便携式血糖仪的设计

河南科技大学毕业设计（论文） I 便携式血糖检测仪的设计 摘 要 糖尿病是一种常见的非传染却严重危害人类健康的慢性疾病，现代医学还没 有根治糖尿病的方法，对患者的血糖浓度进行频繁的测定是延缓糖尿病及其并发 症的重要手段。本文设计了一种以 AT89C51 单片机为核心，采用酶电极试纸作 为传感器来检测血糖浓度的便携式仪器。 在总结前人工作的基础上，提出了本文的总体设计方案、系统目标及设计要 求，重点分析了弱电流信号的检测设计实现方法。硬件模块的设计主要是根据需 要进行硬件选型，包括 MCU 模块、电流检测、信号的传输和放大模块、显示模块 等。系统的软件设计方案中主要子程序有: 液晶显示子程序、A/D 转换子程序等。 最后给出本系统最关键的部分：血糖值和电流值、以及与最后显示数值之间的关 系式。整体设计结果表明：该血糖仪具有操作简单、测量方便等特点，十分适合 糖尿病患者在家中实施血糖测试。 最后，在回顾全文的基础上针对本次所设计的血糖仪所存在的一些缺点和不 足，指出了便携式血糖仪的发展趋向及有待进一步解决的问题，并对未来的发展 进行展望。 关键词：血糖检测，酶电极，弱电流信号的检测，便携式血糖仪，单片机 河南科技大学毕业设计（论文） II DESIGN OF PORTABLE BLOOD GLUCOSE METER ABSTRACT Diabetes mellitus is a chronic disease of common noninfectious but serioushazards to human health; Modem medicine has no cure ways. Frequently measuring blood glucose concentrations is an important means of controlling diabetes. This thesis designs a portable intelligent device for detecting blood glucose concentration, in which an AT89C51 microcontroller is used as a CPU and an enzyme electrode paper as a sensor. On the basis of conclusions of previous work,the overall design ideas, the system objectives and design requirements are put forward by focusing on analysis of the weak current signal detection.Another chapter mainly introduces hardware selection and function of the various hardware modules,including MCU module,current detection module,signal transmission and amplification modules, display module etc .System software design main subroutines including Liquid crystal display a subroutine、A/D conversion subroutines etc. The most important part of the system that is the relationship of blood glucose level and current value is given.The results showed that，the meter is simple,convenient,which is very suitable for diabetics to implement blood glucose testing at home. Finally,on the basis of the the disadvantages of the machine ,which has been designed by me , this thesis points out the further development trends and issues for portable blood glucose meterThe future will open out bright prospects for the application of portable blood glucose meter KEY WORDS：Blood glucose measurement,Enzyme electrode,The weak current 河南科技大学毕业设计（论文） III signal