CN101661015A - 电化学生物传感器通用便携式检测仪 - Google Patents

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左少华
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Abstract

一种电化学生物传感器通用便携式检测仪。以集成数模转换和模数转换功能的微控制器为核心，外围电路包括电源管理模块、恒电位模块、E2PROM存储器、时钟管理器、温度传感器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块。可与常见的具有三电极体系或二电极体系的各种电化学生物传感器，尤其是小型或微型的电化学生物传感器芯片配合使用，实现计时电流法、计时电量法和多种伏安法检测功能，同时可对检测结果进行温度校正。本发明以高集成度、低功耗、实用性为原则设计。仪器体积小，采用电池供电，具有便携性，适合在医疗检测、食品安全和环境保护等领域的分析现场使用，能够满足快速检测的要求。

Description

电化学生物传感器通用便携式检测仪
技术领域
本发明涉及一种传感器检测仪，特别是一种电化学生物传感器通用便携式检测仪，属于生化分析仪器技术领域。
背景技术
在医疗检测、食品安全和环境保护等领域，对分析检测方法和仪器的要求越来越趋向于便携式、快速、低成本、操作简单，在某些场合要能够实现现场检测或在线实时监测。然而，现有的很多方法还是依赖于大型昂贵的实验仪器，分析检测时间长、成本高、对操作者的技能要求高。不能很好地满足实际应用的需要。电化学生物传感器是一种将生物化学反应信息直接转换为易测量的电流或电压等信号的传感器。除了具有高灵敏度和选择性的特性外，电化学生物传感器的检测仪器不需要光学或其它复杂器件，更容易小型化，制作成本低。因而在各种分析检测领域具有广阔的应用前景。
目前电化学生物传感器的检测仪器主要是台式电化学工作站，通过计算机操作，功能性高，但是体积大，价格贵，不适合在实际应用中推广。个人检测用血糖仪是一种基于电化学生物传感器技术的产品，已在商业上得到成功应用。血糖仪采用的检测方法为恒电位计时电流法或电量法，激励电压参数由硬件设置，仪器专用程度高，几乎每种型号的血糖仪只能使用特定的一种电极试纸。本发明可与常见的具有三电极体系或二电极体系的各种电化学生物传感器，尤其是小型或微型的电化学生物传感器芯片配合使用，实现计时电流法、计时电量法和多种伏安法检测功能，具有一定的通用性。只要简单修改程序参数就可以适用于新的电化学生物传感器。仪器体积小，采用电池供电，具有便携性，适合在分析现场使用，能够满足快速检测的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学生物传感器通用便携式检测仪，以扩大电化学生物传感器实际应用的范围和提高其实际应用能力。该检测仪能够与常见的具有三电极体系或二电极体系的各种电化学生物传感器配合使用，实现计时电流法、计时电量法和多种伏安法检测功能。并具有体积小，成本低的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括微控制器、电源管理模块、恒电位模块、E2PROM存储器、时钟管理器、温度传感器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块。电源管理模块与微控制器的VDD和GND引脚相连。恒电位模块与微控制器的数模转换引脚D/A和模数转换引脚A/D相连。E2PROM存储器的SCL和SDA引脚分别与微控制器的SCL和SDA引脚相连，通过I2C协议通讯。温度传感器的DQ引脚与微控制器的一个I/O引脚相连，为单总线通讯方式。时钟管理器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块均与微控制器的I/O引脚直接相连。
所述的检测仪，电源管理模块中采用2节CR2032钮扣电池(6V)供电，可向微控制器和其它电路提供3.3V、-3.3V电压和2.5V参考电压。其中，3.3V电压由6V电压经电压调节器后获得，3.3V电压再经电压变换器生成-3.3V电压，2.5V参考电压由参考电压源芯片输出。
所述的检测仪，恒电位模块的WE、CE和RE三个引脚，分别与三电极体系的电化学生物传感器的工作电极、对电极和参比电极相连。传感器为两电极体系时，WE接工作电极，CE和RE均与对电极相连。电化学生物传感器工作时的激励电压由微控制器的DAC和恒电位模块提供，产生的电流信号经运算放大器转换为电压信号后输入至微控制器A/D引脚，由微控制器读取并进行计算处理。
所述的检测仪，输入输出功能分别由按键输入模块和液晶显示模块来执行。按键输入模块由2个按键组成；液晶显示模块可选用段码式、字符点阵或图形点阵类型。
所述的检测仪，还具有以下实用性功能。仪器操作过程中和结果显示时，具有蜂鸣器提示声音。时钟管理器和E2PROM存储器共同实现对检测时间和结果的记录存储。温度传感器用来实现温度检测功能，在温度敏感性高的检测体系中对结果进行温度校正。
所述的检测仪，采用混合信号片上系统类型的微控制器，集成数模转换DAC和模数转换ADC功能，甚至更多其它功能。
本发明具有实质性特点和显著进步。检测仪以高集成度、低功耗、实用性为原则设计，采用集成度高、功能强、性价比高的元器件。电路结构紧凑，仪器尺寸小且制作成本低。同时，本发明充分考虑到了电化学生物传感器的结构特点和对检测仪的功能要求，采用灵活的接口设计，并提供常用的计时电流法、计时电量法和多种伏安法。检测功能还能通过程序软件进一步提升。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明中电源管理模块电路示意图
图3本发明中恒电位模块及其与传感器电极((1)：三电极体系；(2)：二电极体系)的连接方式示意图
具体实施方案
如图1所示，本发明包括微控制器、电源管理模块、恒电位模块、E2PROM存储器、时钟管理器、温度传感器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块。电源管理模块与微控制器的VDD和GND引脚相连。恒电位模块与微控制器的数模转换引脚D/A和模数转换引脚A/D相连。E2PROM存储器的SCL和SDA引脚分别与微控制器的SCL和SDA引脚相连，通过I2C协议通讯。温度传感器的DQ引脚与微控制器的一个I/O引脚相连，为单总线通讯方式。时钟管理器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块均与微控制器的I/O引脚直接相连。
如图2所示，电源管理模块中采用2节CR2032钮扣电池(6V)供电，可向微控制器和其它电路提供3.3V、-3.3V电压和2.5V参考电压。其中，3.3V电压由6V电压经电压调节器后获得，3.3V电压再经电压变换器生成-3.3V电压，2.5V参考电压由参考电压源芯片输出。本方案中，电压调节器采用LM1117-3.3，电压变换器采用ICL7660，参考电压源芯片采用MCP1525。
如图3所示，恒电位模块的WE、CE和RE三个引脚，分别与三电极体系的电化学生物传感器的工作电极、对电极和参比电极相连。传感器为两电极体系时，WE接工作电极，CE和RE均与对电极相连。电化学生物传感器工作时的激励电压由微控制器的DAC经恒电位模块提供，产生的电流信号经运算放大器转换为电压信号后输入至微控制器A/D引脚，由微控制器读取并进行计算处理。本方案中，运算放大器采用OPA2227。
在本方案中，E2PROM存储器采用AT24LC64，时钟管理器采用DS1302，温度传感器采用DS18B20。
本检测仪在使用时具有两种方式。方式一，用作电化学生物传感器的开发平台。在传感器未开发成熟时，用检测仪考察其电化学性能；方式二，对电化学性能稳定的传感器，将其必要参数和计算方程式写进程序，直接由液晶显示出最后结果。通过该方式，多种传感器可使用同一检测仪。

