基于MSP430单片机的电化学传感检测系统设计

2010年第29卷第LO期传感器与微系统TRANSDUCERANDMICROSYSTEMTECHNOLOGIES87设计与制造S、0基于MSP430单片机的电化学传感检测系统设计姜利英，谢小品，姚斐斐，陈青华，崔光照郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南郑州450002摘要介绍了一种基于单片机的小型电化学传感检测系统，详述了检测系统的整体设计框架和各模块设计。检测系统内部设计有绝对值电路和峰值电流检测电路，大大提高了检测系统的性能。通过对葡萄糖传感器和乳酸传感器进行实验，结果表明检测系统性能可靠，操作简单，与传统电化学工作站有很好的线性相关性。关键词单片机；电化学；生物传感器；检测系统中图分类号TM93884文献标识码A文章编号10009787201010008703DESIGNOFELECTROCHEMICALSENSINGANDDETECTINGSYSTEMBASEDONMSP430MICROCONTROLLERJIANGLIYING，XIEXIAOPIN，YAOFEIFEI，CHENQINGHUA，CUIGUANGZHAOINSTITUTEOFELECTRICALANDINFORMATIONENGINEERING，ZHENGZHOUUNIVERSITYOFLIGHTINDUSTRY，ZHENGZHOU450002，CHINAABSTRACTTHEOVERALLDESIGNOFFRAMEWORKANDEACHMODULEOFASMALLELECTROCHEMICALSENSINGANDDETECTINGSYSTEMBASEDONMSP430MICROCONTROLLERISINTRODUCEDTHEABSOLUTEVALUECIRCUITANDPEAKCURRENTDETECTORCIRCUITAREDESIGNEDINTHISSYSTEM，THEPERFORMANCEISHIGHLYIMPROVEDTHEGLUCOSEBIOSENSORANDLACTATEBLOSENSORISTESTEDANDTHERESULTSSHOWTHATTHEOUTPUTOFDETECTINGSYSTEMHASGOODLINEARCORRELATIONWITHTHECONVENTIONALELECTROCHEMICALPOWERTWORKSTATIONKEYWORDSMICROCONTROLLER；ELECTROCHEMICAL；BIOSENSOR；DETECTINGSYSTEM0引言电化学生物传感器是一个涉及生物、化学、材料、物理、医学，以及纳米技术、微电子技术、信息技术等多学科交叉技术，被广泛应用于医疗检测、环境监测、食品安全和国防等领域，是目前国内外研究的热点之一LL，2J。当前国内关于生物传感器的研究主要集中在电极制作方面，大多采用价格昂贵、体积较大的电化学检测设备，优点是检测精度高、功能强大，但不利于非传统电极尤其是电极阵列的研究，限制了生物传感器的实用化J。本文设计的小型电化学传感检测系统具有操作简单、性能可靠、扩展性好等特点，且便于改造成为实验室用于对非传统电极和电极阵列的研究。1系统设计系统硬件结构框图如图1所示，包括以下几个部分1生物传感器在一个恒定的工作电压下，将不同测量参数的浓度值转换成对应的微弱电流信号；2恒电位电路为生物传感器提供一个恒定的工作电压；3微电流检测单元将生物传感器产生的微弱电流信号进行IV转换、放大、绝对值输出、峰值电流检测等处理，输出信号送主控制器进行处理；4主控制器模块负责AD采样、生物传感器工作电压的配置及控制数据存储、液晶显示、与上位机进行数据通信等；5电源模块为系统提供5，一5，33V三种电源。图1检测系统框图FIG1BLOCKDIAGRAMOFDETECTIONSYSTEM2硬件设计21生物传感器根据被测参数响应原理可采用两电极工作电极、假参比电极或三电极工作电极、对电极、参比电极系统。从制作成本、批量加工等方面考虑，采用塑料做电极基底，收稿日期20100122基金项目河南省科技攻关计划重点资助项目082102220015，09210231002788传感器与微系统第29卷在塑料基片上刻绘电极图案后，通过MEMS技术在其上溅射金电极层，去除掩模后，将塑封膜粘结在塑料基片上，隔离出电化学反应沟道。