CN103278538B - 便携式阻抗生物传感检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式阻抗生物传感检测仪，它包括：控制模块、IO扩展模块、显示模块、阻抗测量模块、电源模块、通讯模块、电压采样模块、数据存储模块、时钟模块、声音模块和系统状态指示模块；控制模块分别与IO扩展模块、显示模块、阻抗测量模块、通讯模块、电压采样模块、数据存储模块和时钟模块连接；IO扩展模块分别与显示模块、阻抗测量模块、通讯模块、声音模块和系统状态指示模块连接；本发明检测速度快，检测结果准确，运行可靠，环保节能，操作方便，便于携带，能广泛应用于各种生物阻抗分析检测的场合。
Description
技术领域
本发明涉及阻抗检测领域，尤其涉及一种便携式阻抗生物传感检测仪。
背景技术
近年来，食品安全问题越来越突出,已成为当今世界性公共卫生热点。因此食品安全快速检测仪器也越来越受到人们的重视。而生物传感器作为一种新技术,具有选择性好、检测速度快、灵敏度高等优点，已经在农业、食品、医药卫生等领域广泛应用。由于其检测精度介于大型实验室分析仪器与试纸条为代表的常规快速方法之间，而且方便携带、可现场快速检测，非常适合于食品安全快速筛查，确保人民身心健康和生命安全，保持社会稳定和繁荣，促进经济和贸易的发展。其中阻抗生物传感器因具有免标记、检测快速等优点而受到广泛关注。阻抗生物传感器通常由生物电极与阻抗检测仪组成。目前阻抗检测仪一般由大型精密阻抗检测仪器来完成，如英国solartron公司、美国Agilent以及德国Zahner公司都有相应的产品,此外还有研究开发的小型阻抗检测仪，如在李延斌、叶尊忠等的美国专利（METHODSANDSYSTEMSFORDETECTIONOFCONTAMINANTS，国际出版号：WO2008/028124）中提供了一种基于阻抗方法检测污染物的装置。该手持装置采用微处理器控制，内置阻抗检测芯片盒，英文字符显示，采用电池供电以及计算机的串口联机通讯等功能。该装置具有小型、可以便携等优点，但是该装置还存在一些问题：如该阻抗检测的模拟信号没有经过前置处理就连接到检测电极上，容易对检测电极上的生物材料造成影响导致测量结果不准和检测信号稳定性差；此外，由于该装置采用单一激励频率，因此无法在多个频段下正常工作，特别是较低的测量频率下工作；没有电池充电管理功能，采用普通电池，不能充电而导致使用时间短，不适合长时间作业；不能与没有串口但有USB口、蓝牙或者TCP/IP网络接口的计算机进行数据通讯，不能在检测仪器上实时打印测量的数据；不能显示中文以及图形，以及不能关闭液晶显示器的背光以节约电量；没有时间和日期电路功能，因此不能显示测试样品的测量日期等参数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种便携式阻抗生物传感检测仪。
本发明采用的技术方案如下：一种便携式阻抗生物传感检测仪，它包括：控制模块、IO扩展模块、显示模块、阻抗测量模块、电源模块、通讯模块、电压采样模块、数据存储模块、时钟模块、声音模块和系统状态指示模块；其中，所述控制模块分别与IO扩展模块、显示模块、阻抗测量模块、通讯模块、电压采样模块、数据存储模块和时钟模块连接；IO扩展模块分别与显示模块、阻抗测量模块、通讯模块、声音模块和系统状态指示模块连接；电源模块为控制模块、IO扩展模块、显示模块、阻抗测量模块、通讯模块、电压采样模块、数据存储模块、时钟模块、声音模块和系统状态指示模块供电；控制模块根据用户输入参数驱动显示模块显示相应的参数，并驱动IO扩展模块控制阻抗测量模块的阻抗测量所需信号时序，然后控制模块控制阻抗测量模块测得阻抗信号，阻抗信号通过数据存储模块进行存储；控制模块将阻抗信号传至显示模块和通讯模块。
进一步地，所述阻抗测量模块包括：频率单元、阻抗参比单元、阻抗校准单元、模拟信号调理单元和阻抗测量单元；模拟信号调理单元分别与阻抗参比单元、阻抗校准单元和阻抗测量单元连接；阻抗参比单元与阻抗校准单元连接；频率单元和阻抗测量单元相连接；阻抗测量频率由频率单元传输至阻抗测量单元，阻抗信号经过模拟信号调理单元调理后通过阻抗测量单元进行检测。
进一步地，所述电源模块包括电源输入单元、充电单元和升压单元；其中，所述充电单元分别与电源输入单元和升压单元相连接；输入电源送至电源输入单元，经充电单元至升压单元。