Claims (9)

1、一种电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，包括微控制器、电源管理模块、恒电位模块、E2PROM存储器、时钟管理器、温度传感器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块。电源管理模块与微控制器的VDD和GND引脚相连。恒电位模块与微控制器的数模转换引脚D/A和模数转换引脚A/D相连。E2PROM存储器的SCL和SDA引脚分别与微控制器的SCL和SDA引脚相连，通过I2C协议通讯。温度传感器的DQ引脚与微控制器的一个I/O引脚相连，为单总线通讯方式。时钟管理器、蜂鸣器、按键输入模块和液晶显示模块均与微控制器的I/O引脚直接相连。
2、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，电源管理模块中采用2节CR2032钮扣电池(6V)供电，可向微控制器和其它电路提供3.3V、-3.3V电压和2.5V参考电压。其中，3.3V电压由6V电压经电压调节器后获得，3.3V电压再经电压变换器生成-3.3V电压，2.5V参考电压由参考电压源芯片输出。
3、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，恒电位模块除了与微控制器相连之外，还具有WE、CE和RE三个引脚，分别与三电极体系的电化学生物传感器的工作电极、对电极和参比电极相连。传感器为两电极体系时，WE接工作电极，CE和RE均与对电极相连。电化学生物传感器工作时的激励电压由微控制器的数模转换DAC功能和恒电位模块提供，产生的电流信号经运算放大器转换为电压信号后输入至微控制器A/D引脚。
4、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，按键输入模块由2个按键组成，完成参数设置和程序流程控制的功能。
5、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，液晶显示模块可选用段码式、字符点阵或图形点阵类型。完成参数设置提示和结果显示功能。
6、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，仪器操作过程中和结果显示时，具有蜂鸣器提示声音。
7、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，时钟管理器和E2PROM存储器共同实现对检测时间和结果的记录存储。
8、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，采用混合信号片上系统类型的微控制器，集成数模转换DAC和模数转换ADC功能，甚至更多其它功能。
9、根据权利要求1所述的电化学生物传感器通用便携式检测仪，其特征是，温度传感器用来实现温度检测功能，在温度敏感性高的检测体系中对结果进行温度校正。
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