基于MSP430的便携式血脂仪的研究-生物医学硕士论文

东南大学 硕士学位论文 基于MSP430的便携式血脂仪的研究 姓名：杨庆许 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程；学习科学 指导教师：刘云 2012-05-22 摘要 摘要 随着经济和科技的发展，人们越来越关注自身的健康问题。而心血管疾病患者、肝功能 异常者和肥胖人群的数量也日渐增多，这给人们的健康带来很大的威胁。与这些疾病相关性 很高的因素即为血脂异常，因此如能对总胆固醇、血清甘油三脂等血脂参数的变化，进行快 速、有效、简便的测定，将给人类的健康带来福音。 研究调研了血脂检测的研究背景，对目前市场上提供的便携式血脂检测设备做出归纳和 对比，开发出一款具有自主知识产权的便携式血脂仪。论文首先引入L a m b e r t B e e r 定律和 K u b e l k a M u n k 理论，导出反射比与浓度的关系，对设计采用的方法一光度计法做物质浓度 的定量测量进行理论分析。研究以功能需求为导向，提出了基于M S P 4 3 0 的便携式血脂检测 仪的硬件、软件和光路结构解决方案。硬件设计选用T A O S 公司的数字光强检测器件作为反 射光接收器，发光二级管作为光源，结构简单实用抗干扰性强。软件设计采用中断，实现了 微控制器的低功耗，有着人性化的人机交互界面。本系统实现了反射光强的测量，具有实时 时钟显示、温度检测、测量记录保存和查看等功能。 设计完成的便携式血脂检测仪分别以P A N T o N E 公司比色卡、自配硫酸铜溶液和小鼠血 液为测试对象进行了三次实验。实验数据表明本系统能够对硫酸铜溶液中铜离子浓度进行定 量的测量，拟合后的直线与原数据的相关性为0 9 9 6 2 ；能够对比色卡的色饱和度和小鼠血液 中血清高密度脂蛋白胆固醇做出定性分析，即待测物质浓度越大，颜色越深，检I I I ! I I 的光强 越弱。实验结果证明了系统设计方案的可行性和有效性。 关键词：M S P 4 3 0 ；反射比；便携式；血脂检测 A B S T R A C T A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y , p e o p l ea r ei n c r e a s i n g l yc o n c e r n e da b o u tt h e i r o w nh e a l t hp r o b l e m C a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，a b n o r m a ll i v e rf u n c t i o na n dt h eg r o w i n gn u m b e ro f o b e s i t ya r eag r e a tt h r e a tt op e o p l e Sh e a l t h D y s l i p i d e m i ai sh i g hr e l a t e dt ot h e s ep r o b l e m s I fc h a n g e s o fl i p i dp a r a m e t e r s ，s u c ha st o t a lc h o l e s t e r o l ，s e r u mt r i g l y c e n d e sa n de t c ，c o u l db ed e t e c t e df a s t ， e f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y i tw i l lb r i n gg o s p e lt oh u m a n h e a l t h A f t e rg i v i n gaf u l ls u m m a r yo ft h ec u r r e n tr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，p o r t a b l eb l o o dl i p i dt e s t i n g e q u i p m e n t sa v a i l a b l eo nt h em a r k e ta r es u m m a d z e da n dc o m p a r e di nt h i st h e s i s Ap r o p r i e t a r yp o r t a b l e l i p i da n a l y z e ri n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d T h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h eL a m b e r t - B e e rl a wa n dt h e K u b e l k a - M u n kt h e o r y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e f l e c t a n c ea n dc o n c e n t r a t