便攜式血糖儀設(shè)計(jì)

1、Logo,緒論,目錄,1,血糖儀的整體設(shè)計(jì),2,系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),3,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),4,血糖儀的調(diào)適與仿真,5,6,7,造型設(shè)計(jì)方案,PCB板制作,總結(jié),8,緒論·選題背景及研究意義,糖尿病(DM，Diabetes Mellitus)是一種常見(jiàn)的慢性非傳染性疾病，是由遺傳和環(huán)境因素相互作用而引起的臨床綜合征(慢性、全身性、代謝性疾病)，是終生性疾病。由人體內(nèi)胰腺分泌胰島素缺乏，或因胰島素功能失調(diào)所至。這種功能失調(diào)導(dǎo)致血中葡萄糖

2、濃度增高，從而危及體內(nèi)諸多系統(tǒng)，特別對(duì)血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)影響最大。,Logo,,中國(guó)心血管報(bào)告公布的數(shù)據(jù)顯示，近20年來(lái)，中國(guó)糖尿病患病率成倍增長(zhǎng)，目前中國(guó)約有2000多萬(wàn)糖尿病患者，耐糖量低減者2000萬(wàn)，中國(guó)已經(jīng)成為全球糖尿病患者人數(shù)第二大國(guó)，僅次于印度。據(jù)世界衛(wèi)生組織預(yù)計(jì)，到2025年,全球成人糖尿病患者人數(shù)將增至3億，而中國(guó)糖尿病人數(shù)已居世界第3位，未來(lái)50年內(nèi)糖尿病仍是中國(guó)一個(gè)嚴(yán)重的公共衛(wèi)生疾病問(wèn)題。,Logo,,分析發(fā)現(xiàn)，在

3、人類(lèi)基因和不良飲食習(xí)慣的影響下，年齡、肥胖癥、糖尿病家族史、高血壓、高血脂癥、低收入、日常體育鍛煉不足已是糖尿病及代謝綜合征主要危險(xiǎn)因素，在加強(qiáng)健康普及教育的同時(shí)，系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)抗糖尿病新藥和新劑型,積極研發(fā)更先進(jìn)的醫(yī)療器械來(lái)預(yù)防、控制和治療糖尿病及其并發(fā)癥具有積極的意義。,Logo,,血糖濃度是反映病情狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，經(jīng)常性地進(jìn)行血糖測(cè)量可及時(shí)把握病情變化并及早采取治療措施。嚴(yán)格控制血糖到接近正常水平，比一般的控制血糖，可使慢性并發(fā)

4、癥減少約2/3。因此，血糖監(jiān)測(cè)對(duì)于糖尿病患者是非常重要的。使用便攜式血糖儀進(jìn)行測(cè)定并記錄結(jié)果，可了解一日內(nèi)血糖的波動(dòng)幅度和平均值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，并可作為調(diào)整藥物治療的依據(jù),Logo,,隨著疾病譜、醫(yī)學(xué)模式和醫(yī)療方式的改變，一些適用于社區(qū)、面向家庭的便攜式監(jiān)測(cè)和治療裝置將成為市場(chǎng)需求最多的醫(yī)療器械產(chǎn)品。目前我國(guó)醫(yī)療方式已經(jīng)開(kāi)始從單純對(duì)疾病的院內(nèi)治療，逐步轉(zhuǎn)向院前預(yù)防、急救，院內(nèi)診斷、治療，院外監(jiān)測(cè)、康復(fù)以及日常家庭醫(yī)療保健等

5、多元化、多層次的現(xiàn)代化醫(yī)療保障體系。因此，適于基層社區(qū)醫(yī)生應(yīng)用的，可以面向家庭的便攜式監(jiān)測(cè)和治療裝置，將成為市場(chǎng)需求最多的醫(yī)療器械產(chǎn)品,Logo,選題背景及研究意義·小結(jié),未來(lái)醫(yī)學(xué)模式將由單純的治療型逐漸向治療與預(yù)防保健相結(jié)合的模式轉(zhuǎn)變，特別是隨著個(gè)人健康意識(shí)增強(qiáng)，性能良好、使用方便的用于家庭的預(yù)防治療設(shè)備、健康自我檢測(cè)設(shè)備將成為家庭中新的“家電”。,Logo,緒論·便攜式血糖儀概述,便攜式血糖儀至今，一共經(jīng)歷了五個(gè)

