基于AT89C51单片机便携式血糖仪的设计.docx

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基于AT89C51单片机便携式血糖仪的设计

摘要

糖尿病是一种常见的非传染却严重危害人类健康的慢性疾病，现代医学还没有根治糖尿病的方法，对患者的血糖浓度进行频繁的测定是延缓糖尿病及其并发症的重要手段。

本文设计了一种以AT89C51单片机为核心，采用酶电极试纸作为传感器来检测血糖浓度的便携式仪器。

在总结前人工作的基础上，提出了本文的总体设计方案、系统目标及设计要求，重点分析了弱电流信号的检测设计实现方法。

硬件模块的设计主要是根据需要进行硬件选型，包括MCU模块、电流检测、信号的传输和放大模块、显示模块等。

系统的软件设计方案中主要子程序有:

液晶显示子程序、A/D转换子程序等。

最后给出本系统最关键的部分：

血糖值和电流值、以及与最后显示数值之间的关系式。

整体设计结果表明：

该血糖仪具有操作简单、测量方便等特点，十分适合糖尿病患者在家中实施血糖测试。

最后，在回顾全文的基础上针对本次所设计的血糖仪所存在的一些缺点和不足，指出了便携式血糖仪的发展趋向及有待进一步解决的问题，并对未来的发展进行展望。

关键词：

血糖检测，酶电极，弱电流信号的检测，便携式血糖仪，单片机

DESIGNOFPORTABLEBLOODGLUCOSEMETER

ABSTRACT

Diabetesmellitusisachronicdiseaseofcommonnoninfectiousbutserioushazardstohumanhealth;Modemmedicinehasnocureways.Frequentlymeasuringbloodglucoseconcentrationsisanimportantmeansofcontrollingdiabetes.Thisthesisdesignsaportableintelligentdevicefordetectingbloodglucoseconcentration,inwhichanAT89C51microcontrollerisusedasaCPUandanenzymeelectrodepaperasasensor.

Onthebasisofconclusionsofpreviouswork,theoveralldesignideas,thesystemobjectivesanddesignrequirementsareputforwardbyfocusingonanalysisoftheweakcurrentsignaldetection.Anotherchaptermainlyintroduceshardwareselectionandfunctionofthevarioushardwaremodules,includingMCU

module,currentdetectionmodule,signaltransmissionandamplificationmodules,

displaymoduleetc.SystemsoftwaredesignmainsubroutinesincludingLiquidcrystaldisplayasubroutine、A/Dconversionsubroutinesetc.Themostimportantpartofthesystemthatistherelationshipofbloodglucoselevelandcurrentvalueisgiven.Theresultsshowedthat，themeterissimple,convenient,whichisverysuitablefordiabeticstoimplementbloodglucosetestingathome.

Finally,onthebasisofthethedisadvantagesofthemachine,whichhasbeendesignedbyme,thisthesispointsoutthefurtherdevelopmenttrendsandissuesforportablebloodglucosemeter．Thefuturewillopenoutbrightprospectsfortheapplicationofportablebloodglucosemeter．

KEYWORDS：

Bloodglucosemeasurement,Enzymeelectrode,Theweakcurrentsignaldetection,Portablebloodglucosemeter,MCU

前言

糖尿病是继心血管和肿瘤之后的第三大非传染性疾病，已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。

糖尿病发生后，引起糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱，进而导致各种严重的并发症，包括糖尿病性心脑血管病、糖尿病性肾病、糖尿病性眼病、糖尿病性神经病变等等。

因此，我们需要积极研发更先进的医疗器械来预防、控制和治疗糖尿病及其并发症。

近十年来，医院内几乎所以科室均备有便携式血糖仪，不仅为患者和临床医生提供动态数据，而且可以为医生调整药物剂量的依据。

本设计主要是根据血糖值检测原理，采用AT89C51单片机控制的血糖仪，采用ADC0808高精度转换和显示质量高、体积小、重量轻、功耗低的液晶显示；用生物传感器葡萄糖氧化酶电极进行血糖测试，实现血糖异常时及时发出警报的功能。

