CN103760217A - 一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路，通过控制电路根据循环伏安法测定三电极生物酶传感器WE的最佳工作电位，确定该电位下的电流时间I-T曲线，根据I-T曲线确定对应的血酒精的浓度，设定双极性扫描电路产生该电位输入至恒电位仪电路，恒电位仪电路用于将稳定的电压信号输入至三电极生物酶传感器RE和CE之间，微电流检测电路用于检测三电极生物酶传感器WE上产生的因血酒精的存在而产生的微小的电流并输入至控制电路，控制电路根据I-T曲线判定出血酒精浓度，其中核心控制芯片采用STM32F103VCT6。本发明可实现现场实时快速的对酒后驾驶人员的血酒精浓度进行检测，具有灵敏度高、实时性好等优点。

Description

一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路

技术领域

本发明属于生物传感器检测技术领域，特别地涉及一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路。

背景技术

血液中酒精浓度(b1ood alcohol concentration，BAC)是人体的一个重要的生理指标。酒精对人脑的作用与人体血液中的酒精浓度有密切关系，研究表明，饮酒对驾车能力的损害随BAC浓度的升高而增加，甚至在BAC浓度很低(0.1mg/mL)时，这种损害就已经开始。2013年6月15日，世界卫生组织发布了首份《道路安全全球现状报告》，报告显示，全球每年有127万人死于道路交通事故，而此前世卫组织统计，全球50％-60％的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已成为车祸致死的首要原因。2004年9月我国就制订了《驾驶员血中乙醇阈值》标准，标准规定：血乙醇浓度大于或等于20mg/100mL为“酒后驾车”，血乙醇浓度大于或等于80mg/100mL为“醉酒驾车”。对于发生交通事故的驾驶员，将首先进行呼气酒精检测，以判定肇事原因是否与酒后驾车有关。以下四种情况必须采取抽取血液的方法检验酒精含量：(1)死亡事故；(2)不能或拒绝进行呼气酒精检测；(3)当场否认呼气酒精检测结果；(4)伤人事故呼气检出酒精。抽取静脉血液将由医务人员进行，血样送交管部门事故处检验。

大多数血液酒精浓度测试仪采用的是顶空气相色谱法(Headspace GasChromatography，HS-GC)，该方法是将含乙醇的样品装入顶空取样瓶，用瓶盖密封，放入顶空自动进样器中，载气携带乙醇样品在固定相中移动，使乙醇得到分离，然后对分离的乙醇再进行检测。但由于乙醇性质不稳定性，送检、分析都应及时。乙醇在人体的代谢过程中易氧化水解，代谢速率较快，所以在代谢过程的不同阶段采样送检，检测结果可能不同。该方法的缺点是对送检的时效要求严格，并且由于乙醇的不稳定性使得测试的结果不准确。而另一种常见的测试方法是湿化学法，这种方法存在操作复杂，受外界因素影响大的问题。因而这两种方法在进行血酒精浓度测试时，存在着时效差，精度低，更不能应用于现场测试。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷，避免造成每次将采集的血样送交管部门事故处检验费时费力，检测的结果由于测试时间差等因素，存在测试结果不准确的可能性。因此，研发出一种酒精浓度现场实时检测仪可以提高酒驾事故判定的效率和可靠性。实现现场实时快速的对酒后驾驶人员的血酒精浓度进行检测，与以往的血酒精浓度检测方法相比具有灵敏度高、实时性好等优点。对提高人体血液酒精含量的分析的准确性和可靠性具有现实意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路，可实现现场实时快速的对酒后驾驶人员的血酒精浓度进行检测，具有灵敏度高、实时性好等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路，包括控制电路，双极性电压产生电路，恒电位仪电路，三电极生物酶传感器，微电流检测电路，显示电路，串口输出电路和用于给以上模块提供工作电源的供电电路，