6、發(fā)展階段第一個(gè)階段是水洗式血糖儀，它的操作過(guò)程比較復(fù)雜，檢測(cè)前首先要在試紙上滴入血樣，一分鐘后把試紙放入水中沖洗，去除血樣中的紅細(xì)胞，然后再把試紙放入儀器中測(cè)試并得出測(cè)試結(jié)果第二個(gè)階段是擦血式血糖儀，它不需要用水沖洗試紙，當(dāng)血樣滴入試紙，產(chǎn)生反應(yīng)后將試紙上的血細(xì)胞擦去即可進(jìn)行測(cè)試第三個(gè)階段是比色法血糖儀，常用的比色法有兩種，即目視比色法和光電比色法，它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確第四個(gè)階段是電化學(xué)法血糖儀，包括葡萄糖氧化酶電極

7、測(cè)量法和葡萄糖脫氫酶電極測(cè)量法，它們的共同特點(diǎn)都是將血樣中的葡萄糖同試紙中的酶進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，它的測(cè)量時(shí)間大大縮短，而且測(cè)量精度高，目前市場(chǎng)上的血糖儀多采用此種方法。第五個(gè)階段是微采血量、多部位采血血糖儀，此種血糖儀顛覆了傳統(tǒng)的僅能手指采血的缺點(diǎn)，它可以在四肢，手掌等多部位進(jìn)行采血，采血量降低到了0.3微升，這種幾乎不會(huì)感覺(jué)到疼痛的血糖儀必將在未來(lái)成為血糖儀市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。,Logo,血糖儀的發(fā)展,,縱觀血糖儀歷史的五個(gè)階段可以發(fā)現(xiàn)

8、，血糖儀正朝著體積越來(lái)越小，操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，越來(lái)越方便患者，精度越來(lái)越高，采血量越來(lái)越少方向發(fā)展。據(jù)了解美國(guó)雅培公司最新首創(chuàng)了目前世界上最先進(jìn)的血糖檢測(cè)技術(shù)——生物電感應(yīng)技術(shù)，新一代的血糖儀已經(jīng)進(jìn)入了多功能時(shí)代，未來(lái)的血糖儀將不僅僅可以測(cè)量人體血糖，它還將可以測(cè)量人體血酮、血壓、尿酸等。,Logo,血糖儀發(fā)展小結(jié),緒論·便攜式血糖儀的分類(lèi),一、按工作原理分類(lèi)從工作原理上便攜式血糖儀分為兩種，一種是光電型，一種是電極型。光

9、電血糖儀有一個(gè)光電頭，但探測(cè)頭暴露在空氣里，很容易受到污染，影響測(cè)試結(jié)果，使用壽命比較短，一般在兩年之內(nèi)是比較準(zhǔn)確的，兩年后需要定期做校準(zhǔn)；電極型的測(cè)試原理比較科學(xué)，電極口內(nèi)藏，可以避免污染，并且測(cè)試的精讀比較高，正常使用的情況下，不需要校準(zhǔn)，壽命長(zhǎng)。,Logo,,二、按測(cè)糖方式分類(lèi)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的血糖儀按照測(cè)糖技術(shù)可以分為電化學(xué)法測(cè)試和光反射技術(shù)測(cè)試兩大類(lèi)。前者是酶與葡萄糖反應(yīng)產(chǎn)生的電子再運(yùn)用電流記數(shù)設(shè)施，讀取電子的數(shù)量，再轉(zhuǎn)化成

10、葡萄糖濃度讀數(shù)。后者是通過(guò)酶與葡萄糖的反應(yīng)產(chǎn)生的中間（帶顏色物質(zhì)），運(yùn)用檢測(cè)器檢測(cè)試紙反射面的反射光的強(qiáng)度，將這些反射光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度。,Logo,,三、按采血方式分類(lèi)現(xiàn)在多數(shù)血糖儀都是破損型的，就是需要采血來(lái)測(cè)定血糖值。采血型的便攜式血糖儀從采血方式上有兩種，一種是滴血式（也叫抹血式），一種是吸血試。滴血式的血糖儀一般采血量比較大，疼痛感很強(qiáng)，患者比較痛苦。這一類(lèi)型的血糖儀采血量要掌握好，如果采血偏多，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，如

