基于单片机的血糖检测仪

基于单片机的血糖检测仪内容摘要：

尿病患者人数将接近一亿，成为仅次于印度的第二个患糖尿病人数较多的国家。 糖尿病的泛滥对人类和社会以及经济有着极具破坏性的影响。 而糖尿病病发后会诱发各种并发症，病患在长时间内可引起眼部疾病，严重者会导致失明；肾脏出现问题，严重者 会导致肾脏衰竭；以及引起神经功能紊乱。 此外，还会增加心脏病的病发几率；会出现中风及腿部血流不畅等风险。 因此，对于糖尿病患者来说，高血糖时刻威胁着他们的生命安全，虽然无法根治糖尿病，但是，拥有一种有效且携带方便的血糖监测设备就成为必要人体血糖浓度的连续、动态、精确地检测是糖尿病预防和治疗的基础和前提。 近年来，人类生活发生了根本性的改变是由于电子技术的发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机。 如果说现代科学研究得到了质的飞跃，是因为微型计算机的出现，那么可以不夸张的说，在诸多领域得到极为广泛的应用的 单片机控制系统、数据采集系统、智能化仪器的仪表、办公自动化等，已走向家庭，单片机的应用从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都是可以见到的 [3]。 因此，一个国家工业发展水平的标志，可以从单片机技术开发和应用水平中看出来，并已逐步成为标志之一。 血糖检测仪的控 2 制核心就是现阶段普遍流行并发展的单片机。 利用单片机设计出的电路结构简单、成本低、可靠性高、布置方便、易于维护满足了广大糖尿病患者及其家属的要求。 在市场上需求最多的医疗器械产品是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。 由单纯的治疗型慢慢向预 防保健与治疗相结合的模式转变 ， 将成为未来医学发展的模式。 “性能良好、使用方便”的家庭预防治疗设备和健康自我检测设备，也随着个人健康意识增强，将成为家庭中的新“家电”。 血糖自我检测系统是一个很有开发前景的硬件设备，患者不用去医院，在家就可以自己进行血糖的检测与控制，是提高我国糖尿病医疗水平的必备设备之一。 可以从很大程度上减少医生的麻烦，节省病人的时间，减少了患者的痛苦，提高医院的工作效率。 国内外发展及现状 糖尿病是一种内分泌疾病，而且一旦患有糖尿病，由于其是终生疾病，将会一直折磨着患者，目前在 全世界的发病率很高，被医学界成为“不死的癌症”。 自从胰岛素于 1921 年第一次被加拿大人 ，在其后的很长一段时间里形成一种能够有效治疗糖尿病的方法就是人工注射胰岛素。 但是，这样的人工注射胰岛素的治疗方法存在着一定的弊端和危害，注射药量过多会容易使患者出现低血糖的情况，给患者造成危险甚至威胁生命而不够安全可靠。 如果要进行胰岛素定量注射，就必须要事先预知患者体内血糖的浓度。 因此，血糖仪便在此背景下应运而生了。 纵观血糖仪的发展历史，便携式血糖仪都是随检测原理、生物工程技术，以及更先进的 血糖测量方法的进步而发展的。 世界上第一台血糖仪是 1968 年由汤姆•克莱曼斯发明的。 之后依次经历了水洗式的血糖仪、擦血式的血糖仪、比色法血糖仪（包含目视比色法以及光电比色法）、电化学测试法血糖仪、多部位采血的血糖仪、无创的血糖仪以及连续式的血糖仪等 [4]。 3 自第一代血糖仪发展以来，至今为止市场上的血糖仪的种类繁多，外形和结构也多种多样，归根结底可分为三大类：第一类为有创或微创血糖检测仪，如针刺采血型血糖仪，国际上此类产品主要有美国强生公司的稳豪型血糖仪、加拿大测利得的超值型血糖仪、罗氏乐康全血糖仪、欧姆龙血 糖仪、三诺安稳血糖仪等。 生产这类产品的厂家较多，且有较高的检测准确性和稳定性，发展相对成熟。 但是这些产品的不足之处在于每次测量时都会给患者带来巨大的疼痛。 第二类是无创型血糖检测仪，主要应用皮下组织间液和红外光谱分析的原理，主要的产品有 Cygnus 公司的 Gluco Watch 血糖仪和 CME公司的红外光谱式血糖仪。 第三类是连续式血糖检测仪，主要有美国雷兰、Mini Med 公司的产品，手表式血糖仪。 血糖仪发展至今一共经历了五个发展阶段： 第一阶段：水洗式血糖仪。 它具有比较复杂的操作过程，在试纸上滴入血样是检测前 的工作，首先用水冲洗浸泡试纸至少一分钟，使血液中的红细胞充分去除，然后再把试纸放入仪器中测试并得出测试结果。 第二阶段：擦血式血糖仪。 