根据被测参数的不同，可在纳米修饰电极表面固定相应的敏感分子制备传感器J，本系统所用传感器电极均为本实验室自行加工制作。22恒电位仪模块恒电位仪是各种三电极电化学传感器的接口，电路如图2所示。其作用是将外部激励信号传感器工作电压准确地施加于传感器工作电极与参比电极之间，驱动样品溶液发生电化学反应产生电流。电流经过采样电阻器R，在端就形成电压信号，为避免空间中的干扰信号，在采样电阻器两端并联一只电容器C，其作用是形成低通滤波器的结构，滤除高频杂波信号J。另外要注意的是不同的参数其产生的电流方向不同，如，葡萄糖、乳酸、血红素等，电流是流向工作电极W的，故在端产生的电压对地为正，相反，如，肌酸激酶、谷草转氨酶、谷丙转氨酶等，电流是流向采样电阻器R的，其在端产生的电压对地为负。两电极系统，只需将R与C短接。本系统设计的恒电位电压由DAC5571产生，输出电压范围为033V，通过一个反相射极跟随器可实现330V电压输出，两路信号通过电子开关控制，具体工作电压可方便地由系统软件进行配置。盂图2恒电位与IV转换电路FIG2CONSTANTPOTENTIALANDIVCONVERTERCIRCUIT23微电流检测单元微电流检测单元主要包括IV转换后的电压放大电路、绝对值输出电路和峰值电流检测电路。由于不同参数输出电流大小和方向不同，经LV转换后的电压需要经过不同增益的放大电路，放大电路的增益可以通过可调增益放大器来实现；而电压极性有正、负2种可能，以避免同时处理2种极性的电压增加电路的复杂度，本设计增加了绝对值电路如图3所示，将可能出现的负电压情况转换为等值的正电压。当系统进入测量程序后，程序便开始等待传感器输出电流达到峰值。峰值电流检测电路如图4所示，其在电流斜率值由正变负的瞬间使能输出信号PEAK为低电平，使处理器对其进行一系列的运算处理。这种设计消除了不同传感器响应时间不同造成的误差，提高了系统检测精度。F，24J图3绝对值输出电路FIG3OUTPUTOFABSOLUTEVALUECIRCUIT图4峰值电流检测电路FIG4PEAKCURRENTDETECTIONCIRCUIT24主控制器模块根据检测系统功能的实际需求，结合MSP430系列单片机特点，采用MSP430F149作为主控制器，负责AD采集、DA控制输出、数据存储、液晶显示及按键、蜂鸣器、串口通信等。MSP430丰富的片内资源为检测系统的设计带来了极大的方便，且具有功能强、功耗低、性能可靠等特点。3软件设计系统软件设计包括两部分单片机执行程序和上位机应用程序界面。单片机执行程序设计了循环伏安法、电流一时间法、微分脉冲伏安法3种电化学检测方法，能够满足大多数生物传感器电极的检测要求。电化学检测参数可以通过键盘和上位机应用程序界面2种方式输入，关键输出值和待测物浓度值通过液晶显示，上位机应用程序界面可动态显示电流的输出曲线。31单片机执行程序本设计采用模块化程序设计方法并利用MSP430单片机的5种低功耗模式来降低系统功耗，使检测系统完成一次测试之后，尽量进入低功耗模式，再由外部按键中断唤醒以重新开始测试，主程序框架如图5所示。32上位机应用程序上位机应用程序的功能是与单片机通信并控制其运行，为用户提供交互界面。该应用程序选用MATHWORKS公司的MATLAB70作为开发工具，其强大的数学运算和作图功能，可极大提高开发效率。4实验结果分别以葡萄糖和乳酸测试为例，制备葡萄糖传感器和乳酸传感器一批。通过CHI660A和检测系统分别进行测第LO期姜利英，等基于MSP430单片机的电化学传感检测系统设计89图5系统主程序流程图FIG5FLOWCHARTOFSYSTEMMAINPROGRAM试，葡萄糖的测试值在0522MOLL范围内有很好的线性关系，相关系数达到09943，乳酸的测试值在120MOLL范围内有很好的线性关系，相关系数达到09948，相关性对比如图6，图7所示。