一。血糖檢測(cè)儀的控 2 制核心就是現(xiàn)階段普遍流行并發(fā)展的單片機(jī)。利用單片機(jī)設(shè)計(jì)出的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、布置方便、易于維護(hù)滿足了廣大糖尿病患者及其家屬的要求。 在市場(chǎng)上需求最多的醫(yī)療器械產(chǎn)品是適于基層社區(qū)醫(yī)生應(yīng)用的，可以面向家庭的便攜式監(jiān)測(cè)和治療裝置。由單純的治療型慢慢向預(yù) 防保健與治療相結(jié)合的模式轉(zhuǎn)變 ， 將成為未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的模式。“性能良好、使用方便”的家庭預(yù)防治療設(shè)備和健康自我檢測(cè)設(shè)備，也隨著個(gè)人健康意識(shí)增強(qiáng)，將成為家庭中的新“家電”。 血糖自我檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)很有開發(fā)前景的硬件設(shè)備，患者不用去醫(yī)院，在家就可以自己進(jìn)行血糖的檢測(cè)與控制，是提高我國(guó)糖尿病醫(yī)療水平的必備設(shè)備之一。 可以從很大程度上減少醫(yī)生的麻煩，節(jié)省病人的時(shí)間，減少了患者的痛苦，提高醫(yī)院的工作效率。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀 糖尿病是一種內(nèi)分泌疾病，而且一旦患有糖尿病，由于其是終生疾病，將會(huì)一直折磨著患者，目前在 全世界的發(fā)病率很高，被醫(yī)學(xué)界成為“不死的癌癥”。自從胰島素于 1921 年第一次被加拿大人 ，在其后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里形成一種能夠有效治療糖尿病的方法就是人工注射胰島素。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(huì)容易使患者出現(xiàn)低血糖的情況，給患者造成危險(xiǎn)甚至威脅生命而不夠安全可靠。如果要進(jìn)行胰島素定量注射，就必須要事先預(yù)知患者體內(nèi)血糖的濃度。因此，血糖儀便在此背景下應(yīng)運(yùn)而生了。 縱觀血糖儀的發(fā)展歷史，便攜式血糖儀都是隨檢測(cè)原理、生物工程技術(shù)，以及更先進(jìn)的 血糖測(cè)量方法的進(jìn)步而發(fā)展的。 世界上第一臺(tái)血糖儀是 1968 年由湯姆?克萊曼斯發(fā)明的。之后依次經(jīng)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(xué)測(cè)試法血糖儀、多部位采血的血糖儀、無(wú)創(chuàng)的血糖儀以及連續(xù)式的血糖儀等 [4]。 3 自第一代血糖儀發(fā)展以來(lái)，至今為止市場(chǎng)上的血糖儀的種類繁多，外形和結(jié)構(gòu)也多種多樣，歸根結(jié)底可分為三大類：第一類為有創(chuàng)或微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀，如針刺采血型血糖儀，國(guó)際上此類產(chǎn)品主要有美國(guó)強(qiáng)生公司的穩(wěn)豪型血糖儀、加拿大測(cè)利得的超值型血糖儀、羅氏樂康全血糖儀、歐姆龍血 糖儀、三諾安穩(wěn)血糖儀等。生產(chǎn)這類產(chǎn)品的廠家較多，且有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，發(fā)展相對(duì)成熟。但是這些產(chǎn)品的不足之處在于每次測(cè)量時(shí)都會(huì)給患者帶來(lái)巨大的疼痛。第二類是無(wú)創(chuàng)型血糖檢測(cè)儀，主要應(yīng)用皮下組織間液和紅外光譜分析的原理，主要的產(chǎn)品有 Cygnus 公司的 Gluco Watch 血糖儀和 CME公司的紅外光譜式血糖儀 。 第三類是連續(xù)式血糖檢測(cè)儀，主要有美國(guó)雷蘭、Mini Med 公司的產(chǎn)品，手表式血糖儀。 血糖儀發(fā)展至今一共經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段： 第一階段：水洗式血糖儀。它具有比較復(fù)雜的操作過程，在試紙上滴入血樣是檢測(cè)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(xì)胞充分去除，然后再把試紙放入儀器中測(cè)試并得出測(cè)試結(jié)果。 第二階段：擦血式血糖儀。