11、果采血量不夠，操作失敗則會(huì)浪費(fèi)試紙，這種血糖儀多為光電式的。,Logo,緒論·血糖檢測(cè)技術(shù),血糖檢測(cè)儀自1968年由國(guó)外研究人員Tom Clemens發(fā)明至今，已經(jīng)歷了有創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)、連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的階段，并向檢測(cè)治療一體化的方向發(fā)展。隨著血糖檢測(cè)儀性能的不斷改進(jìn)，其準(zhǔn)確性大大提高，其中連續(xù)動(dòng)態(tài)血糖檢測(cè)儀可以更好地指導(dǎo)臨床用藥，必將大幅提高糖尿病的治療效果。血糖傳統(tǒng)檢測(cè)方法是從體內(nèi)抽取血液進(jìn)行生化分析，這屬于有創(chuàng)檢測(cè)，不僅給病人帶

12、來(lái)痛苦，而且容易造成各種體液傳染性疾病傳播。近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)及連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行血糖濃度檢測(cè)的新技術(shù)，這種方法改變了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的弊端，使用方便。,Logo,血糖微創(chuàng)檢測(cè),血糖檢測(cè)從有創(chuàng)到微創(chuàng)的發(fā)展過(guò)程，也是血漿糖測(cè)定到毛細(xì)血管全血糖測(cè)定的發(fā)展，目前大多使用葡萄糖生物傳感器來(lái)檢測(cè)血糖濃度，按工作原理可分為電化學(xué)型、壓電型、熱電型、光學(xué)型等，其中電化學(xué)型是血糖檢測(cè)的主流。,Logo,,1962年，Clark就提出了葡萄糖生物傳感器的

13、原理，他們預(yù)示用一薄層葡萄糖氧化酶(GOD)覆蓋在氧電極表面，通過(guò)氧電極檢測(cè)溶液中溶解氧的消耗量可以間接測(cè)定葡萄糖的含量。1968年Updike和Hikcs根據(jù)此原理成功地制成了第一支葡萄糖生物傳感器。從此以后，基于酶電極的電流型生物傳感器得到了迅速的發(fā)展。,Logo,電化學(xué)型檢測(cè)原理,,根據(jù)生物電化學(xué)原理設(shè)計(jì)的便攜式血糖儀是采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷電極(即血糖試條)作為傳感器，將被測(cè)血樣滴在試條上，電極上的氧化酶促使血樣中的

14、葡萄糖與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)式為：葡萄糖+O2+H2O=葡萄糖酸+H2O2,Logo,,,該反應(yīng)所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極，電極在恒定的工作電壓(0．5V)作用下便產(chǎn)生電流。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，酶電極的電流值的大小與血樣中葡萄糖濃度呈一定的線性關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)電流變化與葡萄糖濃度的這個(gè)線性關(guān)系達(dá)到檢測(cè)血糖濃度的目的。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“施加一定電壓于經(jīng)酶反應(yīng)后的血液產(chǎn)生的電流會(huì)隨著血液中的血糖濃度的增加而增加"。通過(guò)精

15、確測(cè)量出這些微弱電流，并根據(jù)電流值和血糖濃度的關(guān)系，反算出相應(yīng)的濃度。,Logo,,值得注意的是：即使是某一濃度的血糖在試條產(chǎn)生的電流也會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，一般會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加并逐漸趨向穩(wěn)定；而對(duì)于不同的濃度的血糖來(lái)說(shuō)，在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，電流也隨著濃度的增加而增加。所以，在權(quán)衡時(shí)間和穩(wěn)定性后，確定某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的電流值和血糖濃度之間的關(guān)系是問(wèn)題的核心。,Logo,,血糖是通過(guò)試條上的酶轉(zhuǎn)換為能導(dǎo)電的物質(zhì)并在其上施加一定的電壓來(lái)產(chǎn)