i o ni s g i v e n ，w h i c hi st h e t h e o r e t i c a lb a s i so fp h o t o m e t r i cm e t h o df o rq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t S o l u t i o n so ft h el i p i dd e t e c t o r b a s e do nM S P 4 3 0b yf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n gh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n do p t i c a ls t r u c t u r e ，a r e d e s c r i b e d T h ep r o p o s e di n s t r u m e n tu s e sad i g i t a ll i g h ti n t e n s i t yd e t e c t i o nd e v i c eo fT A O SC o m p a n y , a s as e n s o r , a n dal i g h te m i t t i n gd i o d e ，a sal i g h ts o u r c e L o w - p o w e rd e s i g ni su s e di nt h es y s t e ma n di ti s e a s yt ou s e ，w i t hf u n c t i o n so fp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t ，r e a lt i m ec l o c kd i s p l a y , t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n r e c o r d ss a v i n ga n dv i e w i n ga n de t c T h es y s t e mi sp r o v e dt ob ec o r r e c ta n de f f e c t i v et h o u g hd a t aa n a l y s i s ，w h i c hi sa c q u i r e df r o m c o l o r e dp a p e r so fP A N T O N EC o m p a n y ，c o p p e rs u l f a t es o l u t i o na n dt h eb l o o do fr a t s ，r e s p e c t i v e l y E x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nm e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no fc o p p e ri o n s i nc o p p e r s u l f a t es o l u t i o n t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fw h i c hi s0 9 9 6 2 A n daq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fc o l o rc a r d s s a t u r a t i o na n dH D L - Co fm o u s eb l o o dc a nb em a d eb yt h ep r o p o s e di n s t r u m e n t T h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g n e ds y s t e mi sd e m o n s t r a t e db yt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t K e yw o r d s ：M S P 4 3 0 ；r e f l e c t a n c e ；p o r t a b l e ；l i p i dd e t e c t i o n I I 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 伴随着经济发展和社会进步，人们探索外部世界的视野逐渐转向自身，从脑认知到肌电 的编解码，从到功能影像到假肢控制，从微观的D N A 测序到宏观的行为学观察等一系列的研 究越来越引起更多研究人员的兴趣。在众多对人自身的研究中，健康问题关系到人的生活质 量，也是人进行自我价值实现的基础，因此，对于健康问题的研究是一直是大家关注的焦点。 医疗手段随着技术的进步逐渐由治疗转向预防，因此，对一些疾病的先期预兆，如血糖、总 胆固醇、血清甘油三脂等的变化，进行有效、快速、准确、简便的测定，愈发引起医疗界的 关注。 