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                技術文章
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                如何使用8位單片機設計一款靈活的低成本血糖儀
                點擊次數:3 發布時間:2020-11-30

                       世界上的糖尿病患者約占人口總數的 8.5%,現已成為第八大主要致死原因。據世界衛生組織估算,糖尿病將在 2030 年升至第七位。這種增長趨勢可從近年來的統計數據看出:糖尿病的死亡病例從 2000 年的 100 萬增至 2011 年的 140 萬??刂铺悄虿〉囊环N主要方法是使血糖盡可能地保持正常水平。這導致對血糖儀的需求日益增加。

                        

                       血糖儀是一種用于確定溶液中葡萄糖濃度的醫療設備。葡萄糖濃度的單位是毫克每分升(mg/dl)或毫摩爾每升(mmol/l)。血糖儀已成為糖尿病患者使用的家用血糖監測設備的重要組成部分。一天內可進行多次測量。大多數血糖儀基于電化學技術。這些血糖儀采用電化學試紙進行測量。將一小滴待測溶液置于一次性試紙上,血糖儀將利用該試紙來測量葡萄糖。在葡萄糖的電化學測量中,最常用的兩種方法是比色法和電流法。在比色法中,LED或光傳感器等構成模擬接口??缱璺糯笃饔糜跍y量葡萄糖濃度。利用顏色反射率原理,根據光度測定法來確定試紙反應層的色彩強度。血糖儀生成葡萄糖濃度的測量值。

                        

                       在電流法中,使用毛細管吸取試紙一端的溶液。此試紙還包含一個酶電極,其中含有葡萄糖氧化酶等試劑。葡萄糖在酶的作用下發生化學反應并在化學反應期間生成電子。隨后測量流經電極的電荷,電荷量與溶液中的葡萄糖濃度成正比。此外,還會測量環境溫度以補償溫度對反應速率的影響。大多數血糖儀采用此方法。圖1給出了試紙的工作原理。

                       圖1:血糖儀試紙工作原理
                 

                       試紙構成主生化傳感器(溶液試樣置于其中),它具有三個電極?;瘜W反應期間,工作電極中會產生電子。此電極與電流到電壓放大器相連。參考電極的電壓相對于工作電極保持恒定,以便推動所需的化學反應。第三個電極是計數器電極,PCBA方案開發作用是為工作電極提供電流。大多數血糖儀設計僅采用參考電極和工作電極。應向參考電極施加精確的參考電壓(VREF),向運放施加精確的偏置電壓(VBIAS)。

                        

                       通過這種方法,工作電極和參考電極之間將保持精確的電位差。此電壓是用于驅動試紙輸出電流的激勵,其幅值隨后用于計算產生的電子數量。

                        

                       將溶液試樣置于試紙上,葡萄糖在酶的作用下發生化學反應?;瘜W反應期間會產生電子。電子的流動對應于流經工作電極和參考電極的電流。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化。電流可通過跨阻放大器(電流到電壓轉換器)和模數轉換器(ADC)進行測量。PCB控制板開發跨阻放大器的輸出電壓將隨溶液中葡萄糖濃度的變化而變化。

                        

                       數字實現方案

                        

                       血糖儀的數字實現方案可通過Microchip的8位器件PIC16LF178x實現,如圖2所示。這款PIC器件以其超低功耗著稱。它包含兩個運放、兩個8位數模轉換器、一個最多11個通道的ADC、內部EEPROM、I2C和16位定時器。

                       圖2:血糖儀框圖
                 

                       將溶液試樣置于試紙上時,葡萄糖會發生化學反應并產生電子。PCB電路板設計可以測量電子的流動(流經電極的電流)。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化??山柚娏鞯诫妷旱霓D換,并通過PIC器件的內部放大器以及對高頻信號的濾波來測量電流。隨后,濾波后的信號饋送至12位ADC模塊。

                        

                       將溶液試樣置于試紙上1.5秒后,PIC器件開始捕捉ADC通道的電壓??色@得約2048個ADC讀數。將這些讀數的平均值代入回歸公式Y=mX+C,其中Y是葡萄糖濃度(單位為mg/dl),m是斜率,X是運放輸出電壓的平均ADC讀數,C是常數。

                        