16、生相應(yīng)的電流，然后設(shè)備檢測(cè)出這個(gè)電流值，再通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算公式反算成血糖值。電流值與血糖濃度并非成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是受多方面因素影響的復(fù)雜關(guān)系。電流值檢測(cè)的精確與否直接影響測(cè)量結(jié)果，所加的用于產(chǎn)生電流的電壓大小、所使用的試紙條及用于檢測(cè)的血液量的多寡都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，過(guò)多和過(guò)少的血量都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。因此，需要在大量的實(shí)驗(yàn)下，才能得出比較準(zhǔn)確的關(guān)系。,Logo,血糖無(wú)創(chuàng)檢測(cè),無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)是在不損傷皮膚的條件下測(cè)量出人體血液中血糖濃

17、度的新方法。它能解除糖尿病患者經(jīng)?；?yàn)所需要的針刺取血的痛苦，避免病毒通過(guò)血液傳染的危險(xiǎn)。同時(shí)它能有效地提高對(duì)血糖監(jiān)測(cè)的水平，降低患者的危險(xiǎn)。,Logo,,一、采用光學(xué)方法測(cè)量血糖，這是近年國(guó)際上熱門(mén)的研究課題，目的是為糖尿病患者研制出無(wú)創(chuàng)、方便、連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖濃度的便攜式監(jiān)測(cè)儀。但到目前為止，還沒(méi)有正式用于臨床的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀。,Logo,無(wú)創(chuàng)檢測(cè)分類(lèi),,二、采用唾液測(cè)量法測(cè)量血糖。經(jīng)醫(yī)務(wù)專(zhuān)家們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，證明血糖濃度與

18、唾液中所含的淀粉酶成正比，所以，可以通過(guò)測(cè)量人體口腔中唾液含淀粉酶的多寡間接地知道血糖的高低。此種方法，可以避免病人因消毒不嚴(yán)而引起的細(xì)菌感染；另一方面，由于是無(wú)創(chuàng)探測(cè)，無(wú)痛苦，可以讓所有病人都能接受。這種探測(cè)方法的成功，除了要求研究高靈敏度、高特異性的試紙外，還應(yīng)該研究高靈敏度、和高線性度的檢測(cè)裝置。,Logo,,現(xiàn)有處于試驗(yàn)階段的便攜式血糖儀，它通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，照射在用唾液特殊處理的試紙上，再經(jīng)線性度和穩(wěn)定度很好的

19、光敏二極管接收試紙反射的光，然后經(jīng)一系列處理后，送入顯示器顯示血糖濃度的相對(duì)高低。此儀器目前存在的問(wèn)題是用唾液檢測(cè)人體血糖濃度的相對(duì)變化荃本呈線性，穩(wěn)定度和靈敏度較高，操作使用方便。但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出結(jié)果有一定的離散性，這可能是主要由于某些元件造成的，儀器要用于臨床還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。這方面的工作仍在繼續(xù)。,Logo,血糖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),由于生化分析法和快速血糖儀這種有創(chuàng)或微創(chuàng)技術(shù)不能連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)患者的血糖而得不到更接近真實(shí)情況。因此，動(dòng)態(tài)

20、血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CGMS)應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)態(tài)光譜法可消除個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)光譜檢測(cè)的影響。,Logo,,有研究認(rèn)為，由于動(dòng)脈的脈動(dòng)現(xiàn)象，血管中血流量呈周期性變化，血液是不透明液體，光在血液中的穿透性要比在組織穿透小幾十倍，因此脈搏的變化可以引起近紅外光譜吸光度的變化，所以通過(guò)動(dòng)態(tài)光譜記錄動(dòng)脈充盈至最大與動(dòng)脈收縮至最小時(shí)的吸光度值，可以消除個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)光譜測(cè)量的影響，校正模型預(yù)測(cè)能力，提高光譜檢測(cè)的精度,Logo,優(yōu)勢(shì)所在,,動(dòng)態(tài)血糖

21、檢測(cè)系統(tǒng)是由醫(yī)療人員操作，可以監(jiān)測(cè)患者3天的血糖變化，使醫(yī)生全面了解患者血糖波動(dòng)類(lèi)型和走勢(shì)的裝置。一般的動(dòng)態(tài)血糖檢測(cè)系統(tǒng)包括探頭、信息記錄器、信息提取器和軟件系統(tǒng)。但是，目前，這種血糖檢測(cè)儀在技術(shù)上還不成熟，仍需利用靜脈抽血式血糖儀加以校正。,Logo,缺點(diǎn)所在,便攜式血糖儀概述·小結(jié),有創(chuàng)技術(shù)和無(wú)創(chuàng)技術(shù)各有優(yōu)劣，在一個(gè)較長(zhǎng)的階段，兩種技術(shù)將取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同發(fā)展，但糖尿病的確診必須以靜脈血樣分析得出的血糖值作為標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)創(chuàng)和連續(xù)動(dòng)

