多功能語(yǔ)音便攜式血糖儀的設(shè)計(jì)

多功能語(yǔ)音便攜式血糖儀的設(shè)計(jì)

糖尿病是一種常見(jiàn)的代謝內(nèi)疾病，是由人體缺乏胰島素或身體器官異常引起的。主要特點(diǎn)是低血糖。這是世界上的一種流行疾病。近年來(lái)其發(fā)病呈顯著上升趨勢(shì)，目前全世界約有10%的成年人身患此病。在我國(guó)，糖尿病患者約有四千五百萬(wàn)人，目前的治療方式主要是對(duì)病人體內(nèi)的葡萄糖代謝進(jìn)行調(diào)控，臨床治療給藥的重要依據(jù)是病人的血液葡萄糖含量，因此通過(guò)自我檢測(cè)血糖儀來(lái)追蹤、評(píng)估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我檢測(cè)血糖儀可以在醫(yī)院甚至家中方便、迅速的檢出結(jié)果，使醫(yī)師或者患者據(jù)此調(diào)整治療方案和生活作息。本設(shè)計(jì)的多功能語(yǔ)音血糖儀可完成對(duì)血糖濃度的快速而簡(jiǎn)便的檢測(cè)，并且采血量少，超低功耗設(shè)計(jì)，溫度顯示，鬧鈴提示和語(yǔ)音播報(bào)等功能，更有利于病人進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾MC9S08LL36單片機(jī)，配以血糖檢測(cè)電路、語(yǔ)音電路及LCD屏顯示，良好的人機(jī)界面，具有操作簡(jiǎn)單、超功耗低、測(cè)量迅速，語(yǔ)音播報(bào)等優(yōu)點(diǎn)，并能儲(chǔ)存多達(dá)500個(gè)歷史數(shù)據(jù)，便于病人掌握自己血糖濃度的變化趨勢(shì)，采用合理的用藥方式。1.確定濃度與電流的關(guān)系血糖儀是根據(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(xiàn)性關(guān)系取代。2.mc9s06ll6溫度測(cè)量及溫度補(bǔ)償本文所研究的多功能血糖儀設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1）血糖檢測(cè)功能：MC9S08LL36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1所示的電路就能實(shí)現(xiàn)這一要求。其中，電阻R2用于放大。(2）環(huán)境溫度測(cè)量及溫度補(bǔ)償：MC-9S08LL36單片機(jī)內(nèi)部集成了溫度傳感器，并且對(duì)應(yīng)內(nèi)部一個(gè)12位A/D通道，直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換即可完成溫度測(cè)量，無(wú)需再外加溫度傳感器。(3）實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能：MC9S08LL36單片機(jī)內(nèi)部有鎖頻環(huán)（FLL），可以通過(guò)軟件進(jìn)行修整，提高精確度，實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器TOD，這提供了高可靠性，低成本的時(shí)鐘源。(4）鬧鈴提示功能：了解血糖的趨勢(shì)對(duì)患者治療非常重要，特別是固定時(shí)間測(cè)量，所以有鬧鈴提示更方便患者得使用。(5）語(yǔ)音功能：方便老年人使用，設(shè)計(jì)更人性化。3.血液糖計(jì)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以飛思卡爾MC9S08LL36單片機(jī)為核心，硬件電路包括微處理器、血糖測(cè)試電路、語(yǔ)音播報(bào)電路及人機(jī)交流電路等。3.1v血糖儀插裝電壓MC9S08LL36單片機(jī)是飛思卡爾基于HCS08核的8位單片機(jī)。具有極低功耗，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)及豐富的外圍接口。1.8V-3.6V的低工作電壓，內(nèi)置瑣頻環(huán)電路FLL,32KFLASH程序空間，2K字節(jié)RAM，實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器TOD,8路12位A/D，內(nèi)置穩(wěn)壓源可以省去外加穩(wěn)壓模塊和電源測(cè)量模塊，節(jié)省了血糖儀的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)整體功耗，完全滿(mǎn)足本血糖儀的各項(xiàng)功能需求。特別是低功耗，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)和低工作電壓方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，特別適合血糖儀這種便攜式手持式儀表的設(shè)計(jì)。3.2運(yùn)算放大器的原理：電流到電壓的轉(zhuǎn)換是糖在酶電極兩端加上穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，該激勵(lì)電壓是由內(nèi)置穩(wěn)壓源模塊提供的1.2V(VREF）穩(wěn)壓通過(guò)電阻分壓而產(chǎn)生的，大約在245mV左右，它能產(chǎn)生μA級(jí)別的定向電流。當(dāng)酶電極兩端滴入血樣后，會(huì)產(chǎn)生自由電子。由于電極兩端存在激勵(lì)電壓，就會(huì)有定向電流流過(guò)電極。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量的是電壓，所以需要將該定向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且進(jìn)行一定的放大。本系統(tǒng)采用圖1所示的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換和放大。運(yùn)算放大器的反相端連接血糖試紙上的酶電極，當(dāng)有血樣滴入時(shí)，該電極與地之間為等效電阻Rx，流過(guò)該電阻的電流正比于血液中的血糖濃度值，經(jīng)過(guò)關(guān)系式換算出血糖濃度。