血糖测试仪

《单片机原理及应用》

课程设计报告书

课题名称血糖测试仪

姓名黄嘉成

学号 2012118010255

专业电子工程及其自动化

指导教师

机电与控制工程学院

2015年 6月 24日

目录

一、绪论 (1)

二、方案论证 (1)

三、方案说明 (3)

四、系统硬件电路设计 (4)

五、系统软件设计 (8)

六、血糖仪的调试与仿真 (11)

七、技术小结 (13)

八、参考文献 (13)

九、附录 (14)

一、绪论

糖尿病(DM，Diabetes Mellitus)是一种常见的慢性非传染性疾病，是由遗传和环境因素相互作用而引起的临床综合征(慢性、全身性、代谢性疾病)，是终生性疾病。由人体内胰腺分泌胰岛素缺乏，或因胰岛素功能失调所至。这种功能失调导致血中葡萄糖浓度增高，从而危及体内诸多系统，特别对血管系统和神经系统影响最大。

血糖浓度是反映病情状况的一个重要指标，经常性地进行血糖测量可及时把握病情变化并及早采取治疗措施。严格控制血糖到接近正常水平，比一般的控制血糖，可使慢性并发症减少约2/3。因此，血糖监测对于糖尿病患者是非常重要的。使用便携式血糖仪进行测定并记录结果，可了解一日内血糖的波动幅度和平均值，及时发现和处理异常情况，并可作为调整药物治疗的依据。

二、方案论证

血糖检测从有创到微创的发展过程，也是血浆糖测定到毛细血管全血糖测定的发展，目前大多使用葡萄糖生物传感器来检测血糖浓度，按工作原理可分为电化学型、压电型、热电型、光学型等，其中电化学型是血糖检测的主流。大多数上市的血糖仪都是电化学型的测电流葡萄糖传感器[。1962年，Clark就提出了葡萄糖生物传感器的原理，他们预示用一薄层葡萄糖氧化酶(GOD)覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量。1968年Updike和Hikcs根据此原理成功地制成了第一支葡萄糖生物传感器。从此以后，基于酶电极的电流型生物传感器得到了迅速的发展。

葡萄糖氧化酶电极的结构

根据生物电化学原理设计的便携式血糖仪是采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷电极(即血糖试条)作为传感器，将被测血样滴在试条上，电极上的氧化酶促使血样中的葡萄糖与氧发生氧化还原反应，相关化学反应式为：

葡萄糖+O 2+H 2O 葡萄糖酸+H 2O 2

该反应所产生的电子被导电介质转移给电极，电极在恒定的工作电压(0．5V)作用下便产生电流。经过一段时间后，酶电极的电流值的大小与血样中葡萄糖浓度呈一定的线性关系，通过检测电流变化与葡萄糖浓度的这个线性关系达到检测血糖浓度的目的。简单地说就是“施加一定电压于经酶反应后的血液产生的电流会随着血液中的血糖浓度的增加而增加"。通过精确测量出这些微弱电流，并根据电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。

0 5 10 15 20 25 30 35 2.0

5.8

15.0

30.0

mmol/L

I/uA

电流变化与葡萄糖浓度的关系

如图所示，理想情况下，电流变化与葡萄糖浓度呈线性关系，要确定二者之间的直线系数，可使用样机测得的几组数据，通过对数据进行多次直线拟合，即可得到血糖值和电流值之间的关系图。

三、 方案说明

§3.1 方案总体设计

全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的方案，同时考虑软硬件实现的可行性。

本系统的设计，采用酶电极法对血糖进行采集。在葡萄糖氧化酶电极两端加0.5V 的电压，这个电压要保持恒定，不能随葡萄糖浓度的变化而变化。当滴入血样之后，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下与氧反应产生微电流信号，由于此信号非常小，不便于测量，所以通过硬件电路将其转换为电压信号，该电压信号通过放大器进行放大和硬件滤波处理，再通过A／D转换器将模拟信号转换为可以被CPU处理的数字信号，输入单片机并对其进行软件滤波，进而对读取的数据进行处理、转换，换算成血糖含量数据，结果通过LCD显示出来。其中，滤波的目的是去除干扰信号(主要是来自电源和各种因素产生的系统噪声)，使得测试更加精确。一般来说，血糖测量至少有如图所示的这些过程组成。

总体设计框图

§3.2主要器件介绍

设计中实现信号的有效传输和放大采用的是低功耗,低功率的运算放大器LM324。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

设计中采用的核心器件是AT89C51。它具有4k 字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一

个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

设计中实现模数转换采用的是八位逐次逼近式A/D转换器ADC0808。它是一种单片CMOS器件，包括8位的模/数转换器、8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑8通道多路转换器，能直接连通8个单端模拟信号中任何一个。

设计中系统的输出模块采用的是液晶显示器LM016L，它具有可以直接显示图形、体积小、重量轻、功耗低等特点，适用于便携式仪器的设计。

四、硬件电路设计

§4.1 信号前置通道设计与仿真

血液与血糖酶反应产生的电流是极其微弱的，通常为几微安到几十微安。由于MCU上A/D转换的是电压信号，而我们所要确定的是电流信号。因此在放大电流信号的同时，还需要将它转换为等效的电压信号。

电流信号转换为电压信号电

仿真结果可以看出，该设计很精确的实现了从10μA的电流信号向0.01V的电压信号的转换。