22、態(tài)式血糖檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性必須定期檢測(cè)校正。有創(chuàng)或微創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展比較成熟，盡管近年來(lái)無(wú)創(chuàng)和連續(xù)動(dòng)態(tài)式血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，但仍有待繼續(xù)研究提高。采用無(wú)線電波和微波技術(shù)測(cè)量葡萄糖含量也在進(jìn)行研究。相信隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，血糖檢測(cè)技術(shù)將向快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便方向提高。,Logo,緒論·傳感器類(lèi)型,1967 年Updik 和Hicks 首次研制出以鉑電極為基體的葡萄糖氧化酶(GOD) 電極，用于定量檢測(cè)血清中的葡萄糖含量。該方

23、法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中間，形成一個(gè)“三明治”的結(jié)構(gòu)，再將此結(jié)構(gòu)附著在鉑電極的表面。在施加一定電位的條件下，通過(guò)檢測(cè)氧氣的減少量來(lái)確定葡萄糖的含量。由于大氣中氧氣分壓的變化，會(huì)導(dǎo)致溶液中溶解氧濃度的變化，從而影響測(cè)定的準(zhǔn)確性。采用過(guò)氧化氫電極作為基礎(chǔ)電極，其優(yōu)點(diǎn)是葡萄糖濃度與產(chǎn)生的H2O2 有當(dāng)量關(guān)系，不受血液中氧濃度變化的影響。,Logo,經(jīng)典葡萄糖酶電極,,在葡萄糖氧化酶電極中引入化學(xué)介體(chemical medi

24、ator) 取代O2PH2O2 ，作用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循環(huán)使用，而電子傳遞介體本身被還原，又在電極上被氧化。利用電子傳遞介體后，既不涉及O2也不涉及H2O2 ，而是利用具有較低氧化電位的傳遞介體在電極上產(chǎn)生的氧化電流，在測(cè)定葡萄糖時(shí)，可以避免其他電活性物質(zhì)的干擾，提高了測(cè)定的靈敏度和準(zhǔn)確性。,Logo,介體葡萄糖酶電極,,第三代生物傳感器就是在無(wú)媒介體存在下，利用酶與電極間的直接電子傳遞設(shè)計(jì)制作葡萄糖傳感器。與經(jīng)典酶電極

25、和介體酶電極相比，既不需要氧分子，也不需要化學(xué)介體分子作為電機(jī)受體，通常也不需要固定化載體，而是將酶共價(jià)鍵合到化學(xué)修飾電極上，或?qū)⒚腹潭ǖ蕉嗫纂娋酆衔镄揎楇姌O上，使酶氧化還原活性中心與電極接近，直接電子傳遞就能夠相對(duì)容易地進(jìn)行，從而使電極的響應(yīng)速度更快、靈敏度更高，真正實(shí)現(xiàn)酶的專(zhuān)一和高效催化,Logo,直接葡萄糖酶電極,血糖儀的整體設(shè)計(jì)·總體方案,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用酶電極法對(duì)血糖進(jìn)行采集。在葡萄糖氧化酶電極兩端加0.5V的電壓

26、，這個(gè)電壓要保持恒定，不能隨葡萄糖濃度的變化而變化。,Logo,,當(dāng)?shù)稳胙獦又?，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下與氧反應(yīng)產(chǎn)生微電流信號(hào)，由于此信號(hào)非常小，不便于測(cè)量，所以通過(guò)硬件電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過(guò)放大器進(jìn)行放大和硬件濾波處理，再通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被CPU處理的數(shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)并對(duì)其進(jìn)行軟件濾波，進(jìn)而對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，換算成血糖含量數(shù)據(jù)，結(jié)果通過(guò)LCD顯示出來(lái),Logo,,其中，濾波的目

27、的是去除干擾信號(hào)(主要是來(lái)自電源和各種因素產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲)，使得測(cè)試更加精確。一般來(lái)說(shuō)，血糖測(cè)量至少有如圖所示的這些過(guò)程組成。,Logo,血糖儀的整體設(shè)計(jì)·主要器件介紹,設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸和放大采用的是低功耗,低功率的運(yùn)算放大器LM324。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而