MC9S08LL36的A/D模塊輸出一輸出1.2V的穩(wěn)壓通過(guò)R1和R3分壓，產(chǎn)生245mV的激勵(lì)電壓，該電壓通過(guò)運(yùn)放的正端加到電極兩端。R2起到反饋放大的作用，它將運(yùn)放的輸出范圍限定在A/D模塊的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。在PCB板布線(xiàn)時(shí)，由于運(yùn)放輸出和MC9S08LL36的ADC模塊輸入I/O口之間的走線(xiàn)可能會(huì)比較長(zhǎng)而引入干擾，為了確保測(cè)量值的準(zhǔn)確，需要對(duì)測(cè)試電壓進(jìn)行濾波，C1就是用來(lái)起濾波作用的，從而減少了外來(lái)干擾對(duì)血糖測(cè)試的影響。而運(yùn)放直接接電容負(fù)載容易引起輸出震蕩，R4的作用就是隔離運(yùn)放和電容。由于電阻R4上會(huì)有電流流過(guò)，這樣電阻兩端就有壓降存在，電壓信會(huì)受此影響而變化，為了不影響血糖測(cè)試的精度，R4的值不能取得過(guò)大。跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取20Ω。根據(jù)運(yùn)算放大器的理想特性：有式子（1）和（2）可得其中：V。是運(yùn)放輸入A/D的到得電壓；這樣就算血糖參與反應(yīng)的電流I和電阻Rx。3.3監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)AP89085一次性編程(OTP)語(yǔ)音芯片是采用8-bitPCM壓縮方式。在6K采樣率下時(shí)間長(zhǎng)度可達(dá)到85秒，通過(guò)M0和M1可以選擇按鍵或CPU方式觸發(fā)，按鍵可以觸發(fā)32段，CPU可以觸發(fā)254段，3個(gè)輸出端可以選擇LED、STOP、BUSY不同組合，聲音輸出可外接三極管放大輸出(COUT)或直接推喇叭(VOUT)方式。本系統(tǒng)選擇SPI串行CPU方式觸發(fā)，直接驅(qū)動(dòng)喇叭。而且AP89085工作電壓：2.6-3.6V，靜態(tài)電流小于5uA，芯片外圍線(xiàn)路簡(jiǎn)單，特別適合便攜式設(shè)備，所以本系統(tǒng)選擇AP89085作為語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)芯片。3.4動(dòng)態(tài)i/o口電路為了方便操作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)和液晶顯示電路。本系統(tǒng)利用MC9S08LL36的兩個(gè)具有中斷喚醒功能的I/O口對(duì)按鍵進(jìn)行處理，能在低功耗模式下快速喚醒，具體電路如圖3所示。為了方便用戶(hù)更直觀的看到血糖濃度值，本系統(tǒng)利用MC9S08LL36內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)，采用了斷碼液晶顯示，同時(shí)附帶了時(shí)鐘日歷和血糖濃度單位的顯示，如圖4。4.高效的系統(tǒng)使用系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，根據(jù)上述本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，其主程序框架如圖5所示。對(duì)于便攜式設(shè)備，電池壽命至關(guān)重要，所以低功耗是設(shè)計(jì)中首要考慮的因素。系統(tǒng)功耗由兩部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)本身的功耗和外部電路的功耗。由于外部電路的功耗基本上是固定的，因此選用低功耗的單片機(jī)至關(guān)重要。單片機(jī)本身的功耗包括正常運(yùn)行時(shí)的功耗和睡眠時(shí)的功耗。在血糖儀的使用中，由于平時(shí)大部分時(shí)間工作于睡眠狀態(tài),因此睡眠時(shí)的電流至關(guān)重要,MC9S08LL36在睡眠3(STOP3)模式的電流為400nA。而且從睡眠3(STOP3)模式喚醒的時(shí)間非常短,只有6uS,當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到酶電極兩端滴入血液或有按鍵動(dòng)作時(shí),可以很快的響應(yīng)。在系統(tǒng)完成測(cè)量時(shí),啟動(dòng)定時(shí)器倒計(jì)時(shí),在倒計(jì)時(shí)期間若無(wú)操作,2分鐘后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài),降低功耗。為滿(mǎn)足個(gè)性化需要，還增加了時(shí)鐘、單位設(shè)置、記憶存儲(chǔ)，平均值和溫度顯示等功能。具備了一機(jī)多功能的特點(diǎn)，滿(mǎn)足不同人群的要求。5.臨床試驗(yàn)結(jié)果使用MC9S08LL36設(shè)計(jì)的血糖儀在臨床測(cè)試中，取得了較好的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為三組，第一組為血糖正常人6名，第二組中輕度糖尿病患者6名，第三組重度糖尿病患者8名。用三臺(tái)血糖儀進(jìn)行測(cè)試，并和奧林巴斯AU640全自動(dòng)生化分析儀進(jìn)行比對(duì)，臨床試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，三組血糖儀的測(cè)試數(shù)據(jù)與奧林巴斯AU640全自動(dòng)生化分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)的相關(guān)性分別達(dá)到：血糖A：ρ=0.999469959，血糖B：ρ=0.999542691，血糖C：ρ=0.999835814，完全滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)臨床