一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統及方法

2023-05-27 07:17:21 1

專利名稱：一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種血紅蛋白濃度檢測系統及方法，尤其是涉及一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統及方法。
背景技術：
Lambert-Beer定律是吸收分光光度法中的一條基本定律。它是指在透明溶劑中發色團的吸光度隨著樣品池光程以及發色團濃度的變化而呈線性變化。該定律是對描述光與物質的相互關係的麥克斯韋遠場方程的簡化描述 。分光光度法是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長範圍內光的吸收度，對該物質進行定性和定量分析的方法。吸光度是指波長為λ的光通過溶液或某一物質前的入射光強度與該光線通過溶液或物質後的投射光強度比值的對數。傳統的血紅蛋白濃度檢測方法有單波長分光度法、雙波長分光度法和導數分光度法。雙波長法大都採用分光鏡來得到兩種波長的單色光，光學結構相對複雜，實際應用較少。導數風光度法則需要較多不同波段的光源來測量多組溶液濃度，而採用多光源系統必然導致系統的高度複雜性。單波長分光度法是目前常見的血紅蛋白濃度測量方法之一，該法所需要的光學系統相對比較簡單，而且準確度符合一般的臨床測量要求。近些年來，基於ARM或FPGA的血紅蛋白濃度檢測方法湧現出來，且實際的使用中也取得了一定的效果，但其多採用開環控制，其缺點是無法保證血紅蛋白濃度的準確性和穩定性，另一個缺點是系統的硬體結構會比較複雜，實際應用時調試困難，開發成本高。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種檢測準確且穩定性好的基於單片機的血紅蛋白濃度檢測統計系統及方法。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測統計系統，包括光源模塊、比色池、光電二極體、光信號處理模塊和單片機，光源模塊包括D/A轉換器、壓控恆流源和LED發光二極體，所述的光信號處理模塊包括光電轉換器、A/D轉換器和人機互動界面，所述的單片機與D/A轉換器連接，D/A轉換器與壓控恆流源連接，壓控恆流源與LED發光二極體連接，發光二極體發出的光透過比色池後，由所述的光電二極體接收，所述的光電二極體與所述的光電轉換器連接，所述的光電轉換器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述的單片機連接，人機互動界面與單片機連接。光電轉換電路包括電流/電壓轉換電路和電壓反相電路，所述的光電二極體與電流/電壓轉換電路連接，電流/電壓轉換電路與電壓反向電路連接，電壓反相電路與A/D轉換器連接。一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測統計方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟一由單片機控制D/A轉換器，再將D/A轉換器的輸出電壓值給壓控恆流源電路，
得到穩定的電流給發光二極體，得到穩定的光源；步驟二 在比色池中放入稀釋液，發光二極體的光透過比色池內的稀釋液經過光電二極體得到電流io，然後經過電流/電壓轉換電路得到電壓值Uitl=-IciXR, R為電流/電壓轉換電路中的轉換電阻，得到的電壓值Uw再經過反相電路後輸入到A/D轉換器，最後A/D轉換器的輸出電壓值Utl=-Uitl，光電二極體對光的敏感度S=ItlZT0,即得Jtl=-Utl/ SR ；
步驟三設定電壓參考值，計算電壓參考值與採集到的電壓值Utl的差值e (k)，將差值e (k)代入公式
啡)=%<*) + Aβ0< )，其中u (k)為第k次控制時刻計算得到的值，Kp為比例係數，Ki為積