通过控制电路根据循环伏安法测定三电极生物酶传感器的工作电极WE的最佳工作电位，根据所得的工作电位，确定该电位下的电流时间I-T曲线，根据I-T曲线确定对应的血酒精的浓度，设定双极性扫描电路产生该电位输入至恒电位仪电路，所述恒电位仪电路用于将稳定的电压信号输入至三电极生物酶传感器的参比电极RE和对电极CE之间，所述微电流检测电路用于检测三电极生物酶传感器的工作电极WE上产生的因血酒精的存在而产生的微小的电流并输入至控制电路，控制电路根据I-T曲线判定出血酒精浓度，所述串口输出电路用于通过串口输出打印功能，将采集到数据通过处理绘制成曲线，所述显示电路用于通过TFT屏将采集到的信号进行显示，

其中控制电路的核心控制芯片采用STM32F103VCT6，其与外部连接关系如下：PA4、PA5、PA7、PD2为双极性电压产生电路的数模转换芯片DAC控制引脚，利用STM32F103VCT6的SPI接口控制DAC芯片；PA13～PA15、PB3、PB4为JTAG下载接口；VREF+、VREF-为内部ADC的参考电压输入引脚；PB10、PB11为STM32F103VCT6的I2C接口，用来与外部具有I2C接口的微电流检测电路的采样芯片AD相连接；NRST引脚为芯片的复位引脚；BEEP为外接蜂鸣器引脚，当血酒精浓度达到设定的醉酒阈值时，蜂鸣器报警；PB12～PB15为STM32F103VCT6的SPI2接口，用于连接具有串行接口的显示电路。

优选地，所述双极性电压产生电路进一步包括由REF3233组成的基准电压产生电路和由运放OPA727和数模转换芯片DAC8831组成的双极性电压输出电路，其中REF3233输入电压为5V连接作为使能端的第3管脚和作为电压输入引脚的第4管脚，输出3.3V电压连接到DAC8831的参考电压输入端第6管脚和第7管脚，DAC8831的SPI控制引脚分别与STM32F103VCT6的控制引脚相连，通过STM32F103VCT6的SPI来控制DAC8831的工作时序，将数据通过单总线SDI引入到DAC8831，DAC8831在运放OPA727的输出端即可得到与输入数据对应的电压。

优选地，所述微电流检测电路进一步包括电压电流I-V转换电路，放大电路，滤波电路和采样电路，

所述I-V转换电路包括第一斩波稳零运算放大器ICL7650，其第1管脚CEXTB端外接第五电容一端，第2管脚CEXTA端外接第六电容一端；第3管脚，第5管脚同相输入端+IN和第6管脚接地；三电极生物酶传感器的工作电极输出端通过串联的第四电阻R4连接第4管脚反相输入端-IN，第四电阻R4和-IN之间并接方向相反的钳位保护二极管D1和D2，第7管脚负电源端V-连接经第十三电容C13过滤的-5V电压，第11管脚正电源端连接串接第四电容的+5V电压，第10管脚输出端OUT连接第五电阻R5和第十五电容C15组成的滤波网络后输出电压信号，第10管脚输出端OUT连接第十二电阻R12与第二十电容C20组成反馈补偿网络后连接三电极生物酶传感器的工作电极输出端；第8管脚CRETN与第五电容和第六电容的另一端连接。

优选地，所述放大电路为两级同相差分放大电路，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚CEXTB端连接接第一电容的一端，第2管脚CEXTA端外接第二电容一端，第3管脚和第6管脚接地，V1通过串联的第一电阻R1连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚负电源端V-连接经第七电容过滤的-5V电压，第一电容和第二电容的另一端连接第8管脚CRETN，第4管脚反相输入端-IN并接第六电阻和第十四电容后连接第10管脚输出端OUT，第11管脚正电源端连接经第二电容过滤的+5V电压，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN串联第十电阻后连接第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN；第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN并接第十七电容和第十四电阻后连接第10管脚输出端OUT，第1管脚CEXTB端连接第二十二电容一端，第2管脚CEXTA端连接第二十四电容一端，第3管脚和第6管脚接地，V2串接第十七电阻后连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚连接经第二十七电容滤波后的-5V电压，第二十二电容和第二十四电容的另一端连接第8管脚CRETN，第11管脚正电源端连接经第二十三电容过滤的+5V电压；第四斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚连接第十一电容的一端，第2管脚连接第八电容的一端，第十一电容和第八电容的另一端连接第8管脚CRETN，第3管脚和第6管脚接地，第4管脚反相输入端-IN连接经第二电阻和第十电容滤波后的第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第5管脚正相输入端+IN连接经第十八电阻和第二十六电容过滤后的第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第十九电阻的一端连接第5管脚正相输入端+IN，第十九电阻的另一端接地，第三电阻的一端连接第4管脚反相输入端-IN，第三电阻的另一端连接第10管脚输出端OUT，第10管脚输出端OUT输出放大后的电压，第十一管脚连接经第十二电容滤波的+5V电压。