心血管疾病是目前世界范围内危害最大的疾病之一，由心血管疾病引发的死亡人数占总 死亡人数的3 0 【1 】。该疾病也是我国成年人住院和死亡的主要原因，其发病率和死亡率居高 不下，已成为重要公共卫生问题。截止到2 0 1 0 年，我国心血管疾病患者约为2 3 亿人，每5 个成年人中有1 人患心血管病。全国每年有3 0 0 万人死于心血管病，占总死亡原因的4 1 ， 居各种死因的首位【z 】。 血脂异常是心血管疾病的主要危险因剥引。当血液中的胆固醇一类物质增大到一定程度， 会使血压增高，导致脑卒中或心肌梗塞。以冠心病为例，血脂异常可使得脂质在冠状动脉内 膜沉积，促使血酸形成，加速冠状动脉粥样硬化进程，导致冠状动脉狭窄【4 】，易发心肌梗塞。 近年来，我国人群血脂水平呈持续上升趋势，尤其表现为少年儿童的血脂水平的升高。2 0 0 2 年全国调查，成人血脂异常患病率为1 8 6 。截止2 0 1 0 年，我国血脂异常的人数至少为2 倒n 。，干预血脂异常是我国心血管疾病防御中的重中之重。 肝脏在脂类代谢中的作用十分重要，包括脂类吸收，脂蛋白、中性脂肪和磷脂的合成、 分解和代谢，以及参与胆固醇代谢等。正常的肝脏功能能够维持体内脂类代谢的相对平衡。 当肝功能受损时，脂类代谢发生紊乱，从而导致血脂浓度发生改变。因此，能够及时地对血 脂水平进行测量也是对肝脏功能进行衡量的有力手到5 1 。 肥胖易引起儿童疲困乏力，身体抵抗力下降，易羁患消化道及呼吸道疾病。同时会导致 呼吸系统功能下降，血液中二氧化碳浓度升高，大脑皮层缺氧，儿童学习时注意力不易集中， 影响儿童的智力发育。体型变化，体力下降以及肥胖后的各种令人难堪的症状，会给儿童造 成心理上的压力，形成自卑、孤僻以及人格变态，导致儿童的心理发育障碍。因此，肥胖易 引起儿童身体、智力和心理上的不健康成长。儿童时期的肥胖症，有4 1 一8 1 可发展为成 人肥胖症。通过检测患儿血清中血脂水平、低密度脂蛋白等参数变化，可以用于预防和控制 儿童肥胖，有利于儿童的生长发育1 5 J 。 东南大学硕士学位论文 血脂检测项目一般包括总胆固醇( T C ) 、血清甘油三脂( T G ) 、血清高密度脂蛋白胆固 醇( H D L C ) 和血清低密度脂蛋白胆固醇( L D L C ) 。大量研究表明，总胆固醇在动脉粥样硬 化的发生和发展中起很重要的作用，与人群中冠心病的发病率和死亡率呈显著正相关。胆固 醇浓度的升高易引起动脉粥样硬化和冠心病，降低血清胆固醇会使冠心病的发病率降低及停 止粥样斑块的进展。除家族性高胆固醇血症外，血清胆固醇增高多见于继发于肾病综合征、 甲状腺功能减低、糖尿病和胆道梗阻等；胆固醇降低见于甲状腺功能亢进、营养不良和肝功 能严重低下等。因此，有必要对总胆固醇进行定期检测。 近年来许多大规模流行病学和前瞻性研究显示，高甘油三脂也是心血管疾病的独立危险 因素【7 】，是心血管病防治的目标之一。甘油三脂水平受年龄、性别和饮食的影响。血甘油三 脂增高可见于家族性高甘油三脂血症，继发于某些疾病如糖尿病、甲状腺功能减弱、肾病综 合症和胰腺炎等：甘油三脂低常见于甲状腺功能亢进、肾上腺皮质功能降低和肝功能严重低 下等。 一般认为H D L C 与心血管疾病的发病率和病变程度呈负相关，H D L C 或H D L C T C 比 值较T C 能更好地预测心脑动脉粥样硬化的危险性。L D L C 是动脉粥样硬化发生和发展的主 要脂类危险因素，流行病学研究发现L D L C 水平与冠心病的发病率和严重程度呈正相关。血 清L D L C 测定可采用公式计算，计算公式为L D L C ( m m o l L ) = T C ( H D L C + T G 2 2 ) 。 总之，血脂检测领域有着广阔的研究前景，该领域研究的进展有助于提高人民生活质量， 有着十分重要的临床意义和市场价值。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对于血脂仪的研究相对于血糖仪而言，尚处在发展阶段。由于直接测量血液 中葡萄糖的含量比较困难且不方便，一般采用间接测量的方法。测量血糖常用的间接测量方 法包括两种，一种是电化学法，一种是光度计法，二者互有利弊。参照血糖测试仪的发展和 国外现有的一些血脂仪的实现方案，本设计拟采用光度计法实现。 光度计法是指通过试纸上预先固定的化学酶与所需测量物质发生特异性结合而发生反 应，使得试纸染色，检测仪发射入射光到试纸上，待测物质的量越多，染色越深，则反射的 光越弱，通过检测反射光的光强来判定测量物质的浓度。该方法自产生以后，己被许多研究 团队采用和改进p 1 0 】。巴西的F r a n c i s c oA A M a t i a s 等人给出了一种新的、易于实现的光度 计法方案【1 1 】；英国南安普顿大学的W e i d o n gG o n g 等人用光度计法测量海水中的亚硝酸盐浓 度【1 纠；印度的PN e e l a m e g a m ，A J a m a l u d e e n ，A R a j e n d m n 以P I C l8 F 4 5 2 作为微控制器， L E D 作为光源，光敏二极管作为检测器来测量牛奶中钙的含量，并用统计分析对该系统进行 了评估，性能良好【13 1 。目前该方法已经十分成熟，K i n gT o n gL a u 等人在2 0 0 3 年的文章中给 第一章绪论 出了具体的操作方法【1 4 】。 