分係數，再將u(k)代入公式U(k)=U(k-l)+u(k)得到反饋輸出值，然後將反饋輸出值U(k)輸入到D/A轉換器，最後將D/A轉換器的輸出值輸入到壓控恆流源電路，來調整發光二極體的光強，若電壓值U0還未達到電壓參考值，則重複執行本步驟，直到電壓值Utl等於電壓參考值； 步驟四在比色池中放入被測血樣，發光二極體的光透過比色池內的血樣經過光電二極體得到電流I1，然後經過電流/電壓轉換電路得到電壓值Uil=-I1 X R，R為電流/電壓轉換電路中的轉換電阻，得到的電壓值再經過反相電路後輸入到A/D轉換器，最後A/D轉換器的輸出電壓值U1=-Uil，光電二極體對光的敏感度S=^J1, J1=-U1/ SR；
步驟五將步驟二得到的和步驟四得到的代入公式0 =,即得到血紅蛋白
JI
濃度的值，其中C為血紅蛋白濃度，K為吸光係數，L為比色池厚度。與現代技術相比，本發明的優點是採用壓控恆流源控制光源，對後級信號轉換及電壓的穩定提供可靠的保證同時也使測量更加準確。本發明採用的各個模塊電路簡單，成本較低。本發明採用閉環控制，可以有效減少外界因素對血紅蛋白濃度穩定性的影響。實測血紅蛋白濃度的非線性誤差可控制在2. 42%以內。


圖I為本發明的總體結構示意 圖2為本發明的光電轉換電路結構示意 圖3本發明的流程 圖4為本發明閉環控制的流程 圖5為本發明所測的血紅蛋白濃度穩定性曲線 圖6為本發明所測的血紅蛋白濃度線性曲線具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。如圖I所示，血紅蛋白濃度檢測系統主要包括包括光源模塊、比色池和光信號處理模塊，所述的光源模塊包括D/A轉換器2、壓控恆流源電路3、LED發光二極體4。所述的D/A轉換器2與所述的單片機I與所述的壓控恆流源電路3連接，所述壓控恆流源電路3與所述的LED發光二極體4連接。所述的LED發光二極體4發出的光透過所述的比色池5，所述的光信號處理模塊包括光電轉換電路7、A/D轉換器10、人機互動界面11。所述的光電轉換電路7與A/D轉換器8連接，其特徵在於光電轉換電路包括電流/電壓轉換電路8與反相電路9。所述的電流/電壓轉換電路8與反相電路9連接。所述的A/D轉換器10與單片機I連接。所述的人機互動界面11與單片機I連接。一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測方法，具體包括如下步驟，步驟一由單片機控制D/A轉換器2，再將D/A轉換器2的輸出電壓值給壓控恆流源電路3，得到穩定的電流給發光二極體4，得到穩定的光源。步驟二 在比色池5中放入稀釋液，發光二極體4的光透過比色池5內的稀釋液經過光電二極體6得到電流L，然後經過電流/電壓轉換電路8得到電壓值Uitl=-IciX R，R為電流/電壓轉換電路中的轉換電阻。得到的電壓值再經過反相電路9後輸入到A/D轉換器10，最後A/D轉換器10的輸出電壓值Utl=-Uitl，本發明中光電二極體6對光的敏感度S=Itl/
I0,所以Z0=-Uci/ SR。圖2為光電轉換電路結構示意圖。 步驟三設定電壓參考值，計算電壓參考值與採集到的電壓值Utl的差值e(k)，將
差值e(k)代入公式= Κρ3(β) + Κ,Σ^α)，其中u(k)為第k次控制時刻計算得到的值，
Kp為比例係數，Ki為積分係數。再將u(k)代入公式山00卻&-1)+11(10得到反饋輸出值，然後將反饋輸出值U (k)輸入到D/A轉換器，最後將D/A轉換器的輸出值輸入到壓控恆流源電路，來調整發光二極體的光強，若電壓值Utl還未達到電壓參考值，則重複執行本步驟，直到電壓值Utl等於電壓參考值。步驟四在比色池5中放入被測血樣，發光二極體4的光透過比色池5內血樣經過光電二極體4得到相應電流I1，然後經過電流/電壓轉換電路8得到電壓值Uil=-I1XR,R為電流/電壓轉換電路中的轉換電阻。得到的電壓值再經過反相電路9後輸入到A/D轉換器10，最後A/D轉換器10的輸出電壓值U1=-Uil,本發明中光電二極體對光的敏感度S=I1/I1,11=-U1/ SR。步驟五將步驟二得到的I0和步驟四得到的I1代入公式C =,其中C為血