进一步地，所述通讯模块包括USB通讯单元、打印机单元、蓝牙通讯单元、通讯信号切换单元和TCP/IP通讯单元；其中，所述通讯信号切换单元分别与USB通讯单元、打印机单元、蓝牙通讯单元和TCP/IP通讯单元相连接；通讯信号切换单元在控制模块作用下与USB通讯单元、打印机单元、蓝牙通讯单元和TCP/IP通讯单元中的一个进行信号传输。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用了分频技术，能够在不同频率下对检测池中样品阻抗进行测量，针对不同样品选择其最佳检测频率，提高准确性。
2、通过模拟信号调理单元对待测模拟信号进行调理后送至阻抗测量模块，增加结果的准确性。
3、阻抗校准单元采用不同阻抗对系统进行校正，可保证装置运行的可靠性。
4、本装置通过通讯模块将多种通讯技术集成并与该装置结合，能够与电脑进行USB接口通讯、通过蓝牙或者TCP/IP网络接口的计算机进行数据通讯并将测得的数据输出到打印机。
5、显示模块能显示中文及图形信息，屏幕背光自动关闭和休眠操作以节约电源消耗。
6、本装置对电池电压、系统供电电压等进行实时检测和显示，确保系统正常可靠工作。
7、本装置按钮少，操作简便，并且检测速度快。采用了高性能大容量的充电电池，使用时间长并且能反复充电使用。能广泛应用于各种需要检测生物阻抗的场合。
附图说明
图1是本发明的模块组成结构框图；
图2是本发明的模块4组成结构框图；
图3是本发明的模块5组成结构框图；
图4是本发明的模块6组成结构框图；
图5是本发明的程序流程图；
图6是本发明的模块1的电路图；
图7是本发明的模块2的电路图；
图8是本发明的模块3的电路图；
图9是本发明的模块4的电路图；
图10是本发明的模块5的电路图；
图11是本发明的模块6的电路图；
图12是本发明的模块7的电路图；
图13是本发明的模块8的电路图；
图14是本发明的模块9的电路图；
图15是本发明的模块10的电路图；
图16是本发明的模块11的电路图。
图中：控制模块1、IO扩展模块2、显示模块3、阻抗测量模块4、电源模块5、通讯模块6、电压采样模块7、数据存储模块8、时钟模块9、声音模块10、系统状态指示模块11、频率单元401、阻抗参比单元402、阻抗校准单元403、模拟信号调理单元404、阻抗测量单元405、电源输入单元501、充电单元502、升压单元503、USB通讯单元601、打印机单元602、蓝牙通讯单元603、通讯信号切换单元604、TCP/IP通讯单元605。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括：控制模块1、IO扩展模块2、显示模块3、阻抗测量模块4、电源模块5、通讯模块6、电压采样模块7、数据存储模块8、时钟模块9、声音模块10和系统状态指示模块11；其中，控制模块1分别与IO扩展模块2、显示模块3、阻抗测量模块4、通讯模块6、电压采样模块7、数据存储模块8和时钟模块9连接；IO扩展模块2分别与显示模块3、阻抗测量模块4、通讯模块6、声音模块10和系统状态指示模块11连接；电源模块5为控制模块1、IO扩展模块2、显示模块3、阻抗测量模块4、通讯模块6、电压采样模块7、数据存储模块8、时钟模块9、声音模块10和系统状态指示模块11供电。控制模块1根据用户输入参数驱动显示模块3显示相应的参数，并驱动IO扩展模块2控制阻抗测量模块4的阻抗测量所需信号时序，控制模块1然后控制阻抗测量模块4测得阻抗信号，阻抗信号通过数据存储模块8进行存储。控制模块1将阻抗信号传至显示模块3和通讯模块6。
如图2所示，阻抗测量模块4包括五个单元：频率单元401、阻抗参比单元402、阻抗校准单元403、模拟信号调理单元404和阻抗测量单元405；模拟信号调理单元404分别与阻抗参比单元402、阻抗校准单元403和阻抗测量单元405连接；阻抗参比单元402与阻抗校准单元403连接；频率单元401和阻抗测量单元405相连接。阻抗测量频率由频率单元401传输至阻抗测量单元405，阻抗信号经过模拟信号调理单元404调理后通过阻抗测量单元405进行检测。
如图3所示，电源模块5包括电源输入单元501、充电单元502和升压单元503；其中充电单元502分别与电源输入单元501和升压单元503相连接。输入电源送至电源输入单元501，经充电单元502至升压单元503。
