基于STC89C51单片机的高精度血糖检测系统研究

杨东海，许淑茹

(1.漳州卫生职业学院，福建 漳州 363000；2.转化医学检测福建省高职院校应用技术协同创新中心，福建 漳州 363000)

据统计，我国糖尿病发病率为9.7%，糖尿病前期的患病率高达15.5%，这意味着中国已成为全球糖尿病患者最多的国家之一[1]。随着医疗设备行业快速发展和人民的大健康观念的加强，价格低廉的小型便携式的家用血糖仪被广泛应用于血糖的检测。根据现行的国家标准(GB/T 19634-2005)，血糖仪检测血糖浓度小于等于4.2 nmol/L时，准确度要求允许偏差不超过±0.83 nmol/L；血糖仪检测血糖浓度大于4.2 nmol/L时，准确度要求允许偏差不超过±20%。过大的检测误差对于血糖的监测是不利的。2006年，王坤等人开发了基于PIC单片机的具有数据存储功能的便携式血糖仪[2]。杜显峰等人对便携式血糖仪测量准确度进行评价研究获得了便携式家用血糖仪检测准确度有待提高的结论[3]。通常血糖检测误差来源主要包括环境温度、血糖仪内部的随机误差、系统误差、粗大误差及使用人员的操作是否规范[4-5]。因此，针对非人为因素造成的误差进行系统优化，提高血糖仪的检测精度具有重要意义。

1 基于51单片机的血糖仪检测系统构成

当前市场上常见的血糖仪主要分为电化学法测试和光反射技术测试两大类[6]。其中电化学法是通过酶与葡萄糖反应产生电子，通过电流的大小来获得葡萄糖浓度值，优点是价格相对低廉，缺点是容易受到环境因素的影响，试纸容易被污染，误差大，需要定期进行校准。针对应用较为广泛的电化学法测试的血糖仪，对系统构成的各个模块进行分析，并进行优化。

1.1 温度监测模块

温度检测模块主要用于血糖仪试纸表面温度的检测。由2个正负温度系数热敏电阻传感器，两个高精度电阻器和一个霍尔传感器组成。四个电阻构成电桥，其中热敏电阻传感器R1具有正温度系数，热敏电阻传感器R3具有负温度系数。R2和R4为高精度电阻。霍尔传感器S1用来检测电桥的电流大小。通过电桥电流大小，经过单片机转换后得到试纸表面温度值，修正温度影响因子，提高血糖检测精度。采用正负温度系数的热敏电阻传感器上对温度的测量要比单个热敏电阻传感器的测量精度要更高。温度监测模块如图1所示，其中虚线框为血糖试纸放置位。

图1 温度监测模块

1.2 双路输入模块

双路输入模块将采血点采集的血液连接到A、B两对生物传感电极，分别进行信号处理。S2和S3分别是A、B两路输入用于电流检测的霍尔传感器。S2、S3检测的电流分别输入到信号处理模块。该模块可实现一次采血即可进行两路检测分析，避免多次采血的不便。双路输入构造如图2所示。

图2 双路输入构造示意图

1.3 信号处理模块

信号处理模块由Ⅰ-Ⅴ转换电路、运算放大器和负反馈电路、模数转换器构成。Ⅰ-Ⅴ电路用于将电流转换成电压值。运算放大器对小电压进行放大，负反馈电路用于稳定电路性能，模数转换器将模拟的电压值转换成数字信号供单片机进行处理。

1.4 控制输出模块

该模块由STC89C51单片机、LCD12864液晶显示屏、扬声器、系统设置部件构成。STC89C51单片机根据温度检测模块检测值，经过单片机内部ROM查表得到温度值，调整温度影响因子。为了进一步提高血糖的检测精度，将两路获得的血糖值进行加权平均，得到最后的血糖数值。单片机控制液晶显示器进行显示，并通过扬声器模块提醒用户血糖值。系统设置模块主要用于设置血糖仪时间或调阅存储的历史记录数据等。

2 基于51单片机的血糖仪检测系统优化方案

在血糖检测系统中，单片机是系统的控制核心，51系列单片机使用简单，价格低廉，可靠性强，适用范围广。目前广泛应用于各种小微型控制系统。STC89C51单片机是血糖检测系统控制核心部件，具有处理速度较快，可在线编程等特点。基于51单片机的血糖仪检测系统如图3所示。

图3 基于51单片机的血糖仪检测系统

通过开机/设置按键对血糖监测系统进行设置。放入血糖试纸血糖仪自动开机。温度检测模块自动检测温度，单片机获取试纸温度值后调整温度影响因子。采血点收集血液，血液分两路流向A路生物电极和B路生物电极。信号处理模块处理A、B两路信号，单片机接收到两路信号后，判断A、B两路血糖检测结果误差是否超过允许最大ε，若未超出ε，则对两路信号进行处理。处理方式如式(1)所示。

P=(A+B)/2+αT+ΔS,

(1)

其中(A+B)/2可以消除随机误差，可以进行温度补偿，用于进行系统误差校正。最终检测值P输出显示到液晶屏幕，并通过扬声器告知被检者血糖值。当A、B两路血糖检测结果误差小于允许最大误差ε时，计数器C清零。当A、B两路血糖检测结果误差超过允许最大误差ε时，通过判断误差计数器C，当达到3次误差过大，发出提醒并校正误差。因整个系统采用正负温度系数的电桥进行测温，因此对试纸温度的检测更准确。其次采用双路输入加权平均得到血糖值，可以消除系统的随机误差和剔除粗大误差。引入系统误差修正项可以克服系统误差，引入温度补偿机制可以克服温度改变对输出结果的影响。同时，该系统在仅采集一次血液通过双路输入就能在血糖检测系统做双路检测，因此该血糖监测系统具有较高的测量精度，血糖监测系统数据处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程

基于STC89C51单片机的高精度血糖检测系统通过温度补偿机制可以克服温度改变对血糖检测结果的影响，通过双通道输入消除随机误差，通过引入系统误差修正项可以克服系统误差，同时设置双路最大允许误差值来提醒使用人员进行校正。通过上述优化方法，基于STC89C51单片机的高精度血糖检测系统能够有效提高血糖检测精度。