KL *1
紅蛋白濃度，K為吸光係數，L為比色池厚度。如圖3所示，圖中簡要描繪了本統計方法的流程圖。本統計方法以步驟I —步驟2 —步驟3 —步驟4 —步驟5順序進行。如圖4所示，圖中描繪的是本統計方法中步驟三的閉環控制的流程圖。參考電壓值與步驟一中採集到的電壓值Utl之間的差值作為閉環控制的輸入，閉環控制的輸出值U(k)=U(k-l)+u(k)。若控制器輸出為U (k)時，步驟一中採集到的電壓值Utl還未達到參考值，則繼續步驟三的閉環控制，直到步驟一採集到的電壓值Utl等於參考值。圖5和圖6分別為本發明所測的血紅蛋白濃度穩定性曲線圖和線性曲線圖，由於
血紅蛋白濃度的穩定性和線性與log相同。在穩定性測試中，在加入血樣濃度為13uL
的情況下，連續測量10次，記錄每次所測血樣的，<值，得出其平均值為O. 299，方差為
I.6X 10_6。在線性測試中，以2uL為間隔將濃度分成6組，每組測5次得平均值，此時非線性誤差為2. 42%FS。
權利要求
1.一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統，其特徵在於包括光源模塊、比色池、光電二極體、光信號處理模塊、單片機和人機互動界面，光源模塊包括D/A轉換器、壓控恆流源和LED發光二極體,所述的光信號處理模塊包括光電轉換器、A/D轉換器,所述的單片機與D/A轉換器連接，D/A轉換器與壓控恆流源連接，壓控恆流源與LED發光二極體連接，發光二極體發出的光透過比色池後，由所述的光電二極體接收，所述的光電二極體與所述的光電轉換器連接，所述的光電轉換器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述的單片機連接，人機互動界面與單片機連接。
2.根據權利要求I所述的一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統，其特徵在於光電轉換電路包括電流/電壓轉換電路和電壓反相電路，所述的光電二極體與電流/電壓轉換電路連接，電流/電壓轉換電路與電壓反向電路連接，電壓反相電路與A/D轉換器連接。
3.一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟一由單片機控制D/A轉換器，再將D/A轉換器的輸出電壓值給壓控恆流源電路，得到穩定的電流給發光二極體，得到穩定的光源； 步驟二 在比色池中放入稀釋液，發光二極體的光透過比色池內的稀釋液經過光電二極體得到電流io，然後經過電流/電壓轉換電路得到電壓值Uitl=-IciXR, R為電流/電壓轉換電路中的轉換電阻，得到的電壓值Uw再經過反相電路後輸入到A/D轉換器，最後A/D轉換器的輸出電壓值Utl=-Uitl，光電二極體對光的敏感度S=ItlZT0,即得Jtl=-Utl/ SR ； 步驟三設定電壓參考值，計算電壓參考值與採集到的電壓值U0的差值e (k)，將差值e(k)代入公式
全文摘要
本發明公開了一種基於單片機的血紅蛋白濃度檢測系統和方法，包括光源模塊、比色池、光電二極體、光信號處理模塊和單片機，光源模塊包括D/A轉換器、壓控恆流源和LED發光二極體，光信號處理模塊包括光電轉換器、A/D轉換器和人機互動界面，單片機與D/A轉換器連接，D/A轉換器與壓控恆流源連接，壓控恆流源與LED發光二極體連接，發光二極體發出的光透過比色池後，由光電二極體接收，光電二極體與光電轉換器連接，光電轉換器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與單片機連接，人機互動界面與單片機連接，優點是採用壓控恆流源控制光源，對後級信號轉換及電壓的穩定提供可靠的保證同時也使測量更加準確。
文檔編號G01N21/17GK102901705SQ201210378840
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者李宏, 陳煒鋼, 胡文龍, 閻偉 申請人:寧波大學