detection,Portable blood glucose meter,MCU 河南科技大学毕业设计（论文） IV 目 录 前 言 .1 第一章 绪 论 .2 1.1 选题背景及研究意义.2 1.2 便携式血糖仪概述.3 1.2.1 便携式血糖仪的发展.3 1.2.2 便携式血糖仪的分类.4 1.3 血糖检测技术.5 1.3.1 血糖微创检测.5 1.3.2 血糖无创检测.7 1.3.3 血糖动态监测.9 1.4 传感器类型.9 1.4.1 经典葡萄糖酶电极.9 1.4.2 介体葡萄糖酶电极.10 1.4.3 直接葡萄糖酶电极.10 第二章 血糖仪的整体设计 .11 2.1 方案总体设计.11 2.2 主要器件介绍.11 第三章 系统硬件电路设计 .13 3.1 信号前置通道设计与仿真.13 3.1.1 弱电流信号的检测设计.13 3.1.2 电压放大模块.15 3.1.3 滤波电路设计.19 3.2 以单片机 AT89C51 为核心的控制电路设计.22 3.2.1 AT89C51 介绍 .22 3.2.2 ADC0808 介绍 .25 3.2.3 LCD 液晶显示简介 .26 河南科技大学毕业设计（论文） V 第四章 系统软件设计 .28 4.1 软件总体设计 .28 4.2 单元模块设计 .29 4.2.1 单片机初始化 .29 4.2.2 AD 转换程序设计 .30 4.2.3 血糖值显示及报警程序设计.31 第五章 血糖仪的调试与仿真 .32 5.1 系统软件编译、链接.32 5.2 软、硬件联调.32 5.3 仿真中出现的问题及解决办法.33 第六章 PCB 板制作.34 结 论 .36 参考文献 .37 致 谢 .39 附 录 .40 河南科技大学毕业设计（论文） 1 前 言 糖尿病是继心血管和肿瘤之后的第三大非传染性疾病，已成为严重威胁人类 健康的世界性公共卫生问题。糖尿病发生后，引起糖、蛋白质、脂肪、水和电解 质等一系列代谢紊乱，进而导致各种严重的并发症，包括糖尿病性心脑血管病、 糖尿病性肾病、糖尿病性眼病、糖尿病性神经病变等等。因此，我们需要积极研 发更先进的医疗器械来预防、控制和治疗糖尿病及其并发症。近十年来，医院内 几乎所以科室均备有便携式血糖仪，不仅为患者和临床医生提供动态数据，而且 可以为医生调整药物剂量的依据。 本设计主要是根据血糖值检测原理，采用 AT89C51 单片机控制的血糖仪， 采用 ADC0808 高精度转换和显示质量高、体积小、重量轻、功耗低的液晶显示； 用生物传感器葡萄糖氧化酶电极进行血糖测试，实现血糖异常时及时发出警报的 功能。 血糖仪的设计思路是采用酶电极法对血糖进行采集。在测试电极两端加 0.5V 的电压，这个电压要保持恒定，不能随葡萄糖浓度的变化而变化。当滴入血样之 后，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下与氧反应产生微电流信号，由于此信号非 常小，不便于测量，所以通过硬件电路将其转换为电压信号，该电压信号通过放 大器进行放大和硬件滤波处理，再通过 AD 转换器将模拟信号转换为可以被 CPU 处理的数字信号，输入单片机并对其进行软件滤波，进而对读取的数据进行 处理、转换，换算成血糖含量数据，结果通过 LCD 显示出来。 总之，血糖仪正朝着多功能，伤害小，便携式，测量精确度更高等的方向快 速发展。 河南科技大学毕业设计（论文） 2 第一章 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 糖尿病(DM，Diabetes Mellitus)是一种常见的慢性非传染性疾病，是由遗传和 环境因素相互作用而引起的临床综合征(慢性、全身性、代谢性疾病)，是终生性 疾病1。由人体内胰腺分泌胰岛素缺乏，或因胰岛素功能失调所至。这种功能失 调导致血中葡萄糖浓度增高，从而危及体内诸多系统，特别对血管系统和神经系 统影响最大。中国心血管报告公布的数据显示，近 20 年来，中国糖尿病患病率 成倍增长，目前中国约有 2000 多万糖尿病患者，耐糖量低减者 2000 万，中国已 经成为全球糖尿病患者人数第二大国，仅次于印度。据世界卫生组织预计，到 2025 年,全球成人糖尿病患者人数将增至 3 亿，而中国糖尿病人数已居世界第 3 位，未来 50 年内糖尿病仍是中国一个严重的公共卫生疾病问题。 分析发现，在人类基因和不良饮食习惯的影响下，年龄、肥胖症、糖尿病家 族史、高血压、高血脂症、低收入、日常体育锻炼不足已是糖尿病及代谢综合征 主要危险因素，在加强健康普及教育的同时，系统地开发抗糖尿病新药和新剂型, 积极研发更先进的医疗器械来预防、控制和治疗糖尿病及其并发症具有积极的意 义。 血糖浓度是反映病情状况的一个重要指标，经常性地进行血糖测量可及时把 握病情变化并及早采取治疗措施2。严格控制血糖到接近正常水平，比一般的控 制血糖，可使慢性并发症减少约 2/3。因此，血糖监测对于糖尿病患者是非常重 要的3。使用便携式血糖仪进行测定并记录结果，可了解一日内血糖的波动幅度 和平均值，及时发现和处理异常情况，并可作为调整药物治疗的依据4。 