血糖仪的设计思路是采用酶电极法对血糖进行采集。

在测试电极两端加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。

总之，血糖仪正朝着多功能，伤害小，便携式，测量精确度更高等的方向快速发展。

第一章绪论

§1.1选题背景及研究意义

糖尿病（DM，DiabetesMellitus）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[1]。

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。

中国心血管报告公布的数据显示，近20年来，中国糖尿病患病率成倍增长，目前中国约有2000多万糖尿病患者，耐糖量低减者2000万，中国已经成为全球糖尿病患者人数第二大国，仅次于印度。

据世界卫生组织预计，到2025年,全球成人糖尿病患者人数将增至3亿，而中国糖尿病人数已居世界第3位，未来50年内糖尿病仍是中国一个严重的公共卫生疾病问题。

分析发现，在人类基因和不良饮食习惯的影响下，年龄、肥胖症、糖尿病家族史、高血压、高血脂症、低收入、日常体育锻炼不足已是糖尿病及代谢综合征主要危险因素，在加强健康普及教育的同时，系统地开发抗糖尿病新药和新剂型,积极研发更先进的医疗器械来预防、控制和治疗糖尿病及其并发症具有积极的意义。

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[2]。

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[3]。

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[4]。

中国医学科学院医学信息研究所杨国忠研究员指出：

“随着疾病谱、医学模式和医疗方式的改变，一些适用于社区、面向家庭的便携式监测和治疗装置将成为市场需求最多的医疗器械产品。

目前我国医疗方式已经开始从单纯对疾病的院内治疗，逐步转向院前预防、急救，院内诊断、治疗，院外监测、康复以及日常家庭医疗保健等多元化、多层次的现代化医疗保障体系。

因此，适于基层社区医生应用的，可以面向家庭的便携式监测和治疗装置，将成为市场需求最多的医疗器械产品[5]。

"未来医学模式将由单纯的治疗型逐渐向治疗与预防保健相结合的模式转变，特别是随着个人健康意识增强，性能良好、使用方便的用于家庭的预防治疗设备、健康自我检测设备将成为家庭中新的“家电”。

§1.2便携式血糖仪概述

§1.2.1便携式血糖仪的发展

由于糖尿病患者的不断增多，实时的血糖自我监测变得越来越重要，伴随着现代科学技术的不断发展，快速血糖仪也经历了一个从无到有，并不断发展的阶段。

自1968年汤姆·克莱曼斯发明血糖仪至今，一共经历了五个发展阶段：

第一个阶段是水洗式血糖仪，它的操作过程比较复杂，检测前首先要在试纸上滴入血样，一分钟后把试纸放入水中冲洗，去除血样中的红细胞，然后再把试纸放入仪器中测试并得出测试结果；第二个阶段是擦血式血糖仪，它不需要用水冲洗试纸，当血样滴入试纸，产生反应后将试纸上的血细胞擦去即可进行测试，与水洗式血糖仪相比，擦血式血糖仪的体积更小，更方便患者操作，但它仍需要采集较多的血样，同时需要等待60秒左右才能完成一次检测；第三个阶段是比色法血糖仪，常用的比色法有两种，即目视比色法和光电比色法，相对于目视比色法，光电比色法具有更高的测量精度，测量时，首先将血样滴入试纸，待反应后试纸的颜色将发生改变，通过光电法测量其吸光度，根据郎伯一比尔定律即可求出血糖浓度，它的优点是操作简单，测量结果准确；第四个阶段是电化学法血糖仪，包括葡萄糖氧化酶电极测量法和葡萄糖脱氢酶电极测量法，它们的共同特点都是将血样中的葡萄糖同试纸中的酶进行电化学反应，反应过程中产生电子，通过一定激励电压，产生定向电流，通过测定电流大小来测量血糖浓度。