图6FIG6比AND05L0152O253O35CHI660A测试值A图7乳酸CHI660A测试值与检测系统测试值相关性对比FIG7COMPARISONOFLACTATECHI660AMEASUREMENTVALUEANDTESTVALUEOFDETECTINGSYSTEMTTTPPPP、0上接第86页8KJETILH，ANDR6AMUHISENSORREALTIMERISKASSESSMENTUSINGCONTINUOUSTIMEHIDDENMARKOVMODELSCPROCEEDINGSOFTHEINTERNATIONALCONFERENCEONCOMPUTATIONALINTELLIGENCEANDSECURITYCIS，GUANGZHOU，CHINA，20062352429LAFFERTYJ，MCCALLUMA，PEREIRAFCONDITIONALRANDOMFIELDSPROBABILISTIEMODELSFORSEGMENTINGANDLABELINGSEQUENCEDATACINTERNATIONALCONFERENCEONMACHINELEARNING，200128228910GUPTAKK，NATHB，RAMAMOHANARAOKCONDITIONALRANDOMFIELDSFORINTRUSIONDETECTIONCPROCEEDINGSOFTHE21STINTERNATIONALCONFERENCEONADVANCEDINFORMATIONNETWORKINGANDAPPLIEA一5结论本文从硬件和软件2个方面提出了一个基于MSP430单片机的小型电化学传感检测系统的设计方案。其单片机控制的恒电位仪模块可实现一3333V的宽电压输出，绝对值电路和峰值电流检测电路提高了检测系统的性能。使用实验室自制葡萄糖传感器和乳酸传感器进行测试，实验结果表明检测系统能够满足研究中制备的各种生物电极的检测要求，扩展性好，还可方便用于对非传统电极与电极阵列的研究。参考文献1YANGLIUQING，RENXIANGLING，TANGFANGQIONG，ETA1APRACTICALGLUCOSEBIOSENSORBASED0NFE3O4NANOPARTIELESANDEHITOSANNAFIONCOMPOSITEFILMJBIOSENSOMANDBIOELECTRONIES，2OO9，2548898952YONEYAMAY，MURATAM，OHNUKIH，ETA1WIRELESSBIOSENSORSYSTENFORREALTIMECHOLESTEROLMONITORINGINFISH“NILETILAPIA”JTALANTA，2009，8029099153HUANGCHUNYUEH，SYUMEIJYUAN，CHANGYONGSHUEN，ETA1APORTABLEPOTENTIOSTATFORTHEBILIRNBINSPECIFICSENSORPREPAREDFROMMOLECULARIMPRINTINGJBIOSENSORSANDBIOELEETRONIES，2007，228169416994姜利英，蔡新霞，刘红敏，等，纳米颗粒修饰薄膜金电极的新型葡萄糖传感器研究J分析化学，2008，3611156315665CAIXINXIA，ANDREWG，JONATHANMC，ETA1MINIATURIZEDELECTROANALYTICALSENSORSYSTEMSINMIEROMACHINEDSTRUCTURESJELECTROANALYSIS，2000，1296316396JIANGHYING，LIUCHUNXIU，LIHUAQING，ETA1PERFORMANCEOFANLPEROMETRICBIOSENSOMFORDETERMINATIONOFHEMOGLOBINCTHESECONDINTERNATIONALFORUMONPOSTGENOMETEEHNOLOGIESGENOMIEANALYSISANDBIONANOSEIENCE，NANJING，20042312327胡延康，微弱信号的测量J电子质量，2005514作者简介姜利英1981一，女，河南漯河人，博士，主要从事生物传感器及其信号处理研究。TIONSWORKSHOPSAINAW，MELBOURNE，200720320811LIJIANPING，WANGHUIQIANG，YUJIANGUANGRESEARCHONTHE印一PLICATIONOFCRFS