28、消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。,Logo,LM324,,設(shè)計(jì)中采用的核心器件是AT89C51。它具有4k 字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。,Logo,AT89C51,,設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是八位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808。它是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路

29、轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯8通道多路轉(zhuǎn)換器，能直接連通8個(gè)單端模擬信號(hào)中任何一個(gè)。,Logo,ADC0808,,設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的輸出模塊采用的是液晶顯示器LM016L，它具有可以直接顯示圖形、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，適用于便攜式儀器的設(shè)計(jì)。,Logo,LM016L,系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)·信號(hào)前置通道設(shè)計(jì),所謂微弱信號(hào)(本設(shè)計(jì)中弱電流范圍0~20µA)，不光指信號(hào)本身的幅值很小，更強(qiáng)調(diào)信號(hào)被噪聲所淹沒(méi)。血液與血糖

30、酶反應(yīng)產(chǎn)生的電流是極其微弱的，通常為幾微安到幾十微安。由于MCU上A/D轉(zhuǎn)換的是電壓信號(hào)，而我們所要確定的是電流信號(hào)。因此在放大電流信號(hào)的同時(shí)，還需要將它轉(zhuǎn)換為等效的電壓信號(hào)。另外，為了節(jié)電以及配合實(shí)際的試條的要求，血糖儀需要對(duì)檢測(cè)電極加電與否進(jìn)行控制。,Logo,弱電流信號(hào)的檢測(cè)設(shè)計(jì),,AT89C51介紹采用的是單片機(jī)芯片是AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Prog

31、rammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。,Logo,以單片機(jī)AT89C51為例的控制電路設(shè)計(jì),,Logo,,單片機(jī)基本系統(tǒng)即單片機(jī)正常工作不可缺少的部分，進(jìn)行設(shè)計(jì)都要在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行。它包括振蕩電路，復(fù)位電路和電源。,Logo,關(guān)于單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),,TAL1，XTAL2為外接晶振的兩個(gè)引腳。接入晶振時(shí)，還要接人兩個(gè)瓷片電容C1，C2，晶振頻率1

32、2 MHz。,Logo,外接晶振,,上電復(fù)位正常后，PC值才為0000H，即指向R0M 的0000H單元。此外，專(zhuān)用寄存器SFR中的SP為O7H，即指向片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(片內(nèi)RAM)07H單元，P0～P3值為0FFH，其余的專(zhuān)用寄存器值大多為00H。復(fù)位電路有開(kāi)機(jī)自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。,Logo,復(fù)位與復(fù)位電路,,ADC0808介紹ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以

33、根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。,Logo,,LCD液晶顯示簡(jiǎn)介,Logo,,一、引腳功能說(shuō)明LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如下:第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄

34、存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。,Lo

35、go,,二、液晶顯示器的顯示原理:點(diǎn)陣圖形式液晶由M×N個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上64×16個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H——00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條

36、短亮線，長(zhǎng)度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。,Logo,軟件總體設(shè)計(jì),軟件部分是根據(jù)硬件電路的功能模塊而實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)了主程序和幾個(gè)子程序模塊。測(cè)試流程主要由采樣、清屏、寫(xiě)代碼、寫(xiě)地址、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)、滿(mǎn)屏顯

37、示、數(shù)據(jù)顯示、延時(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等過(guò)程組成，整個(gè)系統(tǒng)程序都是采用結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。血糖儀的相關(guān)子程序包括：A／D轉(zhuǎn)換子程序、血糖值顯示子程序、液晶顯示子程序等。這種通過(guò)軟件方法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想不僅簡(jiǎn)化了儀器硬件結(jié)構(gòu)，而且降低了儀器功耗、成本和體積。,Logo,Logo,,Logo,軟件設(shè)計(jì)·血糖值顯示及報(bào)警程序設(shè)計(jì),血糖儀的調(diào)試與仿真·問(wèn)題及解決辦法,在硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，有些器件的選擇很盲目，例如最初在選擇