随着电子技术的发展，越来越多的用户采用可以自行定义的器件应用于生物医学领域， 微控制器成为这些仪器中不可或缺的一部分。本课题采用美国德州仪器1 9 9 6 年开始推向市 场的一款1 6 位超低功耗的混合信号处理器M S P 4 3 0 1 5 】，由于其优越的低功耗性能，已有众 多产品使用该单片机作为主控芯片。北京工业大学的生物工程研究中心的杜旭、吴水才等人 在2 0 0 5 年研发出基于M S P 4 3 0 单片机的便携式心血管血流参数检测仪，实现了对脉搏波信 号的采集与显示，血流参数的计算以及串行通信等功能【1 6 】，2 0 0 8 年北京交通大学的蒋开伟等 人完成了基于M S P 4 3 0 的便携式血糖仪的设计【17 1 ，但目前尚未有基于M S P 4 3 0 的便携式血 脂仪的设计。 目前市场提供的便携式血脂仪主要有C h o l e s t e c hL D X 骨系统和P T SC a r d i o C h e k 日P A ， 罗氏A c c u t r e n d 。G C T 和A c c u t r e n d QP l u s 和韩国I n f o p i aL i p i dP r o T M ，在国内苏州市玮琪生 物科技有限公司正在推出血糖、总胆固醇和甘油三脂三用检测仪。性能参数对比如表1 1 所 示。 表1 1 便携式血脂检测仪参数对比 名称性能 C h o l e s t e c hL D X可测血脂、血糖等参数，测量时间5 分钟，用血量3 5 u L P T SC a r d i o C h e kP A可测血脂参数，测量时间1 2 分钟，用血量1 5 u L A c c u t r e n dG C T 可测血脂参数，测量时间4 5 1 7 4 秒，用血量1 0 u L A c c u t r e n dP l u s对胆固醇的测量时间是1 8 0 秒，对甘油三脂测量时间 为17 4 秒 I n f o p i aL i p i dP r o T M可测血脂参数，测量时间2 分钟，用血量5 u L 玮琪生物科技有限公司正在推出可测血糖、总胆固醇和甘油三脂概念型产品， 测量时间10 分钟，用血量5 u L 表1 1 中，C h o l e s t e c hL D X 系统，其功能很齐全，能测量多种血液参数，测量时间为5 分钟，用血量为3 5u | 【1 8 J 。P T SC a r d i o C h e kP A 对于T C 的测量范围为2 5 9m m o l L 一 1 0 3 6 m m o l L ，对于T G 的测量范围为0 5 6m m o l L 一5 6 5 m m o l L ，对于H D LC 的测量范围 为0 6 5m m o l L 一2 2 0 m m o l L 。表1 2 是A c c u t r e n dG C T 和C a r d i o C h e kP A 具体性能参数 的对比【19 1 ，可以看出二者价格较高。A c c u t r e n dP l u s 胆固醇的测量范围3 8 8m m o l L 一7 7 6 m m o I ，L ，测量时间是18 0 秒，对甘油三脂的测量范围为0 8 0m m o l L 一6 8 6m m o l L ，测量时 间为1 7 4 秒。I n f o p i aL i p i dP r o T M 仪器用血量为5 微升，测量时间是1 2 0 秒。苏州玮琪生物 科技有限公司正在推出的多功能检测仪用血量约为5 微升，测试时间为1 0 分钟。 东南大学硕士学位论文 表1 2A c c u t r e n dG C T 和P T SC a r d i o C h e k 的对比 生产厂家A c c u t r e n dG C TP T SC a r d i o C h e k R o c h eD i a g n o s t i c sP T S 价格( 澳元) 2 8 52 9 9 试纸条价格( 澳元) 2 33 9 6 大小( 长+ 宽c m ) 6 - 2 + 1 1 57 6 2 13 9 7 重量( 包括电池g ) 1 1 21 2 1 9 使用的温度范( ) 1 8 3 01 8 3 5 T G 检测范( m m o l I ) 0 8 6 8 60 5 6 5 6 5 最少用血量( U I ) 1015 测量时间( s ) 4 5 1 7 46 0 1 2 0 在动物行为学、分子生物学等研究领域，会需要更为方便、宽范围、人性化的血脂测量 设备。目前市场上技术较为成熟血糖检测，用血量仅为0 5 微升，测量时间也仅为5 秒钟。 相比之下，目前市场上的血脂仪将随着技术的进步与发展，在测量时间、用血量、测量范围 与精度上有所提升。此外，相比于有创伤的取血，无创血液参数的测量将会更加人性化。 1 3 研究内容 本论文对市场现有的便携式血脂检测产品进行了调研，对于其测量时间、用血量和测量 范围等性能做了对比。参照血糖仪发展历程，指出了血脂仪的未来可能发展方向。对于以光 度计法进行参数测量进行了系统的理论分析和理论论证，通过散射系数的引入，将该方法从 普遍适用的溶液中推广至干试纸上。 