【導(dǎo)讀】一種家用醫(yī)療產(chǎn)品。本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種便攜式血糖濃度檢測(cè)儀表。而且在硬件上還要實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)儀器電池供電情況下的工。作時(shí)間和使用壽命。在硬件設(shè)計(jì)上根據(jù)具體需要來(lái)進(jìn)行了硬件選型和電路設(shè)。計(jì)，其中包括MCU模塊、弱電流檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊等。程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等。設(shè)計(jì)完成的儀表具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確方便的。特點(diǎn)，是糖尿病患者自己進(jìn)行血糖測(cè)試的理想儀器。

　　

【正文】 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(diǎn)，因此，它可以滿足醫(yī)療儀表、溫度測(cè)量、測(cè)試設(shè)備、安防和消費(fèi)類電子系統(tǒng)等方面的應(yīng)用需求，而且靜態(tài)電流僅為 A，符合本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。 將檢測(cè)到的弱電流進(jìn)行放大和處理，將此電流變?yōu)閱纹瑱C(jī)可檢測(cè)的電流信號(hào)，所用到的基本的放大電路如圖 32 所示。 RfRRaIs32674U8GND GND GNDIoVo 圖 32 弱電流檢測(cè)電路 在圖 32 中，理想狀態(tài)下電路中的電壓輸入與電流的輸入成比例關(guān)系： fso RIV *?? （ 33） 當(dāng) Ra 固定時(shí)則有： aoo RIV *? （ 34） 18 根據(jù) 31 和 32 得： fsao RIRI ** ?? （ 35） 所以： afso RRII /*?? （ 36） 因此，從上式可以得知若想將微安級(jí)的電流放大到伏級(jí)，要求 Rf達(dá)到千兆歐級(jí)，這樣大的精密電阻難以做到，如果采用 T 型反饋網(wǎng)絡(luò)取代 Rf，則可以大大降低反饋電阻的阻值，有效提高電路的精度和靈敏度。典型的 T 型網(wǎng)絡(luò)放大電路如圖 33 所示。 R1RR3Is32674U9GND GNDVo1KR2100pFC1GND 圖 33 典型 T 型網(wǎng)絡(luò)放大電路 其中 R R R3 是三個(gè)精密電阻，能保證電路的高靈敏度。 C1 用來(lái)提供噪聲抑制和環(huán)路補(bǔ) 償，選用低漏電的聚苯乙烯電容。由集成運(yùn)放的虛短 /虛斷原理，可得輸入與輸出的關(guān)系為： )(32121 RRRRRIsVo ???? （ 37） 19 血糖傳感器接口電路設(shè)計(jì) 血糖檢測(cè)接口電路要實(shí)現(xiàn)小電流信號(hào)的放大和濾波等功能，具體電路如圖 34 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(yùn)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(duì)較穩(wěn)定的單片機(jī)內(nèi)部參考電壓上經(jīng)分壓得 到。圖中的 PLUG 代表酶電極的插頭。 1KR16RPotPLUGR1955KR15760KR14760KR17760KR2055KR2155KR23760KR22760KR24760KC161uFC151uFGND5VGNDD4D Zener32184U7ALM258R25100KC171uF32674U6OPA33332674U8OPA333 圖 34 弱電流檢測(cè)與放大電路 電流檢測(cè)與放大部分的運(yùn)算放大器選用單通道、低功耗、高精度、低噪聲的精密運(yùn)放 OPA333，在濾波部分選用雙差動(dòng)輸入、低功耗運(yùn)算放大器LM258。 如圖 34 所示，酶電極的插頭為圖中的 PLUG。 OPA333 為零點(diǎn)漂移運(yùn)算放大器，有利于提高低輸出電壓的放大效果。 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)母咴鲆孢\(yùn)算放大器；在理想的工作狀態(tài)下，電源電流與其電壓無(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。由運(yùn)算放 大器的理想工作特性知道 Ic≈ 0，即流向運(yùn)算放大器反向端的電流趨近于零，故酶電極在恒電位激勵(lì)下的響應(yīng)電流 Ix， Ix 直接輸入到低功耗運(yùn)算放大器 OPA333 作放大處理，再經(jīng)過(guò)采樣電阻 R22 轉(zhuǎn)換為 20 電壓信號(hào)后通過(guò)雙差動(dòng)輸入、低功耗運(yùn)算放大器 LM258，最后輸入單片機(jī)的串行 A/D 轉(zhuǎn)換端，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算直接在液晶屏上顯示結(jié)果。 由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益： VinVoAu? （ 38） 單片機(jī)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=。而血液中葡萄糖與生物酶?jìng)鞲衅髦械钠咸烟茄趸秆趸€原反應(yīng)產(chǎn)生的弱電流范圍是 020μ A，即 Vin=20μ A。