由于葡萄糖脱氢酶除了与血糖反应外．还可以和人体中的麦芽糖、半乳糖等反应，对测量血糖造成一定程度的误差，因此多采用葡萄耱氧化酶电极测量法，它的测量时间大大缩短，而且测量精度高，目前市场上的血糖仪多采用此种方法；第五个阶段是微采血量、多部位采血血糖仪，此种血糖仪颠覆了传统的仅能手指采血的缺点，它可以在四肢，手掌等多部位进行采血，采血量降低到了0.3微升，这种几乎不会感觉到疼痛的血糖仪必将在未来成为血糖仪市场上的主流产品。

纵观血糖仪历史的五个阶段可以发现，血糖仪正朝着体积越来越小，操作越来越简单，越来越方便患者，精度越来越高，采血量越来越少方向发展。

据了解美国雅培公司最新首创了目前世界上最先进的血糖检测技术——生物电感应技术，新一代的血糖仪已经进入了多功能时代，未来的血糖仪将不仅仅可以测量人体血糖，它还将可以测量人体血酮、血压、尿酸等。

§1.2.2便携式血糖仪的分类

血糖仪自1968年由汤姆·克莱曼斯发明至今，血糖仪经历了不同的技术发展阶段，出现了采血便携血糖仪、动态血糖仪、表式血糖仪等等不同原理的血糖仪，目前广大糖尿病患者大部分购买的都是便携式血糖仪。

一、按工作原理分类

从工作原理上便携式血糖仪分为两种，一种是光电型，一种是电极型。

光电血糖仪有一个光电头，但探测头暴露在空气里，很容易受到污染，影响测试结果，使用寿命比较短，一般在两年之内是比较准确的，两年后需要定期做校准；

电极型的测试原理比较科学，电极口内藏，可以避免污染，并且测试的精读比较高，正常使用的情况下，不需要校准，寿命长。

二、按测糖方式分类

目前市场上常见的血糖仪按照测糖技术可以分为电化学法测试和光反射技术测试两大类。

前者是酶与葡萄糖反应产生的电子再运用电流记数设施，读取电子的数量，再转化成葡萄糖浓度读数。

后者是通过酶与葡萄糖的反应产生的中间（带颜色物质），运用检测器检测试纸反射面的反射光的强度，将这些反射光的强度转化成葡萄糖浓度。

三、按采血方式分类

现在多数血糖仪都是破损型的，就是需要采血来测定血糖值。

采血型的便携式血糖仪从采血方式上有两种，一种是滴血式（也叫抹血式），一种是吸血试。

滴血式的血糖仪一般采血量比较大，疼痛感很强，患者比较痛苦。

这一类型的血糖仪采血量要掌握好，如果采血偏多，会影响测试结果，如果采血量不够，操作失败则会浪费试纸，这种血糖仪多为光电式的。

吸血式的血糖仪，试纸自己会控制血量，不会因为血量的问题出现偏差，操作方便，用试纸采血的部位轻触血滴的液面即可。

§1.3血糖检测技术

血糖检测仪自1968年由国外研究人员TomClemens发明至今，已经历了有创、无创、连续动态检测的阶段，并向检测治疗一体化的方向发展。

随着血糖检测仪性能的不断改进，其准确性大大提高，其中连续动态血糖检测仪可以更好地指导临床用药，必将大幅提高糖尿病的治疗效果。

血糖测量仪器有多种多样，按检测时受创伤的程度可分为接触痛苦式血糖检测仪，近无伤害血糖浓度检测仪和无创伤血糖浓度检测仪。

血糖传统检测方法是从体内抽取血液进行生化分析，这属于有创检测，不仅给病人带来痛苦，而且容易造成各种体液传染性疾病传播。

近年来出现的无创检测技术及连续监测技术进行血糖浓度检测的新技术，这种方法改变了传统检测方法的弊端，使用方便。

§1.3.1血糖微创检测

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[6]。

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[7]。

图1-1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[8]为：

葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸+H2O2（公式1-1）

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。

值得注意的是：

即使是某一浓度的血糖在试条产生的电流也会随着时间的变化而变化，一般会随着时间的增加而增加并逐渐趋向稳定；而对于不同的浓度的血糖来说，在同一个时间点上，电流也随着浓度的增加而增加。

