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如何使用8位单片机设计一款灵活的低成本血糖仪
点击次数:19 发布时间:2020-11-30

       世界上的糖尿病患者约占人口总数的 8.5%,现已成为第八大主要致死原因。据世界卫生组织估算,糖尿病将在 2030 年升至第七位。这种增长趋势可从近年来的统计数据看出:糖尿病的死亡病例从 2000 年的 100 万增至 2011 年的 140 万。控制糖尿病的一种主要方法是使血糖尽可能地保持正常水平。这导致对血糖仪的需求日益增加。

        

       血糖仪是一种用于确定溶液中葡萄糖浓度的医疗设备。葡萄糖浓度的单位是毫克每分升(mg/dl)或毫摩尔每升(mmol/l)。血糖仪已成为糖尿病患者使用的家用血糖监测设备的重要组成部分。一天内可进行多次测量。大多数血糖仪基于电化学技术。这些血糖仪采用电化学试纸进行测量。将一小滴待测溶液置于一次性试纸上,血糖仪将利用该试纸来测量葡萄糖。在葡萄糖的电化学测量中,**常用的两种方法是比色法和电流法。在比色法中,LED或光传感器等构成模拟接口。跨阻放大器用于测量葡萄糖浓度。利用颜色反射率原理,根据光度测定法来确定试纸反应层的色彩强度。血糖仪生成葡萄糖浓度的测量值。

        

       在电流法中,使用毛细管吸取试纸一端的溶液。此试纸还包含一个酶电极,其中含有葡萄糖氧化酶等试剂。葡萄糖在酶的作用下发生化学反应并在化学反应期间生成电子。随后测量流经电极的电荷,电荷量与溶液中的葡萄糖浓度成正比。此外,还会测量环境温度以补偿温度对反应速率的影响。大多数血糖仪采用此方法。图1给出了试纸的工作原理。

       图1:血糖仪试纸工作原理
 

       试纸构成主生化传感器(溶液试样置于其中),它具有三个电极。化学反应期间,工作电极中会产生电子。此电极与电流到电压放大器相连。参考电极的电压相对于工作电极保持恒定,以便推动所需的化学反应。第三个电极是计数器电极,PCBA方案开发作用是为工作电极提供电流。大多数血糖仪设计仅采用参考电极和工作电极。应向参考电极施加精确的参考电压(VREF),向运放施加精确的偏置电压(VBIAS)。

        

       通过这种方法,工作电极和参考电极之间将保持精确的电位差。此电压是用于驱动试纸输出电流的激励,其幅值随后用于计算产生的电子数量。

        

       将溶液试样置于试纸上,葡萄糖在酶的作用下发生化学反应。化学反应期间会产生电子。电子的流动对应于流经工作电极和参考电极的电流。此电流将随葡萄糖浓度的变化而变化。电流可通过跨阻放大器(电流到电压转换器)和模数转换器(ADC)进行测量。PCB控制板开发跨阻放大器的输出电压将随溶液中葡萄糖浓度的变化而变化。

        

       数字实现方案

        

       血糖仪的数字实现方案可通过Microchip的8位器件PIC16LF178x实现,如图2所示。这款PIC器件以其超低功耗著称。它包含两个运放、两个8位数模转换器、一个**多11个通道的ADC、内部EEPROM、I2C和16位定时器。

       图2:血糖仪框图
 

       将溶液试样置于试纸上时,葡萄糖会发生化学反应并产生电子。PCB电路板设计可以测量电子的流动(流经电极的电流)。此电流将随葡萄糖浓度的变化而变化。可借助电流到电压的转换,并通过PIC器件的内部放大器以及对高频信号的滤波来测量电流。随后,滤波后的信号馈送至12位ADC模块。

        

       将溶液试样置于试纸上1.5秒后,PIC器件开始捕捉ADC通道的电压。可获得约2048个ADC读数。将这些读数的平均值代入回归公式Y=mX+C,其中Y是葡萄糖浓度(单位为mg/dl),m是斜率,X是运放输出电压的平均ADC读数,C是常数。