中国医学科学院医学信息研究所杨国忠研究员指出：“随着疾病谱、医学模 式和医疗方式的改变，一些适用于社区、面向家庭的便携式监测和治疗装置将成 为市场需求最多的医疗器械产品。目前我国医疗方式已经开始从单纯对疾病的院 内治疗，逐步转向院前预防、急救，院内诊断、治疗，院外监测、康复以及日常 家庭医疗保健等多元化、多层次的现代化医疗保障体系。因此，适于基层社区医 生应用的，可以面向家庭的便携式监测和治疗装置，将成为市场需求最多的医疗 器械产品5。未来医学模式将由单纯的治疗型逐渐向治疗与预防保健相结合的模 式转变，特别是随着个人健康意识增强，性能良好、使用方便的用于家庭的预防 河南科技大学毕业设计（论文） 3 治疗设备、健康自我检测设备将成为家庭中新的“家电” 。 1.2 便携式血糖仪概述 1.2.1 便携式血糖仪的发展 由于糖尿病患者的不断增多，实时的血糖自我监测变得越来越重要，伴随着 现代科学技术的不断发展，快速血糖仪也经历了一个从无到有，并不断发展的阶 段。自 1968 年汤姆克莱曼斯发明血糖仪至今，一共经历了五个发展阶段：第 一个阶段是水洗式血糖仪，它的操作过程比较复杂，检测前首先要在试纸上滴入 血样，一分钟后把试纸放入水中冲洗，去除血样中的红细胞，然后再把试纸放入 仪器中测试并得出测试结果；第二个阶段是擦血式血糖仪，它不需要用水冲洗试 纸，当血样滴入试纸，产生反应后将试纸上的血细胞擦去即可进行测试，与水洗 式血糖仪相比，擦血式血糖仪的体积更小，更方便患者操作，但它仍需要采集较 多的血样，同时需要等待 60 秒左右才能完成一次检测；第三个阶段是比色法血 糖仪，常用的比色法有两种，即目视比色法和光电比色法，相对于目视比色法， 光电比色法具有更高的测量精度，测量时，首先将血样滴入试纸，待反应后试纸 的颜色将发生改变，通过光电法测量其吸光度，根据郎伯一比尔定律即可求出血 糖浓度，它的优点是操作简单，测量结果准确；第四个阶段是电化学法血糖仪， 包括葡萄糖氧化酶电极测量法和葡萄糖脱氢酶电极测量法，它们的共同特点都是 将血样中的葡萄糖同试纸中的酶进行电化学反应，反应过程中产生电子，通过一 定激励电压，产生定向电流，通过测定电流大小来测量血糖浓度。由于葡萄糖脱 氢酶除了与血糖反应外还可以和人体中的麦芽糖、半乳糖等反应，对测量血糖 造成一定程度的误差，因此多采用葡萄耱氧化酶电极测量法，它的测量时间大大 缩短，而且测量精度高，目前市场上的血糖仪多采用此种方法；第五个阶段是微 采血量、多部位采血血糖仪，此种血糖仪颠覆了传统的仅能手指采血的缺点，它 可以在四肢，手掌等多部位进行采血，采血量降低到了 0.3 微升，这种几乎不会 感觉到疼痛的血糖仪必将在未来成为血糖仪市场上的主流产品。 纵观血糖仪历史的五个阶段可以发现，血糖仪正朝着体积越来越小，操作越 来越简单，越来越方便患者，精度越来越高，采血量越来越少方向发展。据了解 美国雅培公司最新首创了目前世界上最先进的血糖检测技术生物电感应技术， 新一代的血糖仪已经进入了多功能时代，未来的血糖仪将不仅仅可以测量人体血 河南科技大学毕业设计（论文） 4 糖，它还将可以测量人体血酮、血压、尿酸等。 1.2.2 便携式血糖仪的分类 血糖仪自 1968 年由汤姆克莱曼斯发明至今，血糖仪经历了不同的技术发 展阶段，出现了采血便携血糖仪、动态血糖仪、表式血糖仪等等不同原理的血糖 仪，目前广大糖尿病患者大部分购买的都是便携式血糖仪。 一、按工作原理分类 从工作原理上便携式血糖仪分为两种，一种是光电型，一种是电极型。 光电血糖仪有一个光电头，但探测头暴露在空气里，很容易受到污染，影响 测试结果，使用寿命比较短，一般在两年之内是比较准确的，两年后需要定期做 校准； 电极型的测试原理比较科学，电极口内藏，可以避免污染，并且测试的精读 比较高，正常使用的情况下，不需要校准，寿命长。 二、按测糖方式分类 目前市场上常见的血糖仪按照测糖技术可以分为电化学法测试和光反射技术 测试两大类。前者是酶与葡萄糖反应产生的电子再运用电流记数设施，读取电子 的数量，再转化成葡萄糖浓度读数。后者是通过酶与葡萄糖的反应产生的中间 （带颜色物质） ，运用检测器检测试纸反射面的反射光的强度，将这些反射光的 强度转化成葡萄糖浓度。 三、按采血方式分类 现在多数血糖仪都是破损型的，就是需要采血来测定血糖值。采血型的便携 式血糖仪从采血方式上有两种，一种是滴血式（也叫抹血式） ，一种是吸血试。 滴血式的血糖仪一般采血量比较大，疼痛感很强，患者比较痛苦。这一类型 的血糖仪采血量要掌握好，如果采血偏多，会影响测试结果，如果采血量不够， 操作失败则会浪费试纸，这种血糖仪多为光电式的。 吸血式的血糖仪，试纸自己会控制血量，不会因为血量的问题出现偏差，操 作方便，用试纸采血的部位轻触血滴的液面即可。 1.3 血糖检测技术 血糖检测仪自 1968 年由国外研究人员 Tom Clemens 发明至今，已经历了有 河南科技大学毕业设计（论文） 5 创、无创、连续动态检测的阶段，并向检测治疗一体化的方向发展。