如何使用8位单片机设计一款灵活的低成本血糖仪

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 如何使用 8 位单片机设计一款灵活 的低成本血糖仪 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 万人增至 2011 年的 140 万人。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。 中国论文网 /8/view-12767981.htm 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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，最常用的两种 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 作原理。 试纸构成主生化传感器（溶液试 样置于其中） ，它具有 3 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，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） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 和模数转换器（ADC）进行测量。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 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 个最多 11 个通道的 ADC、内部 EEPROM.I2C 和 16 位定时器。 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。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 1.5s 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 最多可存储 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、225mAH 的 CR2032）供电。 开始捕捉 ADC 值的时间（1- 1.5s）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 20-600m g/dl（相当于 l- 33mmol/l） 。测试结果需要在 5s 内显示。 最近的 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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。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 450mV 后，需要 捕捉 ADC 读数。将试样置于试纸上并 计算出平均值 1.5s 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、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 400mV。 运放的输出（电流到电压转换器 的输出）通过 ADC 通道 O 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。 16x2 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 脚控制 LCD 的 VSS，可在休眠模式期 间切断 LCD 的电源。 定时器和外部 32.768kHz 时钟晶 振用于实现 RTCC。通过开关 SI 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 400mV）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。 血糖仪在工作模式下的电流消耗 约为 1.1mA，在休眠模式下的电流消耗 约为 3A。血糖仪在 99.5%的时间内处 于休眠模式。 结论 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