研究基于M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机进行了的便携式血脂检测仪的硬件设计，软件设计和光路 设计。其中外围电路模块包括液晶模块、按键、存储器模块、时间模块、温度检测模块、U S B 模块和光强检测模块。系统软件上充分使用中断，实现了微控制器的低功耗。根据所设计的 仪器和光路分别以比色卡、硫酸铜溶液和实验室常用C 5 7 小鼠的血液为待测对象进行了三组 实验，给出了测试实验的详细设计过程和实验结果与分析，结果表明本设计能够有效地对物 质进行定量的测量。 1 4 组织框架 这里将本文的结构安排做简要地介绍。 第一章：绪论。通过大量文献与市场调研，总结了血脂异常会引起的相关疾病与问题， 给出了血脂仪研发的社会背景与社会意义，对国内外在血脂仪研发上的进展以及现状做了归 纳和总结。 第一章绪论 第二章：对血脂检测系统进行理论分析。鉴于电化学技术在血脂研发领域的不成熟性， 本系统拟采用光度计法进行血脂测量，本章引入L a m b e r t - B e e r 定律和K u b e l k a M u n k 理论， 将反射比与待测物质的浓度之间的关系做了理论推导，即对本系统采用光度法进行定量测量 做出理论上的可行性论证。 第三章：血脂检测系统的硬件设计。以实际使用中的功能需求为导向，详细阐明系统硬 件总体设计和各个模块的硬件设计。该部分包括电源电路设计、光路结构设计、微控制器外 围电路、存储器电路、键盘电路、液晶电路等模块的硬件实现。 第四章：血脂检测系统软件设计。考虑便携式设备自身的一些特点，本系统中采用中断 方式按键以实现系统的在使用中的低功耗，友好的用户界面设计也将给用户带来好的体验。 遵从每个外围器件自身的特点和支持的接口协议，对各个分离模块进行软件调试、编程并做 整合，完成了系统软件的总体设计。 第五章：血脂检测系统的实验验证。数据校准是完成本系统整体调试之后的首要工作， 这里通过三组实验，分别以同一色系的比色卡、不同浓度的硫酸铜溶液和实验室常用实验小 鼠C 5 7 血液为待测对象，做出数据测试和并对实验数据进行分析，实验结果表明本系统设计 方案的可行性和有效性。 第六章：总结和展望。总结本论文中已经完成的工作，给出本系统的具体改进方案。 东南大学硕士学位论文 2 1L a mb e r t B e e r 定律 第二章光度计法理论分析 本研究采用光度计法来实现物质定量测量，它是基于物质对光的选择性吸收而建立起来 的一种分析方法，有着灵敏度高、准确度高、操作简便、测定速度快等优点。下文将对光的 性质和物质的颜色与反射光和吸收光的关系进行阐述，并对本系统设计原理进行理论分析和 可行性论证。 光是一种电磁波，具有波粒二象性。由普朗克方程可知，不同波长的光具有不同的能量， 波长愈短，能量愈高；波长愈长，能量愈低。通常意义的单色光是指其波长处于某一范围的 光，而复合光则由不同单色光组成。可见光是指人的眼睛所能感觉到的波长范围为4 0 0 n m 一7 5 0 n m 的电磁波。 物质的分子内部具有一系列不连续的特性能级，包括电子能级、振动能级和转动能级， 这些能级是量子化的，可分为基态和能量较高的若干个激发态。在一般情况下，物质的分子 都处于能量最低、最为稳定的基态状态。当用光照射物质后，如果光具有的能量恰与物质分 子的某一能级差相等时，这一波长的光即可被分子吸收，从而使其产生能级跃迁而进入较高 的能态激发态状态。并不是任一波长的光都可以被某一物质所吸收，由于不同物质的分子其 组成和结构不同，它们所具有的特征能级也不同，故能级差不同，而各物质只能吸收与它们 分子内部能级差相当的光辐射，所以不同物质对不同波长光的吸收具有选择性。 对固体物质来说，当白光照射到物质上时，物质对于不同波长的光吸收、透过、反射、 折射的程度不同而使物质呈现出不同的颜色。如果物质对各种波长的光完全吸收，则呈现黑 色；如果完全反射，则呈现白色；如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现灰色；如果 物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决 定。 对溶液来说，溶液呈现不同的颜色，是由于溶液中的分子或离子选择性的吸收某种颜色 的光所引起的。如果各种颜色的光透过程度相同，这种物质就是无色透明的。如果只让一部 分波长的光透过，其它波长的光被吸收，则溶液就呈现出透过光的颜色，也就是溶液呈现的 是与它吸收的光成互补色的颜色。在正常情况下，选用不同浓度的一种溶液，最大吸收波长 也是固定不变的，说明光的吸收与溶液中物质的结构有关。 八 入射光I o 透射光I t 隧嬲戮黼嬲麟黼麟黼鹇麟磷壤瀚嬲戮溯淄麟麟瀚瀚黼 图2 1平行光通过有均匀吸收介质的溶液 6 第二章光度计法理论基础 如图2 1 所示，当一束平行的单色光垂直通过某一均匀的、非散射的吸光物质溶液时， 其透光率T 与溶液液层厚度I 和浓度C 的关系可以通过L a m b e r t - B e e r 定律来描述： ， T = l = e x p ( 一d c ) ( 2 1 ) r一 O 式( 2 1 ) 中，T 指溶液的透射比，I o 是入射光线的强度，l t 是投射光线的强度，e 是摩 尔耗尽系数，与入射光的波长、物质的性质和溶液的温度等因素有关，I 是光路的长度，C 是 溶液中吸收光的物质的浓度。