因此可以得出放大器的開環(huán)增益 Au≈165000。也就是需要將弱電流放大 165000 倍。弱電流檢測(cè)與放大電路中運(yùn)用了典型的 T 型網(wǎng)絡(luò)放大電路來(lái)代替單一電阻。即 )(2021192119 R RRRRIsVo ???? （ 39） ADC的顯示精度為 。當(dāng) R1 R20 和 R21 值均為 55KΩ時(shí)， Vo=20uA (55000+55000+55000)=。 ADC 可以識(shí)別并進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 經(jīng)過(guò)查閱資料以及計(jì)算得到弱電流檢測(cè)與放大電路的工作和待機(jī)時(shí)的功耗。其中工作時(shí)的功耗為： 66mW；待機(jī)時(shí)的功耗為： W。 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(jì) ,供電電源采用 5V的鈕扣電池?？紤]到每次換電池時(shí) ,系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位 ,時(shí)間日期和編碼等需 要重新設(shè)置 ,給用戶帶來(lái)不便。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(shí)繼續(xù)給系統(tǒng)供電。具體電路如下圖 32 所示。 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(lái)更換的；而 BT2 則是內(nèi)置的小鈕扣電池是可以充電的。在正常情況下 ,系統(tǒng)由外置電池 BT2 供電，此時(shí)二極管 D2 反向 。同時(shí) ,如果 BT1 電量不足時(shí) ,二極管 D3 導(dǎo)通 ,并且經(jīng)過(guò)電阻 R11給內(nèi)置電池 BT1 充電。當(dāng) BT2 電量不足或換電池時(shí) ,BT1 通過(guò) D2 給系統(tǒng)供電 ,繼續(xù)維持設(shè)備正常工作。總之 ,BT2 有電時(shí) ,系統(tǒng)由它供電 ,同時(shí)對(duì) BT1充電；BT2 沒(méi)電或換電池時(shí) ,系統(tǒng)由內(nèi)置的 BT1 供電 ,繼而方便用戶使用。 D1 用于反向電壓保護(hù)。其導(dǎo)通電壓較低 ,一般不到 。因此當(dāng)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(shí)若沒(méi)有 D1,芯片很容易燒毀；當(dāng)接入 D1 時(shí) ,由于 D1 導(dǎo)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(hù)作用。 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(gè)獨(dú)立按鍵的接線方式，用于按鍵輸入。具體的與單片機(jī)的連接方式如圖 33 所示。 22 S1SWPBS2SWPBS3SWPBGNDR26200kR5200kR6200kR27200kR28200kS4SWPBS5SWPB 圖 33 按鍵處理電路 按鍵控制通過(guò)圖 33 所示的方式直接接入 CPU 的外部中斷口。其中按鍵S1 用于系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉以及確定選擇項(xiàng)等功能，也可以稱為 OK 鍵； S2具有減的功能，設(shè)計(jì)為在設(shè)置時(shí)間、日期或編碼時(shí)，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。 S4可在設(shè)置年、月、日以及日期時(shí)進(jìn)行選擇，稱之為左鍵， S5 具有與 S4 相反的功能，稱之為右鍵。通過(guò)這五個(gè)按鍵可以對(duì)血糖儀進(jìn)行基本的操作。而將MCU 外部的五個(gè)普通 I/O 引腳與五個(gè)按鍵相連接。若要實(shí)現(xiàn)按鍵按下時(shí)所接的引腳為低電平，則可以通過(guò)按鍵的另一端接地，以及配合上拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而便可以實(shí)現(xiàn)各種按鍵功能。 溫度傳感器接口電路 血糖儀使用的是生物酶?jìng)鞲衅鳎瑴囟仁怯绊懫咸烟茄趸复呋磻?yīng)的一個(gè)重要因素，當(dāng)溫度升高時(shí)，葡萄糖氧化酶的活力會(huì)得到提升，加快了催化反應(yīng)的進(jìn)行。另一方面由于葡萄糖氧化酶分子的劇烈震動(dòng)，隨著溫度的提高，將可能導(dǎo)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。由于環(huán)境溫度會(huì)影響酶的活性，因此 血糖儀的準(zhǔn)確性 會(huì) 受 周圍環(huán)境 溫度的影響，其測(cè)出的血糖值可能與生化儀測(cè)出的靜脈血漿血糖存在一定的 差異。 通過(guò)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(cè)的 23 準(zhǔn)確性，在本次設(shè)計(jì)中增加了溫度控制模塊，對(duì)血糖儀的周圍環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。在本設(shè)計(jì)中使用 DS18B20 溫度傳感器來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溫度傳感器提供 9 到 12 位溫度讀數(shù)，可實(shí)現(xiàn) 55℃到 +125℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。