随着血糖检 测仪性能的不断改进，其准确性大大提高，其中连续动态血糖检测仪可以更好地 指导临床用药，必将大幅提高糖尿病的治疗效果。血糖测量仪器有多种多样，按 检测时受创伤的程度可分为接触痛苦式血糖检测仪，近无伤害血糖浓度检测仪和 无创伤血糖浓度检测仪。血糖传统检测方法是从体内抽取血液进行生化分析，这 属于有创检测，不仅给病人带来痛苦，而且容易造成各种体液传染性疾病传播。 近年来出现的无创检测技术及连续监测技术进行血糖浓度检测的新技术，这种方 法改变了传统检测方法的弊端，使用方便。 1.3.1 血糖微创检测 血糖检测从有创到微创的发展过程，也是血浆糖测定到毛细血管全血糖测定 的发展，目前大多使用葡萄糖生物传感器来检测血糖浓度，按工作原理可分为电 化学型、压电型、热电型、光学型等，其中电化学型是血糖检测的主流。大多数 上市的血糖仪都是电化学型的测电流葡萄糖传感器6。1962 年，Clark 就提出了 葡萄糖生物传感器的原理，他们预示用一薄层葡萄糖氧化酶(GOD)覆盖在氧电极 表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量。1968 年 Updike 和 Hikcs 根据此原理成功地制成了第一支葡萄糖生物传感器。从此以后， 基于酶电极的电流型生物传感器得到了迅速的发展7。 图1-1 葡萄糖氧化酶电极的结构 根据生物电化学原理设计的便携式血糖仪是采用一次性使用的葡萄糖氧化酶 印刷电极(即血糖试条)作为传感器，将被测血样滴在试条上，电极上的氧化酶促 使血样中的葡萄糖与氧发生氧化还原反应，相关化学反应式8为： 葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸+H2O2 (公式1-1) 该反应所产生的电子被导电介质转移给电极，电极在恒定的工作电压(05V) 作用下便产生电流。经过一段时间后，酶电极的电流值的大小与血样中葡萄糖浓 度呈一定的线性关系，通过检测电流变化与葡萄糖浓度的这个线性关系达到检测 河南科技大学毕业设计（论文） 6 血糖浓度的目的。简单地说就是“施加一定电压于经酶反应后的血液产生的电流 会随着血液中的血糖浓度的增加而增加。通过精确测量出这些微弱电流，并根据 电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。值得注意的是：即使是某一浓度 的血糖在试条产生的电流也会随着时间的变化而变化，一般会随着时间的增加而 增加并逐渐趋向稳定；而对于不同的浓度的血糖来说，在同一个时间点上，电流 也随着浓度的增加而增加。所以，在权衡时间和稳定性后，确定某个时间点上的 电流值和血糖浓度之间的关系是问题的核心。 血糖是通过试条上的酶转换为能导电的物质并在其上施加一定的电压来产生 相应的电流，然后设备检测出这个电流值，再通过相应的计算公式反算成血糖值。 电流值与血糖浓度并非成简单的线性关系，而是受多方面因素影响的复杂关系。 电流值检测的精确与否直接影响测量结果，所加的用于产生电流的电压大小、所 使用的试纸条及用于检测的血液量的多寡都会对其产生影响，过多和过少的血量 都会影响检测结果。因此，需要在大量的实验下，才能得出比较准确的关系。 0 0 5 5 1 10 0 1 15 5 2 20 0 2 25 5 3 30 0 3 35 5 2 2. .0 0 5 5. .8 8 1 15 5. .0 0 3 30 0. .0 0 m mm mo ol l/ /L L I I/ /u uA A 图1-2 电流变化与葡萄糖浓度的关系 如图 12 所示，理想情况下，电流变化与葡萄糖浓度呈线性关系，要确定 二者之间的直线系数，可使用样机测得的几组数据，通过对数据进行多次直线拟 合，即可得到血糖值和电流值之间的关系图。一般，每一批试纸条有相同的校正 代码，反映在图上就是有相同的斜率。拟合的公式为： （公式1-2） 1o YKXK 其中，X 是电流值，单位为 A,Y 是对应的血糖值，单位为 m molL。根据 所测得的浓度和电流平均值的关系拟合出直线确定出相应的系数尼，这里的参数 河南科技大学毕业设计（论文） 7 为：K1=0.45，K0=2.2，然后再根据所得的式子反算出相应的浓度值，通过比较计 算值和所测值，可以算出血糖仪的精度和一致性情况。 根据美国糖尿病协会(ADA)的标准，便携式血糖检测仪的血糖检测结果与大 型生化检测仪的结果相比，误差在 15以内都认为结果准确。 而由电流信号与电压信号之间的转换关系:V=I*R 其中 R 设置为 1K，正常血糖值转化为相应的电流信号的大小范围为 5 20uA，所以其对应的电压大小范围为 520mA，再经过前置电路对电压信号的 放大作用，最后显示的正常血糖范围为 0.52。若显示其它数值，则表明表明血 糖异常。 1.3.2 血糖无创检测 无创血糖检测技术是在不损伤皮肤的条件下测量出人体血液中血糖浓度的新 方法9。它能解除糖尿病患者经常化验所需要的针刺取血的痛苦，避免病毒通过 血液传染的危险。同时它能有效地提高对血糖监测的水平，降低患者的危险。 