溶液的吸光度A 与透光率的关系如下式所示： A ：I n ! ：d C( 2 2 ) r 由公式( 2 2 ) 可得，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光 度A 与吸光物质的浓度C 及吸收层厚度I 成正比。如果保持入射光的强度和液层的厚度不变， 则光吸收程度与溶液的浓度有关。L a m b e r t B e e r 定律不仅适用于溶液，也适用于均匀的气体、 固体状态，是各类光吸收的基本定律，也是光度法进行定量分析的依据。类似的，当光线入 射到一个有均匀分布的有色物质表面上时，反射比可以用如下公式来描述【1 1 】： ， 尺= 等= R 。e x p ( 一k l n ) ( 2 3 1 ) 0 式( 2 3 1 ) 中，R 是反射比，I r 是反射光强，I o 是入射光线的强度，R w 是白色表面的 反射比，k l w 是比例常数，m 是单位区域上物质的重量，它与物质的浓度C 成正比，则可得 到下式： ， 尺= = R 。e x p ( - k C ) ( 2 3 2 ) 0 从式( 2 3 2 ) 中可以看出，若入射的光强I o 为定值，通过M C U 检测到的不同反射光强 值，可以确定出物质的浓度，进而可以做出定量的测量。 对比吸光度，这里引入一个反光度的概念，如下式： 1 Y = I n - 。- = - l n R 。+ 圮 ( 2 4 ) R 由式( 2 4 ) 可以看出，Y 与浓度成线性关系。 2 2K u b e l k a M u n k 理论 L a m b e r t - B e e r 定律有自身的局限性，一般要求溶液物质的浓度要小于0 1m m o l L ，默认 光在传输介质中没有产生散射。K u b e l k a M u n k 理论2 0 。2 6 1 是用于描述含有能散射和吸收入射 7 东南大学硕士学位论文 光的微小粒子的系统的光学行为的理论，简称为K M 理论，是由PK u b e l k a 和F M u n k 于 1 9 3 1 年提出来的，它的理论基础是假设光的多重散射，即反射被观察到之前，己在系统内由 一个粒子到另一个粒子进行了多次反射。下面对该理论进行具体推导说明。 如图2 2 所示，一个厚度为X 的半透明颜色纸与反射比为R g 的背景光学面接触，因此， 该纸既散射光也吸收光，同时还有部分光透过，设厚度变量X 在背景界面处为零，而在光入 射的界面处为X 。现在颜色纸中取一单位厚度d x ，设在d x 的厚度内部光只有向上和向下两 个通道，在d 内部及其上下方的光是漫射状态，并且在d x 内既有吸收也有散射，散射光反 转了方向。 x 方哥 R x = X l ； ll ；ll 图2 2K u b e l k a M u n k 方程导出模型 在该模型中假设光只向上和向下两个方向散射，亦即只有上下两个方向的光通道。在向 下的光通道中也包括了被散射前的入射光，这部分入射光与两个通道中的其它散射光一样都 处于漫射状态。设在向下的光通道中光强度为i ，而在向上的光通道中光强度为j 。 所以，在向下通道的光经过d x 厚度强度衰减量d i ( 一d x ) ，包括被d x 吸收的光一K i 和被d x 向上方散射的光一S i ，以及向上通道的光被d 向下方散射而由d x 底部出射的光S j ，即： 乓：一( K + S ) i + S j ( 2 5 ) a x 式( 2 5 ) 中：K 是吸收系数，S 是散射系数，“一”号表示向下传播方向为负方向。 同理，在向上通道也有类似情况，关系式为： 车：一( K + s ) j + s i ( 2 6 ) a x 为解式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 这两个微分方程，首先定义P = j i 并把两个方程变成一个关于 P 的方程： 8 第二章光度计法理论基础 牢：掣：坚丝! ：丛丝! 眨7 ) 出出f 2 把方程式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 带入公式( 2 7 ) 中，得出一阶微分方程： d p d x = s 一2 伍+ s 加+ 印2 ( 2 8 ) 在任意深度X ，p 代表向上与向下光通量的比，当x = O 时J D2 题( R g 背景反射比) ；当 x = X 时J D = R ( R 颜色纸反射比) ，式( 2 8 ) 两边同时积分可得有： r 出= 孬两d 而p 矿 汜9 ) 解积分得到： R ：1 - R g a - b c o t h b s X ( 2 1 0 ) a R g + b c o t h b s X 式中： 口：l + 竺 S 6 ：历 公式( 2 1 0 ) 即为K u b e l k a M u n k 定律的数学表达式。可见，颜色纸的反射率R 是与颜 色纸的吸收系数K 和散射系数S ，以及基底的反射率R g 有关。 当x = o o 时，上式可化为： 堡S 等2 R ( 2 1 1 ) m 、， 式( 2 10 ) 中：R 。为X = o O 时纸的反射率。即此时颜色纸足够厚，增加厚度不影响反射 率R 。