利用8位單片機(jī)設(shè)計(jì)一款靈活的低成本血糖儀的教程分析

世界上的糖尿病患者約占人口總數(shù)的 8.5%，現(xiàn)已成為第八大主要致死原因。據(jù)世界衛(wèi)生組織估算，糖尿病將在 2030 年升至第七位。這種增長趨勢(shì)可從近年來的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(dǎo)致對(duì)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(yī)療設(shè)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(jiān)測(cè)設(shè)備的重要組成部分。一天內(nèi)可進(jìn)行多次測(cè)量。大多數(shù)血糖儀基于電化學(xué)技術(shù)。這些血糖儀采用電化學(xué)試紙進(jìn)行測(cè)量。將一小滴待測(cè)溶液置于一次性試紙上，血糖儀將利用該試紙來測(cè)量葡萄糖。在葡萄糖的電化學(xué)測(cè)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(gòu)成模擬接口。跨阻放大器用于測(cè)量葡萄糖濃度。利用顏色反射率原理，根據(jù)光度測(cè)定法來確定試紙反應(yīng)層的色彩強(qiáng)度。血糖儀生成葡萄糖濃度的測(cè)量值。

在電流法中，使用毛細(xì)管吸取試紙一端的溶液。此試紙還包含一個(gè)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在化學(xué)反應(yīng)期間生成電子。隨后測(cè)量流經(jīng)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(huì)測(cè)量環(huán)境溫度以補(bǔ)償溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。大多數(shù)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(gòu)成主生化傳感器（溶液試樣置于其中），它具有三個(gè)電極?；瘜W(xué)反應(yīng)期間，工作電極中會(huì)產(chǎn)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(duì)于工作電極保持恒定，以便推動(dòng)所需的化學(xué)反應(yīng)。第三個(gè)電極是計(jì)數(shù)器電極，作用是為工作電極提供電流。大多數(shù)血糖儀設(shè)計(jì)僅采用參考電極和工作電極。應(yīng)向參考電極施加精確的參考電壓（VREF），向運(yùn)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(qū)動(dòng)試紙輸出電流的激勵(lì)，其幅值隨后用于計(jì)算產(chǎn)生的電子數(shù)量。

將溶液試樣置于試紙上，葡萄糖在酶的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)期間會(huì)產(chǎn)生電子。電子的流動(dòng)對(duì)應(yīng)于流經(jīng)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(zhuǎn)換器）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行測(cè)量?？缱璺糯笃鞯妮敵鲭妷簩㈦S溶液中葡萄糖濃度的變化而變化。

數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案

血糖儀的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案可通過Microchip的8位器件PIC16LF178x實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。這款PIC器件以其超低功耗著稱。它包含兩個(gè)運(yùn)放、兩個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)最多11個(gè)通道的ADC、內(nèi)部EEPROM、I2C和16位定時(shí)器。

圖2：血糖儀框圖

將溶液試樣置于試紙上時(shí)，葡萄糖會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電子?？梢詼y(cè)量電子的流動(dòng)（流經(jīng)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(zhuǎn)換，并通過PIC器件的內(nèi)部放大器以及對(duì)高頻信號(hào)的濾波來測(cè)量電流。隨后，濾波后的信號(hào)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(gè)ADC讀數(shù)。將這些讀數(shù)的平均值代入回歸公式Y(jié)=mX+C，其中Y是葡萄糖濃度（單位為mg/dl），m是斜率，X是運(yùn)放輸出電壓的平均ADC讀數(shù)，C是常數(shù)。

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(nèi)部EEPROM最多可存儲(chǔ)32個(gè)血糖讀數(shù)，可稍后在LCD上查看這些讀數(shù)。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(shí)間（1至1.5秒）和獲取的ADC讀數(shù)數(shù)量應(yīng)根據(jù)所用試紙的類型和特性適當(dāng)修改。

硬件設(shè)計(jì)

此血糖儀的設(shè)計(jì)規(guī)范要求葡萄糖的測(cè)量范圍為20至600 mg/dl（相當(dāng)于1至33mmol/l）。測(cè)試結(jié)果需要在5秒內(nèi)顯示。最近的32個(gè)葡萄糖讀數(shù)應(yīng)自動(dòng)存儲(chǔ)并包含日期和時(shí)間標(biāo)記。由于此血糖儀將根據(jù)試紙?zhí)匦詠韺?shí)現(xiàn)和修改通用回歸公式，因此無需對(duì)試紙進(jìn)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(diào)試和編程。除了以mg/dl和mmol/l為單位顯示葡萄糖測(cè)量結(jié)果外，LCD還能顯示指導(dǎo)消息，如“Insert test strip”（請(qǐng)插入試紙）、“Strip inserted, place the sample”（已插入試紙，請(qǐng)放置試樣）以及“Faulty test strip”（試紙錯(cuò)誤）。需要適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?a target="_blank">檢測(cè)是否插入試紙、測(cè)量溫度以及檢查電池的健康狀況。此血糖儀有兩個(gè)按鈕，一個(gè)用于讀取之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于設(shè)置日期和時(shí)間。

固件特性

固件需通過PIC器件的內(nèi)部運(yùn)放、DAC和ADC來檢測(cè)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(shù)。將試樣置于試紙上并計(jì)算出平均值1.5秒后開始記錄ADC讀數(shù)。葡萄糖濃度可根據(jù)回歸公式和平均ADC讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

固件模塊可用于LCD接口和顯示程序、運(yùn)放的配置、DAC的配置、將葡萄糖讀數(shù)存儲(chǔ)到內(nèi)部EEPROM、讀取ADC通道、計(jì)算葡萄糖濃度以及通過將定時(shí)器用于時(shí)間標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)RTCC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷）。

配置

DAC的參考電壓與內(nèi)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(shè)置為400 mV。

運(yùn)放的輸出（電流到電壓轉(zhuǎn)換器的輸出）通過ADC通道0進(jìn)行測(cè)量。ADC通道3用于測(cè)量電池電壓以指示低電量狀態(tài)。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(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中。休眠模式期間，如果按下開關(guān)S1，PIC器件進(jìn)入存儲(chǔ)器模式，LCD上顯示存儲(chǔ)的葡萄糖讀數(shù)。要查看之前的葡萄糖讀數(shù)，需按下開關(guān)S3。再次按下開關(guān)S1可退出存儲(chǔ)器模式。

16 x 2字符LCD用于顯示葡萄糖讀數(shù)和文本消息。通過單片機(jī)的端口引腳控制LCD的VSS，可在休眠模式期間切斷LCD的電源。

定時(shí)器和外部32.768 kHz時(shí)鐘晶振用于實(shí)現(xiàn)RTCC。通過開關(guān)S1和S3可為RTCC設(shè)置當(dāng)前日期和時(shí)間。

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

圖3：運(yùn)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(shí)間內(nèi)處于休眠模式。

結(jié)論

葡萄糖測(cè)量受到溫度、濕度和海拔等外部因素影響，因?yàn)槊傅姆磻?yīng)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(duì)不同化學(xué)特性的試紙相應(yīng)更改。當(dāng)設(shè)計(jì)與特殊試紙搭配使用的血糖儀時(shí)，必須考慮這些因素。

PIC16LF178X MCU集成運(yùn)放、12位ADC、DAC以及EEPROM，這種組合適合此類需要精確測(cè)量和較低電流消耗的電池供電應(yīng)用。這意味著PIC器件可用于實(shí)現(xiàn)靈活的低成本血糖儀設(shè)計(jì)。