一、采用光学方法测量血糖，这是近年国际上热门的研究课题，目的是为糖 尿病患者研制出无创、方便、连续实时监测血糖浓度的便携式监测仪。无创血糖 仪的研制给糖尿病患者带来了福音。过去的十几年，出现了许多利用光学原理测 量血糖浓度方法：如近红外吸收光谱法，近红外散射光谱法，AR T棱镜中红外光 谱法，Ra man光谱法，声光法，旋光法等，但到目前为止，还没有正式用于临床 的无创血糖检测仪。 来自德国施瓦本格明德应用科技大学的学生 Mackiewicz 就设计出了一款名 为 Lima 的新型血糖仪。该设备通过向血液发射红外线来探测血液中的血糖水平。 当红外线穿过皮肤进入血液时，就会反射回来并且被感应仪捕捉到，系统就可以 通过对捕捉到的红外线的波长和频率进行分析，从而得出准确的血糖浓度数据。 使用过程也非常简单，患者只需把手掌放在仪器上面，按下按钮，稍等片刻，就 可以知道结果了。这不仅对于晕血和怕疼的糖尿病患者是一大福音，而且能避免 扎针引起的感染，也是一件不错的事情。 二、采用唾液测量法测量血糖。经医务专家们通过大量的实验研究，证明血 糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比，所以，可以通过测量人体口腔中唾液含淀 粉酶的多寡间接地知道血糖的高低。此种方法，可以避免病人因消毒不严而引起 的细菌感染；另一方面，由于是无创探测，无痛苦，可以让所有病人都能接受。 河南科技大学毕业设计（论文） 8 这种探测方法的成功，除了要求研究高灵敏度、高特异性的试纸外，还应该研究 高灵敏度、和高线性度的检测装置。现有处于试验阶段的便携式血糖仪，它通过 发光二极管发出一定波长的光，照射在用唾液特殊处理的试纸上，再经线性度和 稳定度很好的光敏二极管接收试纸反射的光，然后经一系列处理后，送入显示器 显示血糖浓度的相对高低。此仪器目前存在的问题是用唾液检测人体血糖浓度的 相对变化荃本呈线性，稳定度和灵敏度较高，操作使用方便。但是从试验数据看 出结果有一定的离散性，这可能是主要由于某些元件造成的，仪器要用于临床还 需要进一步的改进。这方面的工作仍在继续。 另外，美国一个小组研制的方法基于对呼出气体的分析，而澳大利亚某便携 式血糖仪小组研制的方法则是对皮肤表面变化的测试。然而，此时两种测试方法 都处于研发的早期阶段，眼下还不能提供使用。 1.3.3 血糖动态监测 由于生化分析法和快速血糖仪这种有创或微创技术不能连续动态检测患者的 血糖而得不到更接近真实情况。因此，动态血糖监测系统(CGMS)应运而生。动 态光谱法可消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响。有研究认为，由于动脉 的脉动现象，血管中血流量呈周期性变化，血液是不透明液体，光在血液中的穿 透性要比在组织穿透小几十倍，因此脉搏的变化可以引起近红外光谱吸光度的变 化，所以通过动态光谱记录动脉充盈至最大与动脉收缩至最小时的吸光度值，可 以消除个体差异和测量条件对光谱测量的影响，校正模型预测能力，提高光谱检 测的精度10-12。 动态血糖检测系统是由医疗人员操作，可以监测患者 3 天的血糖变化，使医 生全面了解患者血糖波动类型和走势的装置。一般的动态血糖检测系统包括探头、 信息记录器、信息提取器和软件系统。但是，目前，这种血糖检测仪在技术上还 不成熟，仍需利用静脉抽血式血糖仪加以校正。 综上所述，有创技术和无创技术各有优劣，在一个较长的阶段，两种技术将 取长补短，共同发展，但糖尿病的确诊必须以静脉血样分析得出的血糖值作为标 准，无创和连续动态式血糖检测仪的准确性必须定期检测校正。总之，有创或微 创血糖检测技术发展比较成熟，尽管近年来无创和连续动态式血糖检测技术发展 很快，但仍有待继续研究提高。采用无线电波和微波技术测量葡萄糖含量也在进 行研究。相信随着科学技术的飞速发展，血糖检测技术将向快速、准确、简便方 河南科技大学毕业设计（论文） 9 向提高。 1.4 传感器类型 1.4.1 经典葡萄糖酶电极 1967 年 Updik 和 Hicks 首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶(GOD) 电极，用于定量检测血清中的葡萄糖含量。该方法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜 和氧穿透膜中间，形成一个“三明治”的结构，再将此结构附着在铂电极的表面。 在施加一定电位的条件下，通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量。由于大 气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度的变化，从而影响测定的准确性。 采用过氧化氢电极作为基础电极，其优点是葡萄糖浓度与产生的 H2O2 有当量关 系，不受血液中氧浓度变化的影响。 1.4.2 介体葡萄糖酶电极 在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体(chemical mediator) 取代 O2PH2O2 ，作 用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，而电子传递介体本身被还原， 又在电极上被氧化。