基于STC89C51單片機的高精度血糖檢測系統研究

楊東海，許淑茹

(1.漳州衛生職業學院，福建 漳州 363000；2.轉化醫學檢測福建省高職院校應用技術協同創新中心，福建 漳州 363000)

據統計，我國糖尿病發病率為9.7%，糖尿病前期的患病率高達15.5%，這意味著中國已成為全球糖尿病患者最多的國家之一[1]。隨著醫療設備行業快速發展和人民的大健康觀念的加強，價格低廉的小型便攜式的家用血糖儀被廣泛應用于血糖的檢測。根據現行的國家標準(GB/T 19634-2005)，血糖儀檢測血糖濃度小于等于4.2 nmol/L時，準確度要求允許偏差不超過±0.83 nmol/L；血糖儀檢測血糖濃度大于4.2 nmol/L時，準確度要求允許偏差不超過±20%。過大的檢測誤差對于血糖的監測是不利的。2006年，王坤等人開發了基于PIC單片機的具有數據存儲功能的便攜式血糖儀[2]。杜顯峰等人對便攜式血糖儀測量準確度進行評價研究獲得了便攜式家用血糖儀檢測準確度有待提高的結論[3]。通常血糖檢測誤差來源主要包括環境溫度、血糖儀內部的隨機誤差、系統誤差、粗大誤差及使用人員的操作是否規范[4-5]。因此，針對非人為因素造成的誤差進行系統優化，提高血糖儀的檢測精度具有重要意義。

1 基于51單片機的血糖儀檢測系統構成

當前市場上常見的血糖儀主要分為電化學法測試和光反射技術測試兩大類[6]。其中電化學法是通過酶與葡萄糖反應產生電子，通過電流的大小來獲得葡萄糖濃度值，優點是價格相對低廉，缺點是容易受到環境因素的影響，試紙容易被污染，誤差大，需要定期進行校準。針對應用較為廣泛的電化學法測試的血糖儀，對系統構成的各個模塊進行分析，并進行優化。

1.1 溫度監測模塊

溫度檢測模塊主要用于血糖儀試紙表面溫度的檢測。由2個正負溫度系數熱敏電阻傳感器，兩個高精度電阻器和一個霍爾傳感器組成。四個電阻構成電橋，其中熱敏電阻傳感器R1具有正溫度系數，熱敏電阻傳感器R3具有負溫度系數。R2和R4為高精度電阻。霍爾傳感器S1用來檢測電橋的電流大小。通過電橋電流大小，經過單片機轉換后得到試紙表面溫度值，修正溫度影響因子，提高血糖檢測精度。采用正負溫度系數的熱敏電阻傳感器上對溫度的測量要比單個熱敏電阻傳感器的測量精度要更高。溫度監測模塊如圖1所示，其中虛線框為血糖試紙放置位。

圖1 溫度監測模塊

1.2 雙路輸入模塊

雙路輸入模塊將采血點采集的血液連接到A、B兩對生物傳感電極，分別進行信號處理。S2和S3分別是A、B兩路輸入用于電流檢測的霍爾傳感器。S2、S3檢測的電流分別輸入到信號處理模塊。該模塊可實現一次采血即可進行兩路檢測分析，避免多次采血的不便。雙路輸入構造如圖2所示。

圖2 雙路輸入構造示意圖

1.3 信號處理模塊

信號處理模塊由Ⅰ-Ⅴ轉換電路、運算放大器和負反饋電路、模數轉換器構成。Ⅰ-Ⅴ電路用于將電流轉換成電壓值。運算放大器對小電壓進行放大，負反饋電路用于穩定電路性能，模數轉換器將模擬的電壓值轉換成數字信號供單片機進行處理。

1.4 控制輸出模塊

該模塊由STC89C51單片機、LCD12864液晶顯示屏、揚聲器、系統設置部件構成。STC89C51單片機根據溫度檢測模塊檢測值，經過單片機內部ROM查表得到溫度值，調整溫度影響因子。為了進一步提高血糖的檢測精度，將兩路獲得的血糖值進行加權平均，得到最后的血糖數值。單片機控制液晶顯示器進行顯示，并通過揚聲器模塊提醒用戶血糖值。系統設置模塊主要用于設置血糖儀時間或調閱存儲的歷史記錄數據等。

2 基于51單片機的血糖儀檢測系統優化方案

在血糖檢測系統中，單片機是系統的控制核心，51系列單片機使用簡單，價格低廉，可靠性強，適用范圍廣。目前廣泛應用于各種小微型控制系統。STC89C51單片機是血糖檢測系統控制核心部件，具有處理速度較快，可在線編程等特點。基于51單片機的血糖儀檢測系統如圖3所示。

圖3 基于51單片機的血糖儀檢測系統

通過開機/設置按鍵對血糖監測系統進行設置。放入血糖試紙血糖儀自動開機。溫度檢測模塊自動檢測溫度，單片機獲取試紙溫度值后調整溫度影響因子。采血點收集血液，血液分兩路流向A路生物電極和B路生物電極。信號處理模塊處理A、B兩路信號，單片機接收到兩路信號后，判斷A、B兩路血糖檢測結果誤差是否超過允許最大ε，若未超出ε，則對兩路信號進行處理。處理方式如式(1)所示。

P=(A+B)/2+αT+ΔS,

(1)

其中(A+B)/2可以消除隨機誤差，可以進行溫度補償，用于進行系統誤差校正。最終檢測值P輸出顯示到液晶屏幕，并通過揚聲器告知被檢者血糖值。當A、B兩路血糖檢測結果誤差小于允許最大誤差ε時，計數器C清零。當A、B兩路血糖檢測結果誤差超過允許最大誤差ε時，通過判斷誤差計數器C，當達到3次誤差過大，發出提醒并校正誤差。因整個系統采用正負溫度系數的電橋進行測溫，因此對試紙溫度的檢測更準確。其次采用雙路輸入加權平均得到血糖值，可以消除系統的隨機誤差和剔除粗大誤差。引入系統誤差修正項可以克服系統誤差，引入溫度補償機制可以克服溫度改變對輸出結果的影響。同時，該系統在僅采集一次血液通過雙路輸入就能在血糖檢測系統做雙路檢測，因此該血糖監測系統具有較高的測量精度，血糖監測系統數據處理流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程

基于STC89C51單片機的高精度血糖檢測系統通過溫度補償機制可以克服溫度改變對血糖檢測結果的影響，通過雙通道輸入消除隨機誤差，通過引入系統誤差修正項可以克服系統誤差，同時設置雙路最大允許誤差值來提醒使用人員進行校正。通過上述優化方法，基于STC89C51單片機的高精度血糖檢測系統能夠有效提高血糖檢測精度。