試紙不需要被放入水中浸泡及沖洗，當(dāng)血樣滴入試紙，產(chǎn)生反應(yīng)后將試紙上的血細(xì)胞擦去即可進(jìn)行測(cè)試，擦血式血糖儀的體積比水洗式血糖儀要小，易于攜帶也更方便患者操作，但仍需要采集較多的血樣，同時(shí)需要等待 60 秒左右才能完成一次檢測(cè)是它的不足之處，因此產(chǎn)生了比色法血糖儀。 第三階段：比色法血糖儀。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(cè)量精度更高，測(cè)量過程中， 先將血樣滴入試紙，試紙的顏色在反應(yīng)后將發(fā)生改變，其吸光度可以通過光電法測(cè)量，并根據(jù)郎伯 —— 比爾定律可以求出血糖濃度，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確是它的優(yōu)點(diǎn)。 第四階段：電化學(xué)法血糖儀。兩種電化學(xué)法為：葡萄糖氧化酶電極測(cè)量法和葡萄糖脫氫酶電極測(cè)量法，將血樣中的葡萄糖，同試紙中的酶進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)是它們的共同特點(diǎn)，在反應(yīng)過程中產(chǎn)生電子，定向電流通過一定的激勵(lì)電壓產(chǎn)生，而測(cè)量血糖濃度則通過測(cè)定電流大小來(lái)測(cè)量。由于葡萄糖脫氫酶不僅可以和血液中的葡萄糖進(jìn)行反應(yīng)，還和人體中的麥芽糖、半乳糖等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這就造成了對(duì)測(cè)量血糖存 在一定程度的誤差，因此針對(duì)這一不足之處多采用葡萄糖氧化酶電極測(cè)量法，大大縮短它的測(cè)量時(shí)間。測(cè)量進(jìn)度高是其另一大優(yōu)點(diǎn)，目前此種方法被市場(chǎng)上的血糖儀所廣泛采用。 4 第五階段：微采血量、多部位采血血糖儀。這類血糖儀彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的僅能手指采血的缺點(diǎn)，采血的部位可以在四肢、手掌等多部位進(jìn)行采血，降低采血量至 微升，因此未來(lái)血糖儀的市場(chǎng)上，這種幾乎不會(huì)感覺到疼痛的血糖儀必將會(huì)成為主流產(chǎn)品。 縱觀血糖儀歷史的五個(gè)階段可以發(fā)現(xiàn)，體積更小、操作更簡(jiǎn)單、使患者更方便、精度更高、采血量更少，成為血糖儀的發(fā)展趨勢(shì)。 中國(guó)公司從 1997 年也開始，對(duì)血糖檢測(cè)設(shè)備和試紙進(jìn)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(tái)灣五鼎、德鑫和北京怡成生物電子公司等，這些公司生產(chǎn)的血糖儀和血糖試紙涵蓋了各種檢測(cè)方法。微創(chuàng)血糖儀在近年占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主流，可以方便、快捷的利用血糖儀和與之配套的試條測(cè)量血糖。而便攜式血糖儀也憑著其小巧、攜帶方便、快速、需血量少、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，成為自我檢測(cè)血糖儀的主流。因此，自我檢測(cè)的便攜式血糖儀，成為糖尿病患者自我檢測(cè)和防止病情惡化的首選。 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(jīng) 5 個(gè)階段，并且可按工作原理、測(cè)量方式以及采血方式進(jìn)行分類。 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。 光電血糖儀有一個(gè)光電頭，其光電探測(cè)頭很容易受到污染，因?yàn)樘筋^暴露在空氣里，進(jìn)而會(huì)影響到血糖測(cè)試的結(jié)果，因此使用壽命比較短，一般在兩年之內(nèi)是比較準(zhǔn)確的，兩年后需要定期做校準(zhǔn)；而電極型的測(cè)試原理比較科學(xué)，電極口內(nèi)藏，可以避免污染，并且測(cè)試的精度比較高，因此在正常使用的情況下，不需要校準(zhǔn)，壽命長(zhǎng)。 按照常 見的測(cè)糖方法可以分為：電化學(xué)法測(cè)試和光反射技術(shù)測(cè)試。電化學(xué)法測(cè)試采用酶與葡萄糖反應(yīng)產(chǎn)生電子，再運(yùn)用電流計(jì)數(shù)，然后讀取電子的數(shù)量，最后轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度讀數(shù)。后者是通過酶與葡萄糖的反應(yīng)產(chǎn)生中間 5 （帶顏色）物質(zhì)，運(yùn)用檢測(cè)器檢測(cè)試紙反射面的反射光的強(qiáng)度，將這些反射光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度。 