根据这一理论推导出应用于试纸条的K u b e l k a M u n k 方程如下所示： f ( R ) = 等= i K 兰S ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，R 是反射比，e 是摩尔耗尽系数，K S 和溶液显色物质浓度成正比关系2 7 1 ， 该方程用粒子的光散射系数S 和光吸收系数K 描述了光的反射，广泛用于涂料保护、油漆、 贴纸、有色高分子材料、绝缘隔离、生物系统和医疗系统等许多领域。K u b e l k a M u n k 定律将 作为本设计中测试试纸条的理论依据。 2 3 本章小结 本章阐述了光的基本性质，分析了物质对光产生选择性吸收的原因，说明了物质颜色与 9 东南大学硕士学位论文 其吸收光和反射光的关系。通过引入L a m b e r t B e e r 定律，引申出在稀溶液中反光度与显色物 质浓度之间的线性关系。建立了含有吸收系数和散射系数双参数的数学模型，并系统的推导 出了的K u b e l k a M u n k 方程，给出了干试纸上物质浓度与反射比之间的定量关系，这作为本 系统采用光度计法进行定量测量的理论基础。 1 0 第三章血脂检测系统的硬件设计 凰 3 1 1 系统硬件总体设计 设计一款便携式仪器，首先需要考虑的是它需要实现的基本功能，然后根据所需要实现 的功能选择器件。了解器件本身特性后画出原理图和P C B ，送厂制板，接着焊接器件并通过 反复测试和软件调试，最终实现功能。一块便携式血脂仪，最基本的功能有参数的测量，测 量参数和测量时间等数据的存储、显示和转移，基本的人机交互界面和电源。根据这些功能 需求，本系统主要由电源模块，键盘模块，存储模块，信号采集模块，液晶显示模块( L C D ) ， U S B 通信模块组成。系统框图如图3 1 所示。 图3 1 系统框图 在图3 1 中，电源模块为整个系统供电，通过指示灯提示用户更换电池。键盘和液晶作 为人机交互界面，使用者可以按照液晶显示器上的提示来操作键盘，轻松的完成血脂参数的 测量。暗箱为光路结构，这里将测量由待测物质反射的光强，得到的数据将有微控制器( M C U ) 来处理和分析。微控制器是整个系统的核心，信号的采集、存储、显示和与上位机的通信等 都是由它来控制完成的。 各个模块的详细实现方案将在下文中给出。 匿噩置置圈 M S P 4 3 0 单片机是T I 公司于1 9 9 6 年开始推向市场的超低功耗微处理器，它集成了很多 模块功能，从而使得用一片M S P 4 3 0 芯片可以完成多片芯片才能完成的功能，大大缩小了产 品的体积与成本。如今，M S P 4 3 0 单片机已经用于各个领域，尤其是仪器仪表、监测、医疗 东南大学硕士学位论文 器械等领域。 M S P 4 3 0 单片机的主要特点包括：( 1 ) 低电源电压范围，1 8 3 6 V 。( 2 ) 超低功耗， 拥有5 种低功耗模式( 以后会详细介绍) 。( 3 ) 灵活的时钟使用模式。( 4 ) 高速的运算能力， 1 6 位R I S C 架构，1 2 5 n s 指令周期。( 5 ) 丰富的功能模块，这些功能模块包括：A ：多通道 1 0 1 4 位A D 转换器；B ：双路1 2 位D A 转换器；C ：比较器；D ：液晶驱动器；E 电源电 压检测；F ：串行口U S A R T ( U A R T ，s P I ) ；G ：硬件乘法器；H ：看门狗定时器，多个1 6 位、 8 位定时器( 可进行捕获，比较，P W M 输出) ；I ：D M A 控制器。( 6 ) F L A S H 存储器，不需 要额外的高电压就可在运行中由程序控制段的写和擦除；( 7 ) M S P 4 3 0 芯片上包括J T A G 接 口，仿真调试通过一个简单的J “ G 接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、 读写寄存器等调试；( 8 ) 快速灵活的变成方式，可通过J T A G 和B S L 两种方式向C P U 内装 载程序。 本系统微控制器采用的是M S P 4 3 0 F 1 4 9 ，它是由2 个1 6 位定时器、8 路快速1 2 位D 转换器、2 个通用串行同步，异步通信信号接口( U S A R T ) 和4 8 个I ，O 引脚等构成的微控制 器。其电源电压范围为1 8 3 6 V ，低功耗，有5 种省电模式，能够6 u s 内从待机模式唤醒， 1 6 位R I S C 结构，内部集成看门狗定时器，有着快速数据处理能力且内部自带硬件乘法器， 多个I I O 口支持中断模式，片上集成6 0 K B 的F l a s h 和2 K B 的R A M ，同时提供2 5 6 字节的 信息F L A S H ，6 4 脚方形扁平封装( Q P F ) 。这些资源能够满足本设计的各项需求。 根据外围电路对微控制器l ，O 口需求，对M S P 4 3 0 F 1 4 9 的引脚进行了划分，连接口情况 如图3 2 所示。 图3 2 微控制器连接口情况 1 2 匿莲蓬莲鹾 第三章血脂检测系统的硬件设计 对照图3 2 ，下面按照功能详细介绍各个端口。 电源与地：系统采用3 3 V 电源供电。模拟地和数字地用0 欧电阻相连，由于数字信号的 频谱成分较为复杂，容易对模拟信号产生干扰，在电路设计中，使用此方法可以削弱数字信 号对模拟信号的干扰。 