所以，在权衡时间和稳定性后，确定某个时间点上的电流值和血糖浓度之间的关系是问题的核心。

血糖是通过试条上的酶转换为能导电的物质并在其上施加一定的电压来产生相应的电流，然后设备检测出这个电流值，再通过相应的计算公式反算成血糖值。

电流值与血糖浓度并非成简单的线性关系，而是受多方面因素影响的复杂关系。

电流值检测的精确与否直接影响测量结果，所加的用于产生电流的电压大小、所使用的试纸条及用于检测的血液量的多寡都会对其产生影响，过多和过少的血量都会影响检测结果。

因此，需要在大量的实验下，才能得出比较准确的关系。

图1-2电流变化与葡萄糖浓度的关系

如图1．2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。

一般，每一批试纸条有相同的校正代码，反映在图上就是有相同的斜率。

拟合的公式为：

（公式1-2）

其中，X是电流值，单位为µA,Y是对应的血糖值，单位为mmol／L。

根据所测得的浓度和电流平均值的关系拟合出直线确定出相应的系数尼，这里的参数为：

K1=0.45，K0=2.2，然后再根据所得的式子反算出相应的浓度值，通过比较计算值和所测值，可以算出血糖仪的精度和一致性情况。

根据美国糖尿病协会（ADA）的标准，便携式血糖检测仪的血糖检测结果与大型生化检测仪的结果相比，误差在15％以内都认为结果准确。

而由电流信号与电压信号之间的转换关系:

V=I*R

其中R设置为1KΩ，正常血糖值转化为相应的电流信号的大小范围为5—20uA，所以其对应的电压大小范围为5—20mA，再经过前置电路对电压信号的放大作用，最后显示的正常血糖范围为0.5—2。

若显示其它数值，则表明表明血糖异常。

§1.3.2血糖无创检测

无创血糖检测技术是在不损伤皮肤的条件下测量出人体血液中血糖浓度的新方法[9]。

它能解除糖尿病患者经常化验所需要的针刺取血的痛苦，避免病毒通过血液传染的危险。

同时它能有效地提高对血糖监测的水平，降低患者的危险。

一、采用光学方法测量血糖，这是近年国际上热门的研究课题，目的是为糖尿病患者研制出无创、方便、连续实时监测血糖浓度的便携式监测仪。

无创血糖仪的研制给糖尿病患者带来了福音。

过去的十几年，出现了许多利用光学原理测量血糖浓度方法：

如近红外吸收光谱法，近红外散射光谱法，ART棱镜中红外光谱法，Raman光谱法，声光法，旋光法等，但到目前为止，还没有正式用于临床的无创血糖检测仪。

来自德国施瓦本格明德应用科技大学的学生Mackiewicz就设计出了一款名为Lima的新型血糖仪。

该设备通过向血液发射红外线来探测血液中的血糖水平。

当红外线穿过皮肤进入血液时，就会反射回来并且被感应仪捕捉到，系统就可以通过对捕捉到的红外线的波长和频率进行分析，从而得出准确的血糖浓度数据。

使用过程也非常简单，患者只需把手掌放在仪器上面，按下按钮，稍等片刻，就可以知道结果了。

这不仅对于晕血和怕疼的糖尿病患者是一大福音，而且能避免扎针引起的感染，也是一件不错的事情。

二、采用唾液测量法测量血糖。

经医务专家们通过大量的实验研究，证明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比，所以，可以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多寡间接地知道血糖的高低。

此种方法，可以避免病人因消毒不严而引起的细菌感染；另一方面，由于是无创探测，无痛苦，可以让所有病人都能接受。

这种探测方法的成功，除了要求研究高灵敏度、高特异性的试纸外，还应该研究高灵敏度、和高线性度的检测装置。

现有处于试验阶段的便携式血糖仪，它通过发光二极管发出一定波长的光，照射在用唾液特殊处理的试纸上，再经线性度和稳定度很好的光敏二极管接收试纸反射的光，然后经一系列处理后，送入显示器显示血糖浓度的相对高低。

