基于AVR單片機尿流率采集測量系統

邵晟杰，葛 斌，嚴榮國，紀 達

（上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093）

0 引言

尿流率是前列腺病人康復情況評斷的重要參考指標, 它能夠客觀的反映下尿路排尿功能的一般水平，被作為對具有下尿路癥狀疾病的患者進行一線篩選的手段[1]。

本文針對現有尿流率測量系統功能單一與便攜性之間的沖突，采用ATmaga644pa單片機配合信號采集模塊設計一種新型采集測量系統。

1 設計思路及設計原理

本設計基于AVR單片機尿流率采集測量系統，由安裝在集尿容器下的壓力傳感器采集靜水壓，通過信號放大調理模塊送入單片機進行分析處理。此種測量方式受外界的影響因素較少，定時采集尿液的靜水壓，從而建立尿液重量與時間的關系，推算尿流率，通過高頻采樣，能夠反應尿流率的瞬時狀態。此種測量方式集尿容器結構設計簡單，在保證便攜性的同時也提高測量的準確性。

2 硬件設計組成

系統硬件部分主要由信號采集端和信號處理顯示端兩部分構成。信號采集端包括集尿容器、伸縮底座、傳感器和傳感器信號調理放大模塊。顯示處理端集成了打印機、顯示屏、鍵盤及單片機主控板。系統硬件框圖如圖1所示。

單片機主控板采用ATmaga644pa單片機為主控芯片，內置一個10位逐次逼近型ADC，省去了外置AD芯片，有效節省主控板空間，同時豐富的片內資源能夠支持更多的外設接入。上位機和微型熱敏打印機通過串口與單片機通信，通過74HC4053二選一芯片進行通道選通，從而避免了串口數量的限制。I2C總線上外接3片EEPROM用于擴展單片機的EEPROM存儲。單片機由12V開關電源供電，通過主控板上的LM2576降壓模塊為提供5V的工作電壓，同時電源模塊12V能夠為傳感器放大模塊提供電壓支持。

圖1 系統流程框圖

2.1 數據采集及處理

1）數據采集

系統數據采集使用SMOWO LCS-D3傳感器配合信號放大模塊。LCS-D3是一種雙孔懸臂梁式電阻應變片傳感器，固定在集尿容器底部，通過壓力形變來進行數據采集[4]，采集后的數據送入傳感器信號放大模塊。放大模塊由INA125集成芯片和相關外圍電路構成，對源自壓力傳感器的一對差分信號進行放大[6]，電路設計如圖2所示。

INA125運算放大芯片的增益與RG關系為：時，增益 G=4～10000，可見增益從4至10000倍可調。

本電路設計中RG采用范圍0～100Ω的精密電位器，用于調節INA125P芯片放大倍數。使用INA125P芯片提供的10V精密參考電壓作為傳感器的激勵電壓,為傳感器供電，傳感器的輸出信號由V+和V-引腳接入放大芯片，信號經放大處理后由引腳V0的輸出，輸出范圍為0～10V。由于單片機采用外部5V作為參考電壓，接受范圍為0～5V，因此在V0輸出電壓之后接2個1k電阻進行分壓，將輸出的0～10V電壓分壓為0～5V送入單片機處理。

2）A/D轉換

放大后信號的A/D轉換由ATmaga644pa內部的ADC完成，參考電壓選用外供5V參考電壓。AD轉換采用輪詢的方式，定時采集傳感器采集的電壓值。 ADC轉換程序部分代碼如下所示：

ADMUX=0x40;//AVCC,AREF 引腳外加濾波電容

ADCSRA=_BV(ADEN);//使能ADC

…{轉換代碼}

ADCSRA|=_BV(ADSC);//ADC置位，開始轉換

_delay_us(2);

while(ADCSRA&_BV(ADSC))；//轉換中讀取ADSC值為1，直到轉換結束

ret=ADCL;

ret|=(uint)(ADCH＜＜8);

g_aAdValue[i]=ret;

ADCSRA=0;//關閉ADC

尿液采集時，尿液對集尿容器壁的沖擊造成所采值的一定波動，因而在AD轉換程序中連續進行8次采樣結果取平均值從而獲得一個平滑的尿量曲線。

ADC采樣頻率通過ATmaga644pa內部的Timer/Counter0控制，采樣頻率為200ms一次采樣。當測試開始之后，TIMSK0寄存器使能位TOIE0置位1，Timer/Counter0開始工作，200ms觸發一次定時中斷進行AD轉換，轉換后的尿液重量值送入固定數組。當測試結束后，TIMSK0寄存器使能位TOIE0置位0，關閉使能。

2.2 程序設計

本系統ATmaga644pa單片機程序是基于AVR Studio平臺開發，由多個子塊組成。核心子塊測試采集子塊設計為全自動測試采集，當點擊測試開始后首先進行零點標定，并根據零點設定啟動閾值，之后輪詢采樣等待尿液進入集尿容器。當采樣值超過啟動閾值時，認為有尿液排入，進行采樣數據收集，將所采樣數據按順序存入采樣值數組。

為了防止因誤碰集尿容器所造成測試誤開始，比對采樣值第1秒、第2秒與零點值之間的關系，若前兩秒采樣值均大于零點采樣值且呈上升態勢，則認為測試開始，繼續將采集數據送入采樣值數組。若否則判定為誤碰，程序回歸至等待開始狀態。當測試開始后，所采集的數據超過10秒未增加，則判定測試結束，進行采集數據分析處理。程序操作流程簡圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

3 測試結果分析

測試的采樣間隔為200ms一次，由此通過采樣值數組下標可建立采樣值與時間的相對關系，推算尿流率等所需測量結果，因此測量結果的準確性即由靜水壓的壓力測量值保證。

表1中第一組第二組數據為清空集尿容器后連續兩次定量倒水測試采樣數據，第三組數據位集尿容器預先有水情況下測試采樣數據。從而檢驗在不同測量初值情況下，測量數據的穩定性。

由三組測試采樣數據結果顯示，本測試系統在三種不同起始條件下重復性良好，測量誤差100～500ml均小于±5ml,能夠滿足尿流率的趨勢測量。

表1 尿流率重復性測試結果

4 結論

尿流率是前列腺病人康復情況的重要參考指標，也是泌尿外科有關尿癥狀的基本檢測項目。

本文設計基于高性能AVR單片機的尿流率采集測量系統，充分發揮了AVR單片機片內資源豐富的特點，使本系統控制端體積小巧，成本低等優點。同時全自動的測試過程，與糾錯機制，能夠有效避免無效測量的發生。然而不足之處在于信號采集端和信號處理顯示端采用有線傳輸，限制了使用距離和場合，更進一步無線傳輸尚待開發。

[1] ATMEL Inc. ATmaga644pa Product data sheet[M]. 186-199.

[2] 馬潮. AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐(第2版)[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2011.

[3] 高國富, 羅均. 智能傳感器及其應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005.

[4] 上海天賀自動化儀表有限公司 LCS-D3傳感器產品手冊.

[5] Burr-Brown Corporation. INA125 Product datasheet[M].

[6] PHILIPS Semiconductor. 74HC4053 Product data sheet[M]1-6.