试纸不需要被放入水中浸泡及冲洗，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，擦血式血糖仪的体积比水洗式血糖仪要小，易于携带也更方便患者操作，但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是它的不足之处，因此产生了比色法血糖仪。 第三阶段：比色法血糖仪。 两种常用的比色法为：目视比色法和光电比色法，光电比色法比目视比色法的测量精度更高，测量过程中， 先将血样滴入试纸，试纸的颜色在反应后将发生改变，其吸光度可以通过光电法测量，并根据郎伯 —— 比尔定律可以求出血糖浓度，操作简单，测量结果准确是它的优点。 第四阶段：电化学法血糖仪。 两种电化学法为：葡萄糖氧化酶电极测量法和葡萄糖脱氢酶电极测量法，将血样中的葡萄糖，同试纸中的酶进行电化学反应是它们的共同特点，在反应过程中产生电子，定向电流通过一定的激励电压产生，而测量血糖浓度则通过测定电流大小来测量。 由于葡萄糖脱氢酶不仅可以和血液中的葡萄糖进行反应，还和人体中的麦芽糖、半乳糖等进行化学反应，这就造成了对测量血糖存 在一定程度的误差，因此针对这一不足之处多采用葡萄糖氧化酶电极测量法，大大缩短它的测量时间。 测量进度高是其另一大优点，目前此种方法被市场上的血糖仪所广泛采用。 4 第五阶段：微采血量、多部位采血血糖仪。 这类血糖仪弥补了传统的仅能手指采血的缺点，采血的部位可以在四肢、手掌等多部位进行采血，降低采血量至 微升，因此未来血糖仪的市场上，这种几乎不会感觉到疼痛的血糖仪必将会成为主流产品。 纵观血糖仪历史的五个阶段可以发现，体积更小、操作更简单、使患者更方便、精度更高、采血量更少，成为血糖仪的发展趋势。 中国公司从 1997 年也开始，对血糖检测设备和试纸进行开发及研制，目前比较成功的有上海禾益公司、上海新立医疗器械公司、台湾五鼎、德鑫和北京怡成生物电子公司等，这些公司生产的血糖仪和血糖试纸涵盖了各种检测方法。 微创血糖仪在近年占据了国内市场的主流，可以方便、快捷的利用血糖仪和与之配套的试条测量血糖。 而便携式血糖仪也凭着其小巧、携带方便、快速、需血量少、价格便宜、操作简便等优势，成为自我检测血糖仪的主流。 因此，自我检测的便携式血糖仪，成为糖尿病患者自我检测和防止病情恶化的首选。 血糖仪的分类 血糖仪从 1968 年由汤姆•克 莱曼斯发明开始至今历经 5 个阶段，并且可按工作原理、测量方式以及采血方式进行分类。 从工作原理上便携式血糖仪可分为两种，一种是光电型便携式血糖仪，一种是电极型便携式血糖仪。 光电血糖仪有一个光电头，其光电探测头很容易受到污染，因为探头暴露在空气里，进而会影响到血糖测试的结果，因此使用寿命比较短，一般在两年之内是比较准确的，两年后需要定期做校准；而电极型的测试原理比较科学，电极口内藏，可以避免污染，并且测试的精度比较高，因此在正常使用的情况下，不需要校准，寿命长。 按照常 见的测糖方法可以分为：电化学法测试和光反射技术测试。 电化学法测试采用酶与葡萄糖反应产生电子，再运用电流计数，然后读取电子的数量，最后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中间 5 （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。 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。 滴血式的血糖仪缺点是较大的采血量和较强的疼痛感，因此患者会感到痛苦。 而且 要掌握好这一类型的血糖仪的采血量，如果采血偏多，测试结果会被影响，如果采血量不够，不仅会造成操作失败还会浪费试纸，而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，不会出现采集血量多或少的情况，而且操作方便，用试纸采血的部位轻触血滴的液面即可。 本文所做的工作 本文根据选题的要求，完成基于单片机的便携式血糖检测仪器的硬件设计和软件设计，将从以下几个方面对便携式血糖检测仪的设计展开研究。 首先，在查阅大量资料的基础上，比较研究市场上现有的便携式血糖仪，从而提出本文的设计方法；其次，详细介绍 了该仪表的整体设计及软硬件设计；最后，进行抗干扰和低功耗设计，并得出结论。 本设计的血糖仪采用生物电化学的方法来实现血糖值的检测，根据传感器输出信号的特点，采用低噪声弱电流检测技术；为实现便携式的功能，硬件采用低功耗设计。 