現(xiàn)在多數(shù)血糖儀都是破損型的，就是需要采血來(lái)測(cè)定血糖值。采血型的便攜式血糖儀從采血方式上有兩種，一種是滴血式（也叫抹血式），一種是吸血試。 滴血式的血糖儀缺點(diǎn)是較大的采血量和較強(qiáng)的疼痛感，因此患者會(huì)感到痛苦。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(cè)試結(jié)果會(huì)被影響，如果采血量不夠，不僅會(huì)造成操作失敗還會(huì)浪費(fèi)試紙，而這種血糖儀多為光電式的。 吸血式的血糖儀，試紙自己會(huì)控制血量，不會(huì)出現(xiàn)采集血量多或少的情況，而且操作方便，用試紙采血的部位輕觸血滴的液面即可。 本文所做的工作 本文根據(jù)選題的要求，完成基于單片機(jī)的便攜式血糖檢測(cè)儀器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，將從以下幾個(gè)方面對(duì)便攜式血糖檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)展開研究。首先，在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，比較研究市場(chǎng)上現(xiàn)有的便攜式血糖儀，從而提出本文的設(shè)計(jì)方法；其次，詳細(xì)介紹 了該儀表的整體設(shè)計(jì)及軟硬件設(shè)計(jì)；最后，進(jìn)行抗干擾和低功耗設(shè)計(jì)，并得出結(jié)論。本設(shè)計(jì)的血糖儀采用生物電化學(xué)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)血糖值的檢測(cè)，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采用低噪聲弱電流檢測(cè)技術(shù)；為實(shí)現(xiàn)便攜式的功能，硬件采用低功耗設(shè)計(jì)。面臨的關(guān)鍵技術(shù)有： 由于血液與血糖酶反應(yīng)產(chǎn)生電流極其微弱，可檢測(cè)的電流在幾微安到幾十微安，本設(shè)計(jì)儀表要對(duì)檢測(cè)電路特殊處理，比如采用低噪聲差分檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)儀表為便攜式、電池供電，硬件設(shè)計(jì)采用低功耗模式。如何通過降低單片機(jī)本身的功耗（單片機(jī)本身自帶的低 功耗模式）及外電路的功耗，來(lái)降低檢測(cè)儀整體的功耗，是重點(diǎn)要解決的問題。 6 如何將采集到的電流值轉(zhuǎn)化為血糖值，可采用最小二乘法進(jìn)行回歸計(jì)算血糖值；如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)抗干擾，可引入數(shù)字濾波算法 ,提高檢測(cè)精度。 ,上傳給 PC 機(jī)，實(shí)現(xiàn)血糖濃度的定期監(jiān)測(cè)、自動(dòng)分析和管理。 7 第 2 章 血糖儀的方案設(shè)計(jì)與選型 儀表原理與方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)便攜式血糖檢測(cè)儀，不論是醫(yī)用還是家用，它的應(yīng)用領(lǐng)域都十分廣泛。針對(duì)這一功能的儀表通常有 兩種設(shè)計(jì)方案： 方案一：血糖儀采用交流電源供電，并且血糖儀機(jī)身帶有 USB 接口，在單片機(jī)外部接有降壓電路，將 220V 電壓降至單片機(jī)可接受的電壓范圍，并帶有試條插入開機(jī)及蜂鳴器報(bào)警等功能。 方案二：設(shè)計(jì)一種便攜式血糖檢測(cè)儀，采用電池供電，因此在硬件上就要采用低功耗設(shè)計(jì)，檢測(cè)中采用試條插入開機(jī)及按鍵開機(jī)兩種開機(jī)模式，并帶有自檢功能判斷儀器的可靠性，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)保存等功能。 通過兩種方案進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)方案二比方案一更具有實(shí)用性。方案一若測(cè)試地點(diǎn)停電或根本不具備電源的情況下就影響了血糖的檢測(cè)，而方案二的便攜式血糖儀采 用電池供電，就會(huì)避免類似情況的發(fā)生，保證了緊急情況下對(duì)患者的病情按時(shí)監(jiān)測(cè)。 在市場(chǎng)上常見的便攜式儀器設(shè)備中，通常都要求其數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)要具有速度快、精度高的特點(diǎn)，并且同時(shí)具有供電電壓低、體積小以及功耗小等良好特性。