38、電阻時(shí)由于PROTEUS中電阻類(lèi)型很多，隨意的選擇并不能實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的功能,還由于沒(méi)有考慮到芯片的特性,引腳布局和實(shí)際不符，模塊的搭配不理想等，以至于在仿真的過(guò)程中總是提示錯(cuò)誤不能運(yùn)行，通過(guò)尋找合適的器件解決了出現(xiàn)的問(wèn)題。,Logo,PCB板制作,一．去耦。每個(gè)功能型的重要部件的電源接入端跨接一個(gè)100 μF 的電解電容；每個(gè)集成電路芯片旁邊放置一個(gè)0.01 pF 的鉭電容作為去耦電容。ROM 、 RAM 存儲(chǔ)器件的電源線和地線之間直接

39、接入去禍電容。每10片左右的集成電路要加一片充放電電容 (鉭電容) ，或稱(chēng)為蓄放電容，可以有效地抑制高頻噪聲。以上的元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。,Logo,,二．正確接地。設(shè)想的電路是數(shù)字模擬混合的電路，存在著各種“地”。有生物電信號(hào)地、模擬地、數(shù)字地、機(jī)殼地 ( 屏蔽地)。模擬地部分采用串連并聯(lián)綜合一點(diǎn)接地，數(shù)字地采用多點(diǎn)接地。數(shù)字地和模擬地在一點(diǎn)相接。不同性質(zhì)的接地線：低電平的模擬地、數(shù)字地以及大功率驅(qū)動(dòng)電路的地分開(kāi)，在電源

40、接入處一點(diǎn)相連。,Logo,,三．正確選用元件，主要是選擇了抗干擾能力強(qiáng)的和精度高的器件，采用能增強(qiáng)抗干擾能力的電路和措施。四．加寬電源、地線寬度。地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線>電源線>信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：0 .2 ~0 .3 mm ，最細(xì)寬度可達(dá) 0.05~0.07 mm ，電源線為1.2~2.5 mm。對(duì)數(shù)字電路的PCB 可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用。,Logo,,五．時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到

41、用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接，時(shí)鐘線盡量短。時(shí)鐘下使用大面積覆銅。石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。六．用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用。,Logo,,七．盡量縮短信號(hào)引線的長(zhǎng)度，并盡量加粗信號(hào)引線的長(zhǎng)度，以減小信號(hào)的衰減。 無(wú)用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。以減少外界干擾和噪聲對(duì)芯片的影響。八．印制板盡量使用45°折

42、線而不用90°折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。九．印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)些。弱信號(hào)電路，低頻電路周?chē)灰纬呻娏鳝h(huán)路。任何信號(hào)都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。,Logo,造型設(shè)計(jì)方案,,Logo,,,,,Logo,,,Logo,,設(shè)計(jì)中除了基本的測(cè)量血糖濃度的功能外，系統(tǒng)還增加了報(bào)警系統(tǒng)，使用戶(hù)不僅可以定時(shí)測(cè)量，而且還可以及時(shí)的了解病情，采取相應(yīng)措施。綜上所述，設(shè)

43、計(jì)的儀器具有以下特點(diǎn)：攜帶、使用方便：采用酶電極法原理簡(jiǎn)化了血糖檢測(cè)的繁瑣程序；報(bào)警系統(tǒng)的加入使得用戶(hù)可以方便的了解自己的血糖狀況，進(jìn)而及時(shí)采取有效措施控制病情。,Logo,,[1] Diabetes Atlas，(third edition)[EB／OL]．International Diabetes Federation，2007[2]劉娟，王尚奇，簡(jiǎn)水生．血糖濃度檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展[J]．激光生物學(xué)報(bào)，2005，14(5)：39

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49、總結(jié),本設(shè)計(jì)針對(duì)目前世界上人們都關(guān)注的并且在當(dāng)今比較熱門(mén)的糖尿病病人的血糖測(cè)試問(wèn)題做了一次綜合的嘗試——設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、適用的血糖儀。目前，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，血糖儀的設(shè)計(jì)己經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，通過(guò)查閱不同的資料和信息，對(duì)血糖儀的測(cè)試原理有了一定的了解，進(jìn)而對(duì)整個(gè)血糖儀設(shè)計(jì)有了基本完整的構(gòu)想。,Logo,,[17]楊寧,胡學(xué)軍單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:255～370[18]范立南,李雪飛,尹授遠(yuǎn).單

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