利用电子传递介体后，既不涉及 O2也不涉及 H2O2 ，而是利 用具有较低氧化电位的传递介体在电极上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，可 以避免其他电活性物质的干扰，提高了测定的灵敏度和准确性。 1.4.3 直接葡萄糖酶电极 第三代生物传感器就是在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递 设计制作葡萄糖传感器。与经典酶电极和介体酶电极相比，既不需要氧分子，也 不需要化学介体分子作为电机受体，通常也不需要固定化载体，而是将酶共价键 合到化学修饰电极上，或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，使酶氧化还原活 性中心与电极接近，直接电子传递就能够相对容易地进行，从而使电极的响应速 度更快、灵敏度更高，真正实现酶的专一和高效催化13。 河南科技大学毕业设计（论文） 10 第二章 血糖仪的整体设计 2.1 方案总体设计 全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的方案， 同时考虑软硬件实现的可行性。 本系统的设计，采用酶电极法对血糖进行采集。在葡萄糖氧化酶电极两端加 0.5V 的电压，这个电压要保持恒定，不能随葡萄糖浓度的变化而变化14。当滴入 血样之后，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下与氧反应产生微电流信号，由于此 信号非常小，不便于测量，所以通过硬件电路将其转换为电压信号，该电压信号 通过放大器进行放大和硬件滤波处理，再通过 AD 转换器将模拟信号转换为可 以被 CPU 处理的数字信号，输入单片机并对其进行软件滤波，进而对读取的数 据进行处理、转换，换算成血糖含量数据，结果通过 LCD 显示出来。其中，滤 波的目的是去除干扰信号(主要是来自电源和各种因素产生的系统噪声)，使得测 试更加精确。一般来说，血糖测量至少有如图 2.1 所示的这些过程组成。 图2-1 总体设计框图 2.2 主要器件介绍 设计中实现信号的有效传输和放大采用的是低功耗,低功率的运算放大器 LM324。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四 河南科技大学毕业设计（论文） 11 放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静 态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采 用外部偏置元件的必要性。 设计中采用的核心器件是 AT89C51。它具有 4k 字节 FLASH 闪速存储器， 128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，2 个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中 断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 设计中实现模数转换采用的是八位逐次逼近式 A/D 转换器 ADC0808。它是 一种单片 CMOS 器件，包括 8 位的模/数转换器、8 通道多路转换器和与微处理器 兼容的控制逻辑 8 通道多路转换器，能直接连通 8 个单端模拟信号中任何一个。 设计中系统的输出模块采用的是液晶显示器 LM016L，它具有可以直接显示 图形、体积小、重量轻、功耗低等特点，适用于便携式仪器的设计。 河南科技大学毕业设计（论文） 12 第三章 系统硬件电路设计 3.1 信号前置通道设计与仿真 3.1.1 弱电流信号的检测设计 所谓微弱信号15 (本设计中弱电流范围 020A)，不光指信号本身的幅值很 小，更强调信号被噪声所淹没。微弱信号检测是一门以高等数学、物理学、模拟 电路、数字电路、光电转换器等为基础的综合性技术学科。它采用电子学、物理 学、数学、计算机、信息论的方法，研究被测信号的特点和相关性，分析噪声产 生的原因和规律，提高系统的信噪比(SNR=S/N)，从强噪声中提取有用的微弱信 号。 血液与血糖酶反应产生的电流是极其微弱的，通常为几微安到几十微安。由 于 MCU 上 A/D 转换的是电压信号，而我们所要确定的是电流信号。因此在放大 电流信号的同时，还需要将它转换为等效的电压信号。另外，为了节电以及配合 实际的试条的要求，血糖仪需要对检测电极加电与否进行控制。采用如图 3.1 所 示的电路便能实现上述的三个要求。 R 1k C 3 2 1 411 Vin Vout 测量电极 图 3-1 弱电流放大转换电路原理图 这是一个普通的运算放大器，运算放大器的反相端与测量电极相连，当有血 河南科技大学毕业设计（论文） 13 样滴进时，反相端通过血糖中的导电物质与“地”相连；放大器的同相端上加的 是被控电压。