如图4所示，通讯模块6包括USB通讯单元601、打印机单元602、蓝牙通讯单元603、通讯信号切换单元604和TCP/IP通讯单元605；其中，通讯信号切换单元604分别与USB通讯单元601、打印机单元602、蓝牙通讯单元603和TCP/IP通讯单元605相连接。通讯信号切换单元604在控制模块1作用下与USB通讯单元601、打印机单元602、蓝牙通讯单元603和TCP/IP通讯单元605中的一个进行信号传输。
如图5所示，描述了该系统的工作过程。检测开始后可以选择不同的测量频率对待测目标进行阻抗测量并记录数据，当测量结束时可以选择打印数据。
如图6所示，控制模块1包括：单片机U3，键盘JP1，晶振X2，电容C4、C5，电容C12，电阻R9；其中键盘JP1上确定键K1、取消键K2、打印键K3、测量键K4、向上键K5、向下键K6分别与单片机U3的1-6脚相连接；键盘JP1的接地引脚（7脚）与单片机的接地引脚（20脚）相连接并接地；单片机的晶振引脚1(19脚)与晶振X2、电容C4的一端相连，单片机的晶振引脚2(18脚)与晶振X2的另一端，电容C5的一端相连接，电容C4、C5的另一端连接后接地；工作电压VCC与单片机U3的电压输入引脚（40脚）、电容C12的正极相连接，电容C12的负极与单片机的复位引脚（9脚）以及R9的一端相连接，R9的另一端接地。单片机U3实现对整个装置的控制，可以采用ATMEL公司生产的型号为AT89C51RC的芯片，但不限于此。
如图7所示，IO扩展模块2包括：IO扩展芯片U10、U12；IO扩展芯片U10的移位数据输入引脚（14脚）、IO扩展芯片U10、U12的移位时钟引脚（11脚）、移位锁存引脚（12脚）分别与控制模块中单片机U3的读引脚（17脚）、写引脚（16脚）和外部输入计时器T0（14脚）相连接；U10、U12的移位时钟清除引脚（10脚）与电压输入引脚（16脚）相连后接工作电压VCC，使能引脚（13脚）与接地引脚（8脚）相连后接地；U10的串行数据输出引脚（9脚）与U12的移位数据输入引脚（14脚）相连接。IO扩展芯片U10、U12实现对单片机U3的IO口扩展，可以采用NXPSemiconductors公司生产的型号为74HC595D的芯片，但不限于此。
如图8所示，显示模块3包括：液晶显示屏U6，电阻R6、R11、R8，三极管Q3；液晶显示屏U6的4-17脚分别与控制模块1的U3连接，工作电压VCC与电阻R6的一端，液晶显示屏U6的电源电压输入引脚（2脚）、背光源正端（19脚）相连接，R6的另一端与U6的液晶显示对比度调节引脚（3脚）、R11的一端连接，R11的另一端与U6的驱动电压输出引脚（18脚）相连接；U6的电源地引脚（1脚）接地；电阻R8一端与IO扩展芯片U12的并行数据输出引脚（4脚，BGON）相连接，另一端连三极管Q3的基极，Q3的集电极与U6的背光源负端（20脚）相连接，Q3的发射极接地。液晶显示屏U6实现对检测参数的设置、命令的显示以及结果的显示，可以采用远见公司生产的型号为LCD12864的点阵图形显示模块，但不限于此。
如图9所示，阻抗测量模块4包括：频率单元401、阻抗参比单元402、阻抗校准单元403、模拟信号调理单元404和阻抗测量单元405；频率单元401中模拟开关U17的X公共端（3脚）与阻抗测量单元405中测量芯片U2的主时钟脉冲引脚（8脚）相连接，阻抗参比单元402中模拟开关U15的X公共端（3脚）与阻抗校准单元403中的电阻R27、R25、R23、R21、R10、R17、R15、R13，电容C18，C19的公共端相连接，阻抗参比单元402中模拟开关U15的X公共端（3脚）与模拟信号调理单元404中运算放大器U14B的负相输入引脚（6脚）相连接，阻抗参比单元402中电阻R26、R24、R22、R18、R7、R16、R14、R12，电容C20、C21的公共端与模拟信号调理单元404中运算放大器U14B的输出端（7脚）以及R33的一端相连接，阻抗校准单元403中模拟开关U16的X公共端（3脚）与模拟信号调理单元404中运算放大器U14A的输出端（1脚）相连接，模拟信号调理单元404中R34的一端与阻抗测量单元405中测量芯片U2的反馈引脚（4脚）相连接，R34另一端与R33另一端相连后再与U2的电压输入端（5脚）相连；电容C9的一端与U2的电压输出端（6脚）相连接。模拟开关U15，U16，U17实现对信号的选择作用，可以采用NationalSemiconductor公司生产的型号为CD4051的芯片，但不限于此。运算放大器U14A、U14B实现对检测信号的前置处理功能，同属于放大器OPA2344的两个通道，但不限于此。测量芯片U2实现对阻抗信号的测量，可以采用AnalogDevices公司生产的型号为AD5933的芯片，但不限于此。