面临的关键技术有： 由于血液与血糖酶反应产生电流极其微弱，可检测的电流在几微安到几十微安，本设计仪表要对检测电路特殊处理，比如采用低噪声差分检测电路来实现。 本设计仪表为便携式、电池供电，硬件设计采用低功耗模式。 如何通过降低单片机本身的功耗（单片机本身自带的低 功耗模式）及外电路的功耗，来降低检测仪整体的功耗，是重点要解决的问题。 6 如何将采集到的电流值转化为血糖值，可采用最小二乘法进行回归计算血糖值；如何实现检测信号抗干扰，可引入数字滤波算法 ,提高检测精度。 ,上传给 PC 机，实现血糖浓度的定期监测、自动分析和管理。 7 第 2 章 血糖仪的方案设计与选型 仪表原理与方案设计 本设计是以单片机为核心设计便携式血糖检测仪，不论是医用还是家用，它的应用领域都十分广泛。 针对这一功能的仪表通常有 两种设计方案： 方案一：血糖仪采用交流电源供电，并且血糖仪机身带有 USB 接口，在单片机外部接有降压电路，将 220V 电压降至单片机可接受的电压范围，并带有试条插入开机及蜂鸣器报警等功能。 方案二：设计一种便携式血糖检测仪，采用电池供电，因此在硬件上就要采用低功耗设计，检测中采用试条插入开机及按键开机两种开机模式，并带有自检功能判断仪器的可靠性，测量结果自动保存等功能。 通过两种方案进行比较，发现方案二比方案一更具有实用性。 方案一若测试地点停电或根本不具备电源的情况下就影响了血糖的检测，而方案二的便携式血糖仪采 用电池供电，就会避免类似情况的发生，保证了紧急情况下对患者的病情按时监测。 在市场上常见的便携式仪器设备中，通常都要求其数据的采集系统要具有速度快、精度高的特点，并且同时具有供电电压低、体积小以及功耗小等良好特性。 因此在本次设计中也不例外，采用两粒的纽扣电池作为供电电源 ，为了达到易于携带以及低功耗等设计要求，显示器采用液晶屏，单片机及外围硬件芯片都采用低功耗芯片；同时设计了上位机通讯模块，使得用户可以通过 PC 机对测试数据进行查询，进而实现血糖数据校正、打印和描绘数据曲线等操作。 主要技术指标 本文所设计的便携式血糖检测仪包含以下几个技术指标： 供电电源：两粒 5V电压的纽扣电池。 测量范围：。 8 显示分辨率： 1%。 测量精度： 5%。 测量时间： 20 秒。 存储容量：存储记录最近 100 次的测量结果以及相对应的测量时间和温度。 开机方式：试纸插入自动开机和按键控制开机。 血糖仪工作原理 本设计中传感器是用生物传感器 —— 葡萄糖氧化酶电极进行血糖测试，采集血液中的葡萄糖会与葡萄糖氧化酶进行反应而产生弱电流信号，之后将产生的弱电流通过反馈电路进行信号放大，由于此信号非 常小，不便于测量，因此要通过硬件电路将其转换为电压信号，将采集到的电流转化为电压信号，并对该电压信号通过放大器进行放大和硬件滤波处理。 在 A/D 转换模块中将采集放大后得到的电压信号在单片机中转换为数字信号，并通过单片机数据处理得到葡萄糖的浓度值，最后通过 LCD 显示此结果。 仪表方案设计 根据前面仪表的原理与功能分析、要求可以知道，本设计的硬件主要由：MCU 模块、弱电流检测与放大模块、按键输入模块、 LCD 显示模块、TTLRS232 转换模块及电源控制模块等组成。 系统整体设计框图如图 21 所示。 9 单 片 机M C U生 物 酶 传感 器电 源 控 制液 晶 显 示按 键 输 入串 口 通 信时 钟 及 存储 电 路P C 机温 度 传 感器 图 21 系统整体设计框图 MCU 模块是系统的核心，它需要完成传感器信号的采集与处理、 LCD的驱动、数据的转换与存储，读取按键的状态、与上位机的通信等。 因此需要对单片机合理的选型，才能保证仪表设计目标的实现。 MCU 模块选型 由于本次设计的关键在于血糖仪的低功耗和弱电流检测技术，而MSP430 系列单片机是 TI 公司推出的一种 16 位单片机。 并且由于它具有较高的集成度、丰富的片内外设、超低功耗等优点，非常适合本系统对 MCU模 块的要求。 与其他单片机相比， MSP430 系列单片机具有超低功耗，电源电压采用，待机电流小于 1μ A，在 RAM 数据保持方式时耗电电流小于 μ A,在活动模式时耗电 250μ A/MIPS(MIPS 表示每秒百万条指令 )， I/O 端口的漏电流最大为 50nA，远低于其他系列产品。 并且在系统整合方面根据不同的需要，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功。