晶振：外接3 2 7 6 8 M H z 和8 M H z 的晶振，分别为系统提供低频和高频的时钟源，其中 8 M H z 的晶振与两个1 2 P F 的电容相接。 复位电路：通过1 0 0 K Q ，1 K Q 电阻和按键开关串联，复位端口在正常情况下为高电平， 按下按键后，3 3 V 电压1 K Q 电阻上的分压很小，相当于数字逻辑信号中的低电平，系统即 可执行复位。 J T A G 接口：J T A G ( J o i n tT e s tA c t i o nG r o u p ) 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片 内部测试和在线调试程序。本系统J T A G 接口是4 线：T M S 、T C K 、T D I 、T D O ，分别为模 式选择、时钟、数据输入和数据输出线，原理图如图3 3 所示。使用该接口，可以先固定器 件到电路板上，再用J T A G 编程，从而大大加快工程进度。 I 隧喧 问 慝卜 淘朦目 凸 溺麟olI 陋。博阏l 苦l ，墓 X 茜嚣譬吕qA h 厶u p 图3 3J T A G 接口 其他端口：P 5 口用于与L C D 的数据传递，P 4 3 一P 4 7 端口用于控制L C D 的控制端口； P 4 2 用于L E D 的开启；P 3 口用于U S B 的数据通信，P 4 0 、P 2 4 一P 2 7 用于控制U S B 的 控制端口；P 2 2 和P 2 3 口用于与光强检测传感器的通信；P 2 0 和P 2 1 用于与E E P R O M 的 通信；P 1 5 到P 1 7 用于控制时钟芯片：P 1 4 用于控制温度传感器；P 1 0 到P 1 3 用于检测 按键键值。由于P 1 口和P 2 口有中断功能，如上分配I O 口为软件编程使用中断提供方便。 3 3 电源模块与键盘模块设计 3 3 1 电源模块 相比较锂电池而言，使用干电池供电具有价格便宜和灵活性好的优势。故本系统采用2 节1 5 V 干电池串联供电，采用电源芯片的M C P l 2 5 9 ，M C P l 2 5 9 是M i c o c h i p 公司提供的一 13 东南大学硕士学位论文 款稳压芯片，稳压后输出值为3 3 V ，输出直流电压的纹波峰峰值小于2 0 m Y ，最大负载电流 可达到1 0 0 m A ，适用温度范 奠j - 4 0 。C 一+ 1 2 5 。C 。此外，该芯片拥有低电压检测功能，当输 入电压小于阈值时，会给出警告信号。设计中使用的是1 0 引脚的M S O P 封装，电路原理图 如图3 4 所示。 E I 卜 D 2 i 寅国萱：E D B Tl 3 V H I 2 C 2 8 I I u F丁l l 兰耋：2 7 1 L B oC 2 + 6 ；C 3 0 0 6 F2 B Y P A S S N 7 ： 3 C 2 C l 8 i I l R 薹u g 珥 Cl+GND 9 ii n 担： I O K | 5 1 0气7 V O U TS H D N ，|：G N ：D C 2 9 M o p t 2 5 7i 虻0l l I I l I u l 图3 - 4 系统电源原理图 图3 4 是在M C P l 2 5 9 的一个典型应用电路上做了一定的更改，当2 端口接低电平时， M C P l 2 5 9 将处于B Y P A S S 模式，在该模式下，干电池将直接对系统供电，由于后续电路对 电压稳定性的要求，电路中将2 端口接高电平，系统将供出稳定的3 3 V 电压。L B O 端口正 常状态下是高阻状态，当干电池电量低于1 9 5 V 时，该端口会是低电平，因此通过贴片发光 二极管( L E D ) 的亮度变化即可知道是否需要更换电池，当更换电池后的输入电压大于2 1 9 V 时，L B O 端口才重新由低电平状态变回高阻状态。该电路的设计，一方面满足了系统电压的 高稳定性，另一方面给出了明确的电池更换指示，给使用者带来方便。 3 3 2 键盘模块 键盘电路的设计有许多种，这里采用了一种简单有效的方式，如图3 5 所示。 rrr lV C C ； 二_ 随二鼹二 车# 辟二# ：辋 i 二：誊：臣j ：li E 十 ” ” l ；r | F I 卜 I E 二二蔓二l 二l 二穗喜事! - - 0 一 一r h 受三。：，- 由毒蔓芝 疆 iiiiiiiiiiiiiiiiitiiiiiiiiiiiilliiIiiiiiiiiii二二芝 1 臻蒸= J 立 P l 2 三烈王二l 二二至二： 坩t = - l rF 一1 rrr t i 1 ；0 1 12 1 1 i 2 1 1 1 1 2 2 i l i l 2 1 1 FrF ；i i l 7 1 1 1i i ii i Io r r “， 呵 ” ；“ l j rrr 慕一蕃掌篆攀：j j ：摹季簿； 一一I j 基l ； 一， r 一，r l ? f 一 ：二 ：# ；：譬彗：j ： j j 睾i 辩i i jj j j j 参j：蔓：l 二 卜l 图3 5 键盘电路 14 第三章血脂检测系统的硬件设计 从图3 - 5 中可以看出，系统中使用了3 个键盘，正常状态下，P 1 O P 1 2 口读出的值为 高电平，当有按键按下时，这些I 0 口读到的值为低电平。软件上既可以使用查询方式来判 断键