如图9所示，频率单元401包括：有源晶振X1、分频器U13和模拟开关U17；模拟开关U17的使能引脚（6脚）、片选引脚（11、10、9脚）分别与IO扩展模块2中IO扩展芯片U12的并行数据输出引脚（3、15、1、2脚）相连接；模拟开关U17的电压输入引脚（16脚）、有源晶振X1的电压输入引脚（4脚）和分频器U13的电压输入引脚（16脚）接工作电压VCC；U17的驱动电压输出端（7脚）与接地引脚（8脚）相连后接地；U17的开关引脚（13、14、15、12、1、5、2、4脚）分别与U16的开关引脚（9、7、6、5、3、2、4、13脚）相连接；U16的复位引脚（11脚）和接地引脚（8脚）相连后接地；有源晶振X1的输出脚（3脚）与分频器U13的时钟端（10脚）相连接，X1的接地引脚（2脚）接地。分频器U13能将有源晶振X1的频率分频，可采用PhilipsSemiconductors公司生产的型号为74HC4040的芯片，但不限于此。
如图9所示，阻抗参比单元402包括：模拟开关U15，电阻R26、R24、R22、R18、R7、R16、R14、R12、电容C20、C21；其中模拟开关U15的片选引脚（9、10、11脚）分别与IO扩展芯片U10的平行数据输出引脚（4、5、6脚）相连接；U15的驱动电压输出端（7脚）与接地引脚（8脚）相连后接地，电压输入引脚（16脚）接工作电压VCC；模拟开关U15的开关引脚（4、2、5、1、12、15、14、13脚）分别与电阻R26、R24、R22、R18、R7、R16、R14、R12的另一端相连接；电容C20与电阻R26并联，电容C21与电阻R12并联,U15的使能引脚（6脚）接地。
如图9所示，阻抗校准单元403包括：模拟开关U16，电阻R27、R25、R23、R21、R10、R17、R15、R13、电容C18、C19；其中模拟开关U16的片选引脚（9、10、11脚）、使能引脚（6脚）分别与IO扩展芯片U10的平行数据输出引脚（15、1、2、3脚）相连接；U16的驱动电压输出端（7脚）与接地引脚（8脚）相连后接地，电压输入引脚（16脚）接工作电压VCC；模拟开关U16的开关引脚（4、2、5、1、12、15、14、13脚）分别与电阻R27、R25、R23、R21、R10、R17、R15、R13的另一端相连接；电容C18与电阻R27并联，电容C19与电阻R13并联。
如图9所示，模拟信号调理单元404包括：测量信号输入接口J2，运算放大器U14A、U14B，电阻R29、R30、R31、R32、R33、R34，电容C9；其中测量信号输入接口J2与外置的检测池相连接；测量信号输入接口J2的输出引脚（1脚）与运算放大器U14B的负相输入引脚（6脚）相连接；R31、R32的一端相连后接U14B的正相输入引脚（5脚），R31的另一端接地，R32的另一端接工作电压VCC；U14B的输出端（7脚）与R33相连接；电容C9的一端与测量芯片U2的输出引脚（6脚）相连，另一端与电阻R29，R30一端以及运算放大器U14A的正相输入引脚（3脚）相连接，R29的另一端与U14A的电压输入引脚（8脚）相连后接工作电压VCC，R30的另一端与U14A的接地引脚（4脚）相连后接地；U14A的负相输入引脚（2脚）与输出端（1脚）相连后接测量信号输入接口J2的输入引脚（4脚）。
如图9所示，阻抗测量单元405包括：测量芯片U2；其中测量芯片U2的串行时钟线（16脚）、串行数据线（15脚）分别与控制模块1中U3的ZSDA（28脚）、ZSCL（27脚）相连接；U2的数字电压输入引脚（9脚）与模拟电压输入引脚（10、11脚）相连后接工作电压VCC，数字接地引脚（12脚）与模拟接地引脚（13、14脚）相连后接地。
