【導(dǎo)讀】一種家用醫(yī)療產(chǎn)品。本文以單片機為核心，設(shè)計一種便攜式血糖濃度檢測儀表。而且在硬件上還要實現(xiàn)低功耗設(shè)計，延長儀器電池供電情況下的工。作時間和使用壽命。在硬件設(shè)計上根據(jù)具體需要來進行了硬件選型和電路設(shè)。計，其中包括MCU模塊、弱電流檢測模塊、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)計完成的儀表具有操作簡單、測量準(zhǔn)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。

　　

【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，因此，它可以滿足醫(yī)療儀表、溫度測量、測試設(shè)備、安防和消費類電子系統(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)計的設(shè)計要求。 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。 RfRRaIs32674U8GND GND GNDIoVo 圖 32 弱電流檢測電路 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的電流放大到伏級，要求 Rf達到千兆歐級，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 是三個精密電阻，能保證電路的高靈敏度。 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。由集成運放的虛短 /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 血糖檢測接口電路要實現(xiàn)小電流信號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。圖中的 PLUG 代表酶電極的插頭。 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。 如圖 34 所示，酶電極的插頭為圖中的 PLUG。 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。 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的內(nèi)部頻率補償?shù)母咴鲆孢\算放大器；在理想的工作狀態(tài)下，電源電流與其電壓無關(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算放大器的場合。由運算放 大器的理想工作特性知道 Ic≈ 0，即流向運算放大器反向端的電流趨近于零，故酶電極在恒電位激勵下的響應(yīng)電流 Ix， Ix 直接輸入到低功耗運算放大器 OPA333 作放大處理，再經(jīng)過采樣電阻 R22 轉(zhuǎn)換為 20 電壓信號后通過雙差動輸入、低功耗運算放大器 LM258，最后輸入單片機的串行 A/D 轉(zhuǎn)換端，經(jīng)單片機計算直接在液晶屏上顯示結(jié)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=。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(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。即 )(2021192119 R RRRRIsVo ???? （ 39） ADC的顯示精度為 。當(dāng) R1 R20 和 R21 值均為 55KΩ時， Vo=20uA (55000+55000+55000)=。 ADC 可以識別并進行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 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。其中工作時的功耗為： 66mW；待機時的功耗為： 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 ,供電電源采用 5V的鈕扣電池?？紤]到每次換電池時 ,系統(tǒng)自動復(fù)位 ,時間日期和編碼等需 要重新設(shè)置 ,給用戶帶來不便。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，此時二極管 D2 反向 。同時 ,如果 BT1 電量不足時 ,二極管 D3 導(dǎo)通 ,并且經(jīng)過電阻 R11給內(nèi)置電池 BT1 充電。當(dāng) 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(shè)備正常工作?？傊?,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。 D1 用于反向電壓保護。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,此時若沒有 D1,芯片很容易燒毀；當(dāng)接入 D1 時 ,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獨立按鍵的接線方式，用于按鍵輸入。具體的與單片機的連接方式如圖 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)閉以及確定選擇項等功能，也可以稱為 OK 鍵； S2具有減的功能，設(shè)計為在設(shè)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。 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。通過這五個按鍵可以對血糖儀進行基本的操作。而將MCU 外部的五個普通 I/O 引腳與五個按鍵相連接。若要實現(xiàn)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(xiàn)。從而便可以實現(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傳感器，溫度是影響葡萄糖氧化酶催化反應(yīng)的一個重要因素，當(dāng)溫度升高時，葡萄糖氧化酶的活力會得到提升，加快了催化反應(yīng)的進行。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(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)境溫度會影響酶的活性，因此 血糖儀的準(zhǔn)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。 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(zhǔn)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。在本設(shè)計中使用 DS18B20 溫度傳感器來對溫度進行監(jiān)測，溫度傳感器提供 9 到 12 位溫度讀數(shù)，可實現(xiàn) 55℃到 +125℃范圍內(nèi)的溫度測量。它與單片機的接口電路如圖 34 所示。 GND1DQ2VCC3U2DS18B20GNDR310kC15 圖 34 溫度傳感器接口電路 從圖 34 中可以看出，單片機與 DS18B20 芯片的接口非常簡單。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。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。 經(jīng)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。其中工作時的功耗為： ；待機時的功耗為： 0W。 時鐘及存儲控制電路 時鐘電路 系統(tǒng)的時鐘模塊采用的芯片是 DS1302，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行設(shè)置。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。 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。 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(dāng)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。 DS1302 芯片的 CE、 I/O 和 SCLK 引腳主要與單片機的一般 I/O 口進行連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而 使單片機能夠?qū)?DS1302 進行讀 /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 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。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(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位 0 位到高位 7。 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。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，所有的 數(shù)據(jù)傳送 被初始化，允許對 DS1302 進行操作。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)。上電運行時，在 Vcc之前， RST 必須保持低電平。 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。 經(jīng)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。其中工作時的功耗為： W；待 機時的功耗為： W。 25 存儲電路 本儀表需要對最近的 100 次測量結(jié)果進行保存，每條測量結(jié)果中包含：時間、溫度及血糖濃度。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)。因此每個數(shù)據(jù)占 10個字節(jié)，共需要 1000個字節(jié)即 1000B。存儲芯片 AT24C02的存儲容量為 256*8即 2KB。可以滿足血糖儀存儲 100 條測量結(jié)果的要求，存儲容量足夠用。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。 A01A12A23GND4VCC8