因此在本次設(shè)計(jì)中也不例外，采用兩粒的紐扣電池作為供電電源 ，為了達(dá)到易于攜帶以及低功耗等設(shè)計(jì)要求，顯示器采用液晶屏，單片機(jī)及外圍硬件芯片都采用低功耗芯片；同時(shí)設(shè)計(jì)了上位機(jī)通訊模塊，使得用戶可以通過 PC 機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血糖數(shù)據(jù)校正、打印和描繪數(shù)據(jù)曲線等操作。 主要技術(shù)指標(biāo) 本文所設(shè)計(jì)的便攜式血糖檢測(cè)儀包含以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)： 供電電源：兩粒 5V電壓的紐扣電池。 測(cè)量范圍： 。 8 顯示分辨率： 1%。 測(cè)量精度： 5%。 測(cè)量時(shí)間： 20 秒。 存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)記錄最近 100 次的測(cè)量結(jié)果以及相對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間和溫度。 開機(jī)方式：試紙插入自動(dòng)開機(jī)和按鍵控制開機(jī)。 血糖儀工作原理 本設(shè)計(jì)中傳感器是用生物傳感器 —— 葡萄糖氧化酶電極進(jìn)行血糖測(cè)試，采集血液中的葡萄糖會(huì)與葡萄糖氧化酶進(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生弱電流信號(hào)，之后將產(chǎn)生的弱電流通過反饋電路進(jìn)行信號(hào)放大，由于此信號(hào)非 常小，不便于測(cè)量，因此要通過硬件電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將采集到的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并對(duì)該電壓信號(hào)通過放大器進(jìn)行放大和硬件濾波處理。在 A/D 轉(zhuǎn)換模塊中將采集放大后得到的電壓信號(hào)在單片機(jī)中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理得到葡萄糖的濃度值，最后通過 LCD 顯示此結(jié)果。 儀表方案設(shè)計(jì) 根據(jù)前面儀表的原理與功能分析、要求可以知道，本設(shè)計(jì)的硬件主要由：MCU 模塊、弱電流檢測(cè)與放大模塊、按鍵輸入模塊、 LCD 顯示模塊、TTLRS232 轉(zhuǎn)換模塊及電源控制模塊等組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示。 9 單 片 機(jī)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(shí) 鐘 及 存儲(chǔ) 電 路P C 機(jī)溫 度 傳 感器 圖 21 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 MCU 模塊是系統(tǒng)的核心，它需要完成傳感器信號(hào)的采集與處理、 LCD的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，讀取按鍵的狀態(tài)、與上位機(jī)的通信等。因此需要對(duì)單片機(jī)合理的選型，才能保證儀表設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 MCU 模塊選型 由于本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于血糖儀的低功耗和弱電流檢測(cè)技術(shù)，而MSP430 系列單片機(jī)是 TI 公司推出的一種 16 位單片機(jī)。并且由于它具有較高的集成度、豐富的片內(nèi)外設(shè)、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)對(duì) MCU模 塊的要求。 與其他單片機(jī)相比， MSP430 系列單片機(jī)具有超低功耗，電源電壓采用，待機(jī)電流小于 1μ A，在 RAM 數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電電流小于 μ A,在活動(dòng)模式時(shí)耗電 250μ A/MIPS(MIPS 表示每秒百萬(wàn)條指令 )， I/O 端口的漏電流最大為 50nA，遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品。并且在系統(tǒng)整合方面根據(jù)不同的需要，集成了多種功能模塊，包括定時(shí)器、模擬比較器、多功