如图10所示，电源模块5包括：电源输入单元501、充电单元502和升压单元503；充电单元502分别与电源输入单元501和升压单元503相连接；电源输入单元501包括USB电源VUSB,电源适配器J1,二极管D7,肖特基二极管D2、D5,电容C3、C6，稳压芯片U9；充电单元502包括发光二极管D8，肖特基二极管D3、D4，电阻R4、R28，电池E1，充电芯片U5；升压单元503包括电容C2、C10，电容C1、C8、C11，电阻R1、R19、R20、R35，肖特基二极管D1，电感L1，升压芯片U1；电源输入单元501中肖特基二极管D5的阴极与D2的阴极相连后与充电单元502中发光二极管D8的阳极相连接，电源输入单元501中电容C3的负极与充电单元502中的充电芯片U5的接地引脚（2脚）相连接后再与升压单元503中的电容C2的负极相连接；充电单元502中肖特基二极管D3、D4的阴极相连接后经过开关K与电容C2的正极相连接。稳压芯片U9实现对外接电源的稳压作用，可以采用FairchildSemiconductor公司生产的型号为LM7805的芯片，但不限于此。充电芯片U5实现对电池E1的充电功能，可以采用LinearTechnology公司生产的型号为LTC4054的芯片，但不限于此。升压芯片U1实现升压功能，可以采用LinearTechnology公司生产的型号为LT1302的芯片，但不限于此。
如图10所示，电源输入单元501中电源适配器J1的正极与二极管D7的阳极相连接；D7的阴极与电容C6的正极以及稳压芯片U9的电压输入引脚（1脚）相连接；稳压芯片U9的电压输出端（3脚）与电容C3的正极以及肖特基二极管D2的阳极相连接；C3、C6的负极，U9的接地引脚（2脚）与J1的负极相连后接地；USB电源VUSB与肖特基二极管D5的阳极相连接；D5的阴极与D2的阴极相连接。
如图10所示，充电单元502中电池E1的负极、充电芯片U5的接地引脚（2脚）与R4的一端相连接；R4的另一端与U5的程序控制引脚（5脚）相连接；电池E1的正极与充电芯片U5的电池接入引脚（3脚）以及肖特基二极管D4的阳极相连接，D4的阴极与肖特基二极管D3阴极相连接后接开关K；U5的电压输入引脚（4脚）接D3的阳极以及发光二极管D8的阳极；D8的阴极经电阻R28后接U5的充电状态输出脚（1脚）。
如图10所示，升压单元503中电容C2与电容C8并联；C2的正极与升压芯片U1的电压输入引脚（6脚）以及电感L1的一端相连接，L1的另一端与肖特基二极管D1的阳极以及U1的转换引脚（7脚）相连接；D1的阴极与U1的反馈引脚（4脚），电容C11，电容C10的正极以及电阻R19相连接，且该公共端是整个电路提供工作电压VCC的输出端；R19的另一端与R20相连接，C10与C11并联；C2的负极，U1的接地引脚（1脚）、电源地引脚（8脚），C10的负极以及R20的另一端相连接后接地；U1的频率补偿引脚（2脚）经电阻R1，电容C1后接地；U1的电流模式引脚（5脚）经电阻R35后接地。
如图11所示，通讯模块6包括：USB通讯单元601、打印机单元602、蓝牙通讯单元603、通讯信号切换单元604和TCP/IP通讯单元605；USB通讯单元601中USB转串口芯片U18的串口数据发射端（26脚）、串口数据接收端（25脚）分别与通讯信号切换单元604中通讯切换芯片U11的开关引脚（12、1脚）相连接；打印机单元602中电平转换芯片U19的数据发送输入引脚（10脚）、数据接收输出引脚（9脚）分别与U11的开关引脚（5、14脚）相连接；蓝牙通讯单元603中蓝牙接口J5的数据传送引脚（2、3脚）分别与U11的开关引脚（15、2脚）相连接，TCP/IP通讯单元605中TCP/IP接口J6的数据传送引脚（2、3脚）分别与U11的开关引脚（11、4脚）相连接。电平转换芯片U19实现电平转换的功能，可以采用MAX232，但不限于此；通讯切换芯片U11实现对通讯对象的切换，可以采用FairchildSemiconductor公司生产的型号为CD4052的芯片，但不限于此；USB转串口芯片U18实现USB通讯接口虚拟为串口通讯功能，可以采用SiliconLaboratories公司生产的型号为CP2101的芯片，但不限于此。
如图11所示，USB通讯单元601包括USB接口J4，USB转串口芯片U18；打印机单元602包括串口J3、电容C13、C14、C15、C16、C17，电平转换芯片U19；蓝牙通讯单元603包括蓝牙接口J5；通讯信号切换单元604包括通讯切换芯片U11；TCP/IP通讯单元605包括TCP/IP接口J6；U11的X公共端（13脚）、Y公共端（3脚）分别与U3的串口数据接收端（10脚）、串口数据发射端（11脚）相连接，U11的片选引脚（10、9脚）与U12的并行数据输出引脚（6、7脚）相连接。