根据运算放大器的特性，当运算放大器处在线性放大状态时，运放 的同相输入电压和反相输入电压相等。因此当同相端加上一定值的电压时，反相 端即检测电极上也产生等量的电压，当同相端不加电压时，检测电极的电压便也 为零；于是通过控制同相端上的电压，就能实现对检测电极加电与否进行控制。 当同相端加上一定的正电压后，根据前面的分析，就等效于在血糖上加了等量的 电压，也就产生了从检测电极到“地”的电流，这就是要检测的微弱电流 Ix，由 运算放大器的理想工作特性知道：，即流向运算放大器反向端的电流几乎0 c I 为零，故酶电极在恒电位激励下的响应电流。由于运放的反相端输入电流 0 x II 可以忽略，因此便可得到运放的输出电压 VO： (公式 3-1) oinx VVIR 其中 Vo为输出电压，Vin为加在同相输入端的电压，R 为反馈电阻的阻值。由式 可以看出，电流值已转换为所需的电压值；而且当电阻值 R 足够大时，也实现了 所要的弱电流放大需求。实际中 R 的值为 30K 欧，这样信号就从 10-6变为 l0-3级。 然后通过 A/D 转换得到运放输出电压 Vo 的值，再根据公式 3-1 所推导出来的： 求得电流值，最终实现弱电流的检测。()/ oin IVVR 河南科技大学毕业设计（论文） 14 图3-2 电流信号转换为电压信号电路 仿真结果可以看出，该设计很精确的实现了从 10A 的电流信号向 0.01V 的 电压信号的转换。 3.1.2 电压放大模块 上述图 3-2 电流信号转换为电压信号电路己将电流信号成功的转换为毫伏级 的电压信号，由于信号十分微弱,为了方便后期对电压信号的处理，电压信号需放 大到伏级才可以，为了提高抗干扰能力，本次设计采用了两级放大电路，差动放 大 25 倍和次级放大 4 倍，总放大倍数为 25*4=100 倍。 一一. . 三级运放设计与仿真三级运放设计与仿真 本设计中第一级放大采用了高增益、高输入阻抗、高共模抑制比的同相并联 结构的差动放大电路，如图 3.3 所示。 图 3-3 差动放大电路 图中 U1 和 U2 组成同相并联输入第一级放大，以提高输入阻抗。U3 为差动 放大，作为放大器的第二级。电路中第一级电路具有完全对称形式，这种结构有 利于克服失调、漂移的影响。电压放大倍数公式为 Ad=-(1+R7/R8)*R11/R10 （公式 3-2） 本设计中，设定三运放放大倍数。取25 d A R5=R6=20K，R7=R9=12K,R8=1K,R10=R11=R12=R13=1K 河南科技大学毕业设计（论文） 15 载入信号,仿真结果如下: 图3-4 三运放电路仿真图 由图中可以看出放大倍数达到了要求约为 25 倍 二次级放大二次级放大 本次设计中次能放大采用的是同相比例运算电路，电路图如下图 3.5 所示： 河南科技大学毕业设计（论文） 16 图 3-5 次级放大电路 放大倍数为 Ad2=1+R16/R15=1+3=4 载入信号仿真结果如下: 河南科技大学毕业设计（论文） 17 图 3-6 次级放大电路仿真图 由图可看出放大倍数为 4 倍,达到了设计要求 3.1.3 滤波电路设计 查阅相关资料得到，血糖信号的有效频率范围是 0.08HZ40HZ 之间，所以 本部分电路设计了截止频率分别为 0.08HZ 和 40HZ 的高通和低通滤波器16如下 所示： 河南科技大学毕业设计（论文） 18 图 3-7 低通滤波电路 图中截止频率为l = 1/2 * 18 * C3 代入数据计算得 载入信号源，仿真效果如下： 河南科技大学毕业设计（论文） 19 图 3-8 低通电路仿真图 由仿真效果可得，基本达到了设计要求。 图 3-9 高通滤波电路 图中 河南科技大学毕业设计（论文） 20 载入信号源,仿真效果图如下: 图 3-10 高通电路仿真图 由效果图可得,设计基本达到了要求. 3.2 以单片机 AT89C51 为核心的控制电路设计 3.2.1 AT89C51 介绍 本文采用的单片机芯片是 AT89C5117-19。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可 编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 河南科技大学毕业设计（论文） 21 图 3-11 AT89C51 管脚图 一、单片机最小应用系统一、单片机最小应用系统 单片机基本系统即单片机正常工作不可缺少的部分，进行设计都要在此系统 基础上进行20。它包括振荡电路，复位电路和电源。 二、外接晶振二、外接晶振 河南科技大学毕业设计（论文） 22 图 3-12 单片机外接晶振 TAL1(19)，XTAL2(18)为外接晶振的两个引脚。接入晶振时，还要接人两个 瓷片电容 C1，C2，晶振频率 12 MHz。 三、复位与复位电路三、复位与复位电路 图 3-13 单片机最小系统复位电路 上电复位正常后，PC 值才为 0000H，即指向 R0M 的 0000H 单元。