它與單片機(jī)的接口電路如圖 34 所示。 GND1DQ2VCC3U2DS18B20GNDR310kC15 圖 34 溫度傳感器接口電路 從圖 34 中可以看出，單片機(jī)與 DS18B20 芯片的接口非常簡(jiǎn)單。將MSP430F169 單片機(jī)的 引腳與 DS18B20 芯片 DQ 引腳連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳 輸。電容與電源相連接，此電容為電路的去耦電容，去耦電容應(yīng)盡量靠近IC 的 VCC 和 GND 引腳 ,應(yīng)選高頻特性好的獨(dú)石或陶瓷電容，可以更好的去除電路中不必要的外界干擾。在電路設(shè)計(jì)中， DQ 線通過(guò) 10K 的電阻拉高，保證總線在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)始終為高電平。 經(jīng)過(guò)查閱資料以及計(jì)算得到溫度傳感器接口電路的工作和待機(jī)時(shí)的功耗。其中工作時(shí)的功耗為： ；待機(jī)時(shí)的功耗為： 0W。 時(shí)鐘及存儲(chǔ)控制電路 時(shí)鐘電路 系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊采用的芯片是 DS1302，可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后其自動(dòng) 運(yùn)行，在需要的時(shí)候可以隨時(shí)讀出，并且具有閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能。 24 硬件電路也相對(duì)比較簡(jiǎn)單， MSP430F169 單片機(jī)與 DS1302 芯片的接口電路如圖 35 所示。 X31000uF/25VC8GNDGNDVCC21X12X23GND4RST5I/O6SCLK7VCC18U3DS1302 圖 35 時(shí)鐘控制 由圖 35 可以看出 DS1302 的外圍電路設(shè)計(jì)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(dāng)使用時(shí)可以外接電池或充電電容，在 VCC2 和 VCC1 兩個(gè)引腳中，選擇電壓高的那個(gè)引腳作為工作電源。 DS1302 芯片的 CE、 I/O 和 SCLK 引腳主要與單片機(jī)的一般 I/O 口進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而 使單片機(jī)能夠?qū)?DS1302 進(jìn)行讀 /寫操作。 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(gè) SCLK 時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。同樣，在緊跟 8位的控制指令字后的下一個(gè) SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位 0 位到高位 7。 RST 為復(fù)位端： RST 引腳的操作非常簡(jiǎn)單，給它高電平表示啟動(dòng)芯片讓芯片工作 (低電平復(fù)位，高電平時(shí)芯片正常 )，給它低電平表示不讓芯片工作。首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入 移位寄存器 。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。當(dāng) RST 為高電平時(shí)，所有的 數(shù)據(jù)傳送 被初始化，允許對(duì) DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳 送過(guò)程中 RST 置為低電平，則會(huì)終止此次 數(shù)據(jù)傳送 ， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc之前， RST 必須保持低電平。 SCLK 為時(shí)鐘輸入端： SCLK 引腳表示時(shí)鐘引腳，它給 I/O 引腳數(shù)據(jù)的傳輸提供時(shí)序。 經(jīng)過(guò)查閱資料以及計(jì)算得到時(shí)鐘控制電路的工作和待機(jī)時(shí)的功耗。其中工作時(shí)的功耗為： W；待 機(jī)時(shí)的功耗為： W。 25 存儲(chǔ)電路 本儀表需要對(duì)最近的 100 次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行保存，每條測(cè)量結(jié)果中包含：時(shí)間、溫度及血糖濃度。其中日歷時(shí)鐘的存儲(chǔ) 需要 6 個(gè)字節(jié) 的存儲(chǔ)容量，溫度存儲(chǔ)需要 2 個(gè)字節(jié)、血糖濃度的存儲(chǔ)需要 2 個(gè)字節(jié)。因此每個(gè)數(shù)據(jù)占 10個(gè)字節(jié)，共需要 1000個(gè)字節(jié)即 1000B。存儲(chǔ)芯片 AT24C02的存儲(chǔ)容量為 256*8即 2KB?？梢詽M足血糖儀存儲(chǔ) 100 條測(cè)量結(jié)果的要求，存儲(chǔ)容量足夠用。保存在單片機(jī)的 RAM 中，以便用戶可以查看近期的測(cè)量結(jié)果，存儲(chǔ)芯片選用的是 AT24C02，主要是通過(guò) I2C 總線實(shí)現(xiàn) 與單片機(jī)的連接，具體的連接電路如圖 36 所示。 A01A12A23GND4VCC8