如图11所示，通讯切换芯片U11的电压输入引脚（16脚）接工作电压VCC，使能引脚（6脚）、负供电电压引脚（7脚）、接地引脚（8脚）相连后接地；蓝牙接口J5、TCP/IP接口的电压输入引脚（1脚）均接工作电压VCC，接地引脚（4脚）均接地；工作电压VCC与电平转换芯片U19的电压输入引脚（16脚）、电容C15、C17的一端相连接，C15的另一端与U19的电荷泵生成正电压引脚（2脚）相连接，C17的另一端与C16连接并接地；C16的另一端与U19的电荷泵生成负电压引脚（6脚）相连接；电容C13的两端分别与U19的正电荷泵引脚（1、3脚）相连接；C14的两端分别与U19的负电荷泵引脚（4、5脚）相连接；U19的数据发送输出引脚（7脚）与串口J3的3脚相连接，U19的数据接收输入引脚（8脚）与串口J3的接收数据引脚（2脚）相连接；U19的接地引脚（15脚）与串口J3的接地引脚（5脚）相连接后接地；USB接口J4的电压输入引脚（1脚）与USB电源VUSB、USB转串口芯片U18的电源输入端（7脚）、USB电源正端（8脚）相连接；USB接口J4的信号传送引脚（2、3脚）与U18的信号线引脚（4、5脚）相连接；USB接口J4的4、5、6脚相连接后接地；U18的接地引脚（3脚）也接地。
如图12所示，电压采样模块7包括：电压采样芯片U8、电容C7；其中电压采样芯片U8的模拟电压输入引脚（1、2、3脚）分别与电源模块5中电池E1的正极、充电芯片U5的电池接入引脚（4脚）、R19与R20的连接处相连接；电压采样芯片U8的串行时钟线（10脚）、串行数据线（9脚）分别与控制模块中U3的串行时钟线（8脚）、串行数据线（7脚）相连接；工作电压VCC与电压采样芯片U8的参考电压引脚（14脚）、电压输入引脚（16脚）相连接；工作电压VCC经电容C7后接地；U8的外部引脚（12脚）、模拟地引脚（13脚）相连后接地；U8的器件地引脚（5、6、7脚）、接地引脚（8脚）相连后接地。电压采样芯片U8实现监测电池E1、充电芯片U5、工作电压VCC的电压，可以采用NXPSemiconductors公司生产的型号为PCF8591的芯片，但不限于此。
如图13所示，数据存储模块8包括：数据存储芯片U4；数据存储芯片U4的串行时钟线（6脚）、串行数据线（5脚）分别与控制模块中U3的串行时钟线（8脚）、串行数据线（7脚）相连接；U4的电压输入引脚（8脚）接工作电压VCC；U4的器件地址线引脚（1、2、3脚）、接地引脚（4脚）、写保护引脚（7脚）相连后接地。数据存储芯片U4实现存储采集数据以及设置的测量参数功能，可以采用MicrochipTechnology公司生产的型号为24LC256的芯片，但不限于此。
如图14所示，时钟模块9包括：晶振X3、计时芯片U7、电池E2；其中计时芯片U7的串行时钟输入引脚（7脚）、输入输出引脚（6脚）、复位引脚（5脚）分别与控制模块中U3的外部中断引脚1（13脚）、外部输入计时器1（15脚）、外部中断引脚0（12脚）相连接；计时芯片U7的电压输入引脚2（1脚）接工作电压VCC，接地引脚（4脚）接地；晶振X3的两端分别与U7的晶振引脚（2脚、3脚）相连接；电池E2的正极与U7的电压输入引脚1（8脚）连接，负极接地。计时芯片U7实现计时功能，可采用DallasSemiconductor生产的型号为DS1302的芯片，但不限于此。
如图15所示，声音模块10包括：电阻R2、三极管Q1、扬声器SP1；其中R2的一端与IO扩展模块2中IO扩展芯片U12的并行数据输出引脚（BEEP，5脚）相连接，R2的另一端与三极管Q1的基极相连接；扬声器SP1的一端与工作电压VCC相连接，另一端接三极管Q1的集电极；Q1的发射极接地。
如图16所示，系统状态指示模块11包括：电阻R3、R5，发光二极管D6、三极管Q2；其中R3一端与IO扩展模块2中IO扩展芯片U10的平行数据输出引脚（LED-STA，7脚）相连接，R3另一端与三极管Q2的基极相连接；工作电压VCC经R5后与发光二极管D6阳极相连接，D6的阴极与三极管Q2的集电极相连接；Q2的发射极接地。
电源模块5有USB电源供电、电源适配器供电、电池供电三种形式。当USB电源供电、电源适配器供电中的任意一个接通时，电池E1处于充电状态。
R19，R20用于分压，使电压采样模块采得的值不超过量程。
分频器U13可以将有源晶振X1的频率分频成更低的频率，通过单片机U3进行控制选择合适的频率进行阻抗的测量。
模拟开关U15、U16可以选择不同的阻抗以实现不同阻抗大小的校正以及测量。
模拟信号调理单元404用于对得到的模拟信号进行调理，减小误差。
时钟模块9能记录测量时间、系统时间等。
打印机单元602可以实现测量数据的输出。