此仪器目前存在的问题是用唾液检测人体血糖浓度的相对变化荃本呈线性，稳定度和灵敏度较高，操作使用方便。

但是从试验数据看出结果有一定的离散性，这可能是主要由于某些元件造成的，仪器要用于临床还需要进一步的改进。

这方面的工作仍在继续。

另外，美国一个小组研制的方法基于对呼出气体的分析，而澳大利亚某便携式血糖仪小组研制的方法则是对皮肤表面变化的测试。

然而，此时两种测试方法都处于研发的早期阶段，眼下还不能提供使用。

§1.3.3血糖动态监测

由于生化分析法和快速血糖仪这种有创或微创技术不能连续动态检测患者的血糖而得不到更接近真实情况。

因此，动态血糖监测系统（CGMS）应运而生。

动态光谱法可消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响。

有研究认为，由于动脉的脉动现象，血管中血流量呈周期性变化，血液是不透明液体，光在血液中的穿透性要比在组织穿透小几十倍，因此脉搏的变化可以引起近红外光谱吸光度的变化，所以通过动态光谱记录动脉充盈至最大与动脉收缩至最小时的吸光度值，可以消除个体差异和测量条件对光谱测量的影响，校正模型预测能力，提高光谱检测的精度[10-12]。

动态血糖检测系统是由医疗人员操作，可以监测患者3天的血糖变化，使医生全面了解患者血糖波动类型和走势的装置。

一般的动态血糖检测系统包括探头、信息记录器、信息提取器和软件系统。

但是，目前，这种血糖检测仪在技术上还不成熟，仍需利用静脉抽血式血糖仪加以校正。

综上所述，有创技术和无创技术各有优劣，在一个较长的阶段，两种技术将取长补短，共同发展，但糖尿病的确诊必须以静脉血样分析得出的血糖值作为标准，无创和连续动态式血糖检测仪的准确性必须定期检测校正。

总之，有创或微创血糖检测技术发展比较成熟，尽管近年来无创和连续动态式血糖检测技术发展很快，但仍有待继续研究提高。

采用无线电波和微波技术测量葡萄糖含量也在进行研究。

相信随着科学技术的飞速发展，血糖检测技术将向快速、准确、简便方向提高。

§1.4传感器类型

§1.4.1经典葡萄糖酶电极

1967年Updik和Hicks首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶（GOD）电极，用于定量检测血清中的葡萄糖含量。

该方法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中间，形成一个“三明治”的结构，再将此结构附着在铂电极的表面。

在施加一定电位的条件下，通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量。

由于大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度的变化，从而影响测定的准确性。

采用过氧化氢电极作为基础电极，其优点是葡萄糖浓度与产生的H2O2有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响。

§1.4.2介体葡萄糖酶电极

在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体（chemicalmediator）取代O2PH2O2，作用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，而电子传递介体本身被还原，又在电极上被氧化。

利用电子传递介体后，既不涉及O2也不涉及H2O2，而是利用具有较低氧化电位的传递介体在电极上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，可以避免其他电活性物质的干扰，提高了测定的灵敏度和准确性。

§1.4.3直接葡萄糖酶电极

第三代生物传感器就是在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递设计制作葡萄糖传感器。

与经典酶电极和介体酶电极相比，既不需要氧分子，也不需要化学介体分子作为电机受体，通常也不需要固定化载体，而是将酶共价键合到化学修饰电极上，或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，使酶氧化还原活性中心与电极接近，直接电子传递就能够相对容易地进行，从而使电极的响应速度更快、灵敏度更高，真正实现酶的专一和高效催化[13]。

第二章血糖仪的整体设计

§2.1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[14]。

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2.1所示的这些过程组成。

图