        

       可利用此回归公式确定葡萄糖浓度,值显示在LCD上(单位为mg/dl或mmol/l)。内部EEPROM**多可存储32个血糖读数,可稍后在LCD上查看这些读数。血糖仪演示板可由板上锂电池(3V、225 mAH的CR2032)供电。开始捕捉ADC值的时间(1至1.5秒)和获取的ADC读数数量应根据所用试纸的类型和特性适当修改。

        

       硬件设计

        

       此血糖仪的设计规范要求葡萄糖的测量范围为20至600 mg/dl(相当于1至33mmol/l)。测试结果需要在5秒内显示。**近的32个葡萄糖读数应自动存储并包含日期和时间标记。由于此血糖仪将根据试纸特性来实现和修改通用回归公式,因此无需对试纸进行编码。

        

       此血糖仪仅采用了一块电路板,其上使用28引脚PIC16LF178x器件。在线串行编程连接用于调试和编程。除了以mg/dl和mmol/l为单位显示葡萄糖测量结果外,LCD还能显示指导消息,如“Insert test strip”(请插入试纸)、“Strip inserted, place the sample”(已插入试纸,请放置试样)以及“Faulty test strip”(试纸错误)。需要适当的传感器来检测是否插入试纸、测量温度以及检查电池的健康状况。单片机开发此血糖仪有两个按钮,一个用于读取之前存储的数据,另一个用于设置日期和时间。

        

       固件特性

        

       固件需通过PIC器件的内部运放、DAC和ADC来检测试纸电流。插入试纸并检查到电压升高450 mV后,需要捕捉ADC读数。将试样置于试纸上并计算出平均值1.5秒后开始记录ADC读数。葡萄糖浓度可根据回归公式和平均ADC读数进行计算。

        

       固件模块可用于LCD接口和显示程序、运放的配置、DAC的配置、将葡萄糖读数存储到内部EEPROM、读取ADC通道、计算葡萄糖浓度以及通过将定时器用于时间标记来实现RTCC(实时时钟和日历)。

        

       配置

        

       DAC的参考电压与内部的固定参考电压缓冲器2相连,配置为2.048V。DAC输出电压设置为400 mV。

        

       运放的输出(电流到电压转换器的输出)通过ADC通道0进行测量。ADC通道3用于测量电池电压以指示低电量状态。温度传感器的输出与ADC通道8相连以读取温度。

        

       葡萄糖读数存储在内部EEPROM中。休眠模式期间,如果按下开关S1,PIC器件进入存储器模式,LCD上显示存储的葡萄糖读数。要查看之前的葡萄糖读数,需按下开关S3。再次按下开关S1可退出存储器模式。

        

       16 x 2字符LCD用于显示葡萄糖读数和文本消息。通过单片机的端口引脚控制LCD的VSS,智能控制器开发可在休眠模式期间切断LCD的电源。

        

       定时器和外部32.768 kHz时钟晶振用于实现RTCC。通过开关S1和S3可为RTCC设置当前日期和时间。

        

       如图3所示,运放的同相输入通道与DAC的输出(设置为400 mV)相连。运放的同相端子与工作电极相连。借助外部电阻和电容,可构成电流到电压转换器。运放的输出与PIC器件的ADC通道相连。

       图3:运放配置
 

       血糖仪在工作模式下的电流消耗约为1.1 mA,在休眠模式下的电流消耗约为3 μA。血糖仪在99.5%的时间内处于休眠模式。

        

       葡萄糖测量受到温度、湿度和海拔等外部因素影响,因为酶的反应速率取决于这些及其他因素。此外,通过Matlab或Microsoft Excel确定的回归公式需要针对不同化学特性的试纸相应更改。当设计与特殊试纸搭配使用的血糖仪时,必须考虑这些因素。

        

       PIC16LF178X MCU集成运放、12位ADC、DAC以及EEPROM,这种组合适合此类需要精确测量和较低电流消耗的电池供电应用。这意味着PIC器件可用于实现灵活的低成本血糖仪设计。


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