通讯信号切换单元602可以用打印机单元602、USB通讯单元601、蓝牙通讯单元603之间的切换。
电压采样模块7可以采得电池E1电压、升压模块输出电压、电源输入单元501的输入电压。
数据存储模块8可以对采集的样品阻抗、样品标号、采集时间、频率等进行存储和输出。
系统状态指示模块用于指示系统状态。
采用肖特基二极管可以在二极管导通的时候有更小的压降。
确定键K1、取消键K2用于确定、取消液晶显示屏上显示的内容，打印键K3用于打印已测的数据，测量键K4用于进行确定参数后的阻抗测量，向上键K5、向下键K6用于对液晶显示屏上显示内容的选择。
发光二极管D8用于指示充电状态。
本发明实施工作过程如下，
1）按照原理图要求安装好电路，接上电源适配器J1，连上打印机，连接已经装配好生物检测芯片的检测池；
2）打开开关K，此时该便携式阻抗生物传感检测仪开始工作，发光二极管D8发光，电池E1处于充电状态，发光二极管D6发光，表示仪器已经进入工作状态；
3）按确定键K1进入系统，接着通过向上键K5、向下键K6按键进行选择，此处选择“阻抗测试”，并按确定键K1进入阻抗测试界面；
4）通过向上键K5、向下键K6选择需要的测量频率，本检测仪提供了100Hz，1KHz，10KHz，20KHz，100KHz五个不同的频率，按下确定键K1确定；
5）样品进样方式的选择。可把检测池管道与进样泵相连实现自动进样，也可把检测器与注射器相连，通过注射器吸取待测的生物样品。通过注射泵或者手动把样品注射到检测池中，稳定一定时间。
6）按下测量键K4，此时检测仪开始测量检测池的阻抗，测量完毕后液晶显示屏U6会显示相应数据，按下确定键保存数据，并有相应的ID号，例如ID：0007；
7）如果需要重复测量，重复步骤5）
8）如果需要测量其他样品，那么在检测池清洗后注射其他样品再重复步骤5）
9）按下打印键K3，通过向上键K5、向下键K6选择要打印的数据的ID范围，并按下确定键K1，此时打印机工作，打印所选择的数据；
10）可以通过蓝牙通讯、USB通讯、TCP/IP通讯与计算机相连，通过计算机软件可以进行参数设置、遥控测量、数据储存以及读出已存的测试数据等功能。
11）测量完毕，关闭开关K，断开与检测池的连接。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种便携式阻抗生物传感检测仪，其特征在于：它包括：控制模块（1）、IO扩展模块（2）、显示模块（3）、阻抗测量模块（4）、电源模块（5）、通讯模块（6）、电压采样模块（7）、数据存储模块（8）、时钟模块（9）、声音模块（10）和系统状态指示模块（11）；其中，所述控制模块（1）分别与IO扩展模块（2）、显示模块（3）、阻抗测量模块（4）、通讯模块（6）、电压采样模块（7）、数据存储模块（8）和时钟模块（9）连接；IO扩展模块（2）分别与显示模块（3）、阻抗测量模块（4）、通讯模块（6）、声音模块（10）和系统状态指示模块（11）连接；电源模块（5）为控制模块（1）、IO扩展模块（2）、显示模块（3）、阻抗测量模块（4）、通讯模块（6）、电压采样模块（7）、数据存储模块（8）、时钟模块（9）、声音模块（10）和系统状态指示模块（11）供电；控制模块（1）根据用户输入参数驱动显示模块（3）显示相应的参数，并驱动IO扩展模块（2）控制阻抗测量模块（4）的阻抗测量所需信号时序，然后控制模块（1）控制阻抗测量模块（4）测得阻抗信号，阻抗信号通过数据存储模块（8）进行存储；控制模块（1）将阻抗信号传至显示模块（3）和通讯模块（6）；控制模块（1）调控和读出时钟模块（9）的时钟数据并传至显示模块（3）和通讯模块；控制模块（1）通过电压采样模块（7）监测电源模块（5）的电压参数；所述阻抗测量模块（4）包括：频率单元（401）、阻抗参比单元（402）、阻抗校准单元（403）、模拟信号调理单元（404）和阻抗测量单元（405）；模拟信号调理单元（404）分别与阻抗参比单元（402）、阻抗校准单元（403）和阻抗测量单元（405）连接；阻抗参比单元（402）与阻抗校准单元（403）连接；频率单元（401）和阻抗测量单元（405）相连接；阻抗测量频率由频率单元（401）传输至阻抗测量单元（405），阻抗信号经过模拟信号调理单元（404）调理后通过阻抗测量单元（405）进行检测；
