適合于國(guó)內(nèi)血糖儀的微處理器全方面解析方案

引言

當(dāng)前市場(chǎng)上血糖儀種類繁多，外形結(jié)構(gòu)千奇百態(tài)，而價(jià)格和精度卻大相徑庭;且價(jià)格和精度難以兼得。原因在于沒有找到一款合適的微處理器。另外，出于屏幕尺寸的限制，界面普遍采用英文字符顯示，這給中國(guó)病人上帶來一定的困惑。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器功能日益增強(qiáng)，價(jià)格日趨降低。有必要選出一款功能強(qiáng)大而價(jià)格便宜的微處理器來重新設(shè)計(jì)血糖儀。本系統(tǒng)選用的MSP430系列微處理器使上述設(shè)想成為可能。

原理

血糖儀是根據(jù)電生物化學(xué)原理——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——設(shè)計(jì)的。通過精確測(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。所以，確定這個(gè)關(guān)系是問題的核心。但其關(guān)系復(fù)雜，受多方面因素影響。電壓強(qiáng)度、所使用的試條以及檢測(cè)的血液量都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。理論上需要在所有濃度點(diǎn)上大量實(shí)驗(yàn)才能確定最終的關(guān)系。在實(shí)際操作中，只需在選擇若干重要濃度點(diǎn)做大量實(shí)驗(yàn)，并確定其與電流值之間的關(guān)系。而相鄰濃度點(diǎn)之間用簡(jiǎn)單的線性關(guān)系取代。圖1是本設(shè)計(jì)總結(jié)出一定量電壓下的關(guān)系曲線。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)血糖儀功能的實(shí)際需求，結(jié)合MSP430系列單片機(jī)特點(diǎn)，采用型號(hào)為MSP430F435的單片機(jī)作為控制核心，其它模塊還有電流檢測(cè)、按鍵輸入和電源、顯示、揚(yáng)聲器及串口通信等。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

MSP430F435單片機(jī)

本系統(tǒng)選用的單片機(jī)MSP430F435具有16Kb Flash存儲(chǔ)器、512B RAM、多達(dá)160段LCD驅(qū)動(dòng)器、8通道/12位ADC及大量的I/O端口等，完全滿足本血糖儀的各項(xiàng)功能需求。

圖2 微處理器的端口設(shè)置

主要端口設(shè)置如圖2所示。其中COM0~COM3、S16~S39、R03~R33用于實(shí)現(xiàn)LCD顯示; Port74和Port75用于串行通信;Port79~Port81為按鍵的輸入端;Port76和Port77分別為運(yùn)算放大器和RS-232芯片提供供電電壓。Port78連接蜂鳴器;Port2和Port3為ADC輸入;Port7參考電壓輸出;XOUT和XIN連接32KHz的晶振，這是系統(tǒng)的時(shí)鐘源。

LCD顯示

MSP430F435具有液晶驅(qū)動(dòng)功能，最大能支持160段LCD，并且具有功耗低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用中文界面的LCD顯示，這也是本款血糖儀的一大特點(diǎn)。此LCD有96碼段，內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大。極大地方便了國(guó)內(nèi)病人的使用。

血糖檢測(cè)

從原理中已經(jīng)知道，測(cè)量血糖時(shí)需要在相應(yīng)的電極上施加一定的電壓，而電壓的穩(wěn)定性將直接影響測(cè)量結(jié)果，因此，考慮從相對(duì)穩(wěn)定的參考電壓得到，而不是直接從供電電源中得到。

MSP430單片機(jī)A/D采樣的是電壓值，而被檢測(cè)的是微量的電流值;因而也需要將電流值放大并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。采用如圖3所示的電路就能實(shí)現(xiàn)這一要求。其中，電阻R用于放大。此外，過少的血液量也將造成結(jié)果偏差;所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)用于檢測(cè)血液是否足量的簡(jiǎn)單電路。而此電路完全可以用與圖3相同的電路來代替。因此采用兩個(gè)這樣的電路就可以實(shí)現(xiàn)血糖測(cè)量。

圖3 放大電路

其它模塊

本系統(tǒng)的供電電壓為3V，采用兩塊電池。其中一塊是主供電源;另一塊為備用，以便設(shè)備在換電池時(shí)仍能正常工作。

按鍵采用三個(gè)，分別是左鍵、右鍵和OK鍵;OK鍵主要用于開、關(guān)機(jī)和確認(rèn)等，左鍵用于數(shù)字減或選項(xiàng)左移等，而右鍵則與左鍵相反。

由于血糖儀中存有大量的測(cè)量結(jié)果，因此有必要增加串口通信功能，將這些結(jié)果上傳到PC作進(jìn)一步處理。而單片機(jī)本身就具有串行通信接口，只需將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平即可;這里采用SP3232芯片來實(shí)現(xiàn)這一功能。SP3232芯片所需的供電電壓低，適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。其外圍電路的連接簡(jiǎn)單，僅需幾個(gè)0.1uF的電容即可。