                       可利用此回歸公式確定葡萄糖濃度,值顯示在LCD上(單位為mg/dl或mmol/l)。內部EEPROM最多可存儲32個血糖讀數,可稍后在LCD上查看這些讀數。血糖儀演示板可由板上鋰電池(3V、225 mAH的CR2032)供電。開始捕捉ADC值的時間(1至1.5秒)和獲取的ADC讀數數量應根據所用試紙的類型和特性適當修改。

                        

                       硬件設計

                        

                       此血糖儀的設計規范要求葡萄糖的測量范圍為20至600 mg/dl(相當于1至33mmol/l)。測試結果需要在5秒內顯示。最近的32個葡萄糖讀數應自動存儲并包含日期和時間標記。由于此血糖儀將根據試紙特性來實現和修改通用回歸公式,因此無需對試紙進行編碼。

                        

                       此血糖儀僅采用了一塊電路板,其上使用28引腳PIC16LF178x器件。在線串行編程連接用于調試和編程。除了以mg/dl和mmol/l為單位顯示葡萄糖測量結果外,LCD還能顯示指導消息,如“Insert test strip”(請插入試紙)、“Strip inserted, place the sample”(已插入試紙,請放置試樣)以及“Faulty test strip”(試紙錯誤)。需要適當的傳感器來檢測是否插入試紙、測量溫度以及檢查電池的健康狀況。單片機開發此血糖儀有兩個按鈕,一個用于讀取之前存儲的數據,另一個用于設置日期和時間。

                        

                       固件特性

                        

                       固件需通過PIC器件的內部運放、DAC和ADC來檢測試紙電流。插入試紙并檢查到電壓升高450 mV后,需要捕捉ADC讀數。將試樣置于試紙上并計算出平均值1.5秒后開始記錄ADC讀數。葡萄糖濃度可根據回歸公式和平均ADC讀數進行計算。

                        

                       固件模塊可用于LCD接口和顯示程序、運放的配置、DAC的配置、將葡萄糖讀數存儲到內部EEPROM、讀取ADC通道、計算葡萄糖濃度以及通過將定時器用于時間標記來實現RTCC(實時時鐘和日歷)。

                        

                       配置

                        

                       DAC的參考電壓與內部的固定參考電壓緩沖器2相連,配置為2.048V。DAC輸出電壓設置為400 mV。

                        

                       運放的輸出(電流到電壓轉換器的輸出)通過ADC通道0進行測量。ADC通道3用于測量電池電壓以指示低電量狀態。溫度傳感器的輸出與ADC通道8相連以讀取溫度。

                        

                       葡萄糖讀數存儲在內部EEPROM中。休眠模式期間,如果按下開關S1,PIC器件進入存儲器模式,LCD上顯示存儲的葡萄糖讀數。要查看之前的葡萄糖讀數,需按下開關S3。再次按下開關S1可退出存儲器模式。

                        

                       16 x 2字符LCD用于顯示葡萄糖讀數和文本消息。通過單片機的端口引腳控制LCD的VSS,智能控制器開發可在休眠模式期間切斷LCD的電源。

                        

                       定時器和外部32.768 kHz時鐘晶振用于實現RTCC。通過開關S1和S3可為RTCC設置當前日期和時間。

                        

                       如圖3所示,運放的同相輸入通道與DAC的輸出(設置為400 mV)相連。運放的同相端子與工作電極相連。借助外部電阻和電容,可構成電流到電壓轉換器。運放的輸出與PIC器件的ADC通道相連。

                       圖3:運放配置
                 

                       血糖儀在工作模式下的電流消耗約為1.1 mA,在休眠模式下的電流消耗約為3 μA。血糖儀在99.5%的時間內處于休眠模式。

                        

                       葡萄糖測量受到溫度、濕度和海拔等外部因素影響,因為酶的反應速率取決于這些及其他因素。此外,通過Matlab或Microsoft Excel確定的回歸公式需要針對不同化學特性的試紙相應更改。當設計與特殊試紙搭配使用的血糖儀時,必須考慮這些因素。

                        

                       PIC16LF178X MCU集成運放、12位ADC、DAC以及EEPROM,這種組合適合此類需要精確測量和較低電流消耗的電池供電應用。這意味著PIC器件可用于實現靈活的低成本血糖儀設計。


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