所述模拟信号调理单元（404）包括：测量信号输入接口J2，运算放大器U14A、U14B，电阻R29、R30、R31、R32、R33、R34，电容C9；其中测量信号输入接口J2与外置的检测池相连接；测量信号输入接口J2的输出引脚与运算放大器U14B的负相输入引脚相连接；R31、R32的一端相连后接U14B的正相输入引脚，R31的另一端接地，R32的另一端接工作电压VCC；U14B的输出端与R33相连接；电容C9的一端与测量芯片U2的输出引脚相连，另一端与电阻R29，R30一端以及运算放大器U14A的正相输入引脚相连接，R29的另一端与U14A的电压输入引脚相连后接工作电压VCC，R30的另一端与U14A的接地引脚相连后接地；U14A的负相输入引脚与输出端相连后接测量信号输入接口J2的输入引脚；
所述阻抗参比单元（402）包括：模拟开关U15，电阻R26、R24、R22、R18、R7、R16、R14、R12、电容C20、C21；其中模拟开关U15的片选引脚分别与IO扩展芯片U10的平行数据输出引脚相连接；U15的驱动电压输出端与接地引脚相连后接地，电压输入引脚接工作电压VCC；模拟开关U15的开关引脚分别与电阻R26、R24、R22、R18、R7、R16、R14、R12的另一端相连接；电容C20与电阻R26并联，电容C21与电阻R12并联,U15的使能引脚接地；
所述频率单元（401）包括：有源晶振X1、分频器U13和模拟开关U17；模拟开关U17的使能引脚、片选引脚分别与IO扩展模块（2）中IO扩展芯片U12的并行数据输出引脚相连接；模拟开关U17的电压输入引脚、有源晶振X1的电压输入引脚和分频器U13的电压输入引脚接工作电压VCC；U17的驱动电压输出端与接地引脚相连后接地；U17的开关引脚分别与U16的开关引脚相连接；U16的复位引脚和接地引脚相连后接地；有源晶振X1的输出脚与分频器U13的时钟端相连接，X1的接地引脚接地；分频器U13能将有源晶振X1的频率分频，采用PhilipsSemiconductors公司生产的型号为74HC4040的芯片；
测量芯片U2为AnalogDevices公司生产的型号为AD5933的芯片、模拟开关U15和模拟开关U17为NationalSemiconductor公司生产的型号为CD4051的芯片，IO扩展芯片U10和IO扩展芯片U12为NXPSemiconductors公司生产的型号为74HC595D的芯片。
2.根据权利要求1所述便携式阻抗生物传感检测仪，其特征在于：所述电源模块（5）包括电源输入单元（501）、充电单元（502）和升压单元（503）；其中，所述充电单元（502）分别与电源输入单元（501）和升压单元（503）相连接；输入电源送至电源输入单元（501），经充电单元（502）至升压单元（503）；
所述电源输入单元（501）中电源适配器J1的正极与二极管D7的阳极相连接；D7的阴极与电容C6的正极以及稳压芯片U9的电压输入引脚相连接；稳压芯片U9的电压输出端与电容C3的正极以及肖特基二极管D2的阳极相连接；C3、C6的负极，U9的接地引脚与J1的负极相连后接地；USB电源VUSB与肖特基二极管D5的阳极相连接；D5的阴极与D2的阴极相连接；稳压芯片U9为FairchildSemiconductor公司生产的型号为LM7805的芯片。
3.根据权利要求1所述便携式阻抗生物传感检测仪，其特征在于：所述通讯模块（6）包括USB通讯单元（601）、打印机单元（602）、蓝牙通讯单元（603）、通讯信号切换单元（604）和TCP/IP通讯单元（605）；其中，所述通讯信号切换单元（604）分别与USB通讯单元（601）、打印机单元（602）、蓝牙通讯单元（603）和TCP/IP通讯单元（605）相连接；通讯信号切换单元（604）在控制模块（1）作用下与USB通讯单元（601）、打印机单元（602）、蓝牙通讯单元（603）和TCP/IP通讯单元（605）中的一个进行信号传输。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 一种基于多频生物电阻抗法的人体腹部脂肪检测系统的设计;李章勇等;《传感技术学报》;20121231;第25卷(第12期);第1643-1647页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014194555A1 (zh) | 2014-12-11 |
| CN103278538A (zh) | 2013-09-04 |
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