此外， 河南科技大学毕业设计（论文） 23 专用寄存器 SFR 中的 SP 为 O7H，即指向片内数据存储器(片内 RAM)07H 单元， P0P3 值为 0FFH，其余的专用寄存器值大多为 00H。 复位电路有开机自动复位和手动复位。 3.2.2 ADC0808 介绍 图 3-14 ADC0808 管脚图 ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换21。 ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。各引脚功 能如下： 15 和 2628（IN0IN7）：8 路模拟量输入端。 8、14、15 和 1721：8 位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： AD 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。 7（EOC）： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端 河南科技大学毕业设计（论文） 24 输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束 时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 12（VREF（+） ）和 16（VREF（-） ）：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3 位地址输入线，用于选通 8 路模 拟输入中的一路。 血糖信号经过前置处理电路之后，通过 ADC0808 的 IN0 通道进行 A/D 转换。 单片机 AT89C51 完成对血糖信号的数据采集并进行 A/D 转换。在 AT89C51 的周 边电路中，除了时钟电路、复位电路外，十分重要的就是 A/D 转换的参考电压 Vref，本设计中 Vref5V。 在图中， ADC0808的时钟信号（ CLOCK）有 AT89C51的ALE端的输出脉 冲（其频率为 AT89C51时钟频率的 1/6）经二分频得到的，选AT89C51 的时钟频率为 12MHz，则 ADC0808的CLOCK端的频率为 1MHz，即 ADC0808 的转换时间约为 64us。这里，将 ADC0808作为 AT89C51的一个并行 I/O 端口，有地址线 P2.0和/WR联合控制 ADC0808的STRART和ALE端，低三位 地址线加到 ADC0808的A,B,C端，所以选中 ADC0808的IN0通道的地址为 FEF8H。P2.0还和 /RD联合控制 ADC0808的OE端，来读取数据。 3.2.3 LCD 液晶显示简介 图 3-15 LM016L 管脚图 一、引脚功能说明 河南科技大学毕业设计（论文） 25 LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明 如下: 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器 调整对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令 寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命 令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 二、液晶显示器的显示原理: 点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行 有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成， 屏上 6416 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示 屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H00FH 的 16 字节的内容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线， 长度为 8 个点；当（3FFH）=FFH 时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当 （000H）=FFH， （001H）=00H， （002H）=00H，（00EH）=00H， （00FH） =00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD 显示的基本原理21。 河南科技大学毕业设计（论文） 26 第四章 系统软件设计 软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计