基于MSP430F435單片機(jī)的血糖儀設(shè)計(jì).doc

引言當(dāng)前市場(chǎng)上血糖儀種類(lèi)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(méi)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(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(mǎn)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COM0COM3、S16S39、R03R33用于實(shí)現(xiàn)LCD顯示； Port74和Port75用于串行通信；Port79Port81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(guò)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(lái)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(kāi)、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(lái)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)0.1F的電容即可。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。其主程序框架如圖4所示。圖4 主程序框圖對(duì)于便攜式設(shè)備，電池壽命至關(guān)重要；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低功耗，使系統(tǒng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間停留在低功耗狀態(tài)。因此，考慮設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候自動(dòng)關(guān)機(jī)。這里采用了一個(gè)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器大于0時(shí)，系統(tǒng)處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)定時(shí)器倒數(shù)到0時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。這個(gè)定時(shí)器是由單片機(jī)中的Basic Timer實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)軟件對(duì)Basic Timer控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，將信號(hào)源設(shè)為輔助時(shí)鐘，大小為32KHz，并進(jìn)行256分頻，再對(duì)中斷定時(shí)間隔控制位進(jìn)行設(shè)置，使得中斷每秒進(jìn)行一次，并且每次到來(lái)時(shí)都對(duì)定時(shí)器減1，這樣就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)器每秒減1的功能。具體操作是這樣：開(kāi)機(jī)時(shí)，對(duì)定時(shí)器初始化一個(gè)大于0的值，比如30，并且在每按一次有效鍵時(shí)，系統(tǒng)重新初始化這個(gè)值。因此，當(dāng)沒(méi)有按任何有效鍵時(shí)，30秒后就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)省電目的。系統(tǒng)也具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，它的實(shí)現(xiàn)方式與上述的定時(shí)器類(lèi)似。只是將“每秒減1”改為“每秒加1”；具體操作：每次中斷時(shí)都對(duì)秒變量進(jìn)行加1，當(dāng)秒變量的值變?yōu)?0時(shí)，就對(duì)分鐘變量加1，而秒變量又重新從0開(kāi)始計(jì)數(shù)；同樣，當(dāng)分鐘變量累加到60時(shí)，就對(duì)小時(shí)變量加一，而自身又從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。依次類(lèi)推，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日期功能。為滿(mǎn)足個(gè)性化需要，還增加了時(shí)鐘和單位設(shè)置、平均值和溫度顯示等功能。這里就不再贅述了。下面主要介紹一下測(cè)量模塊。首先，初始化各個(gè)端口以及ADC寄存器；然后等待滴血。當(dāng)檢測(cè)到足量血時(shí)，斷電并等待若干秒，使之與試條上的酶充分反應(yīng)。隨后加電并在一秒后迅速讀取。圖5是與本血糖儀配套使用的試條在不同濃度的血糖與酶反應(yīng)若干秒后再加電產(chǎn)生的電流的變化曲線。由圖不難看出，加電后一秒曲線就較為平穩(wěn)，這也是本設(shè)計(jì)采用“加電一秒”后即可讀取的原因。 計(jì)算公式這部分無(wú)疑是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。表1是使用本設(shè)計(jì)的樣機(jī)測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)。由表中的數(shù)據(jù)不難看出，血糖儀和血糖試條的測(cè)量重復(fù)性較好CV3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7.5%的要求。表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)濃度（mg/dl）電流（A） 50 100 200 300 4001 3.003 6.752 13.101 16.861 19.8362 3.028 6.678 12.368 17.130 19.6213 2.918 6.800 13.272 16.764 20.3664 2.893 6.910 13.028 17.179 20.6225 3.064 7.081 13.614 17.574 20.3416 2.881 7.106 13.211 17.264 20.2687 3.075 6.703 12.905 17.628 19.6458 2.905 6.849 13.150 17.029 20.1589 2.991 7.130 13.233 17.081 20.02410 2.901 7.240 12.964 16.838 20.952均值 2.9659 6.9249 13.0846 17.1348 20.1833均方差 0.0746 0.2001 0.3200 0.2924 0.4218CV（%） 2.5153 2.8896 2.4456 1.7065 2.0898通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次曲線擬合，就可以得到血糖值和電流值之間的關(guān)系曲線圖。圖6是原始數(shù)據(jù)分段曲線和擬合曲線的對(duì)比圖。容易看出兩條曲線很吻合；因此在實(shí)際操作中可以用一個(gè)公式代替分段函數(shù)。這里的曲線公式為：其中，X是電流值，單位A，Y是對(duì)應(yīng)的血糖值，單位為mg/dl。在實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中，上述公式具有良好的精度。圖5 數(shù)據(jù)分段曲線和擬