优选地，所述滤波电路为由TLC4501构成的巴特沃斯滤波器，I-V转换电路的输出端连接第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端分别连接第十三电阻和第二十五电容的一端，第十三电阻的另一端连接TLC4501的第3管脚正输入端IN+，第十三电阻的另一端同时连接第二十一电容的一端，第二十一电容的另一端接地和TLC4501的第4管脚VDD-/GND，第二十五电容的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第2引脚反相输入端连接第九电阻和第八电阻的一端，第九电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第7引脚工作电压输入端连接经过第九电容滤波后的5V电压。

优选地，所述采样电路由模数转换芯片ADS1110构成，其第1管脚Vin+连接滤波电路的输出端，第2管脚GND接地，第3管脚SCL连接控制器单片机的SCL输出，第4管脚SDA连接控制器单片机的SDA输出，第5管脚连接通过并接的第十九电容和第六电容滤波后的+5V电压，第6管脚接地。

优选地，在核心控制芯片STM32F103VCT6上移植μc/OS-II系统，移植时需要修改的文件包含3个与CPU类型相关的文件以及2个与具体的应用相关的文件，利用任务创建函数创建电压扫描任务，定时器任务，I2C采样任务，数据处理，显示任务和串口任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)通过对三电极生物酶传感器电极间电压稳定的恒电位仪电路、测试响应电流的微电流测试电路、去除干扰的滤波电路实现了系统测试的高精度；

(2)将嵌入式系统μc/OS-II移植到STM32控制器上，建立了基于任务的便携式数据采集和分析的高精度血酒精浓度测试电路，缩短了基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的开发周期；

(3)血酒精传感器产生的响应电流在10^-7到10^-6A范围内，测量微小电流对电路的抗干扰性有严格的要求。经过反复的实验测试，最终以自稳零、低漂移运放ICL7650为核心器件搭建了同相并联差分电路，实现了对电流的高倍率放大。

附图说明

图1为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的结构原理图；

图2为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的控制电路中主控芯片的管脚示意图；

图3为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的双极性电压产生电路的示意图；

图4为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的I-V转换电路的示意图；

图5为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的放大电路的示意图；

图6为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的滤波电路的示意图；

图7为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的采样电路的示意图；

图8为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的循环伏安法流程图；

图9为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路的I-T曲线测定流程图；

图10为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的DAC8831工作时序图；

图11为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的DAC8831驱动任务流程图；

图12为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的定时器任务流程图；

图13为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的I2C采样任务流程图；

图14为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的I2C工作时序图；

图15为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的STM32与ADS1110通信示意图；

图16为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的显示任务流程图；

图17为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的串口打印任务流程图；

图18为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的工程使用stdio.h配置方法示意图；

图19为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的浓度一电流对应关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参考图1，所示为本发明实施例的基于三电极的高精度血酒浓度测试电路的结构原理图，其包括控制电路10，双极性电压产生电路20，恒电位仪电路30，三电极生物酶传感器40，微电流检测电路50，显示电路60，串口输出电路70和用于给以上模块提供工作电源的供电电路，通过控制电路10根据循环伏安法测定三电极生物酶传感器40的工作电极WE的最佳工作电位，根据所得的工作电位，确定该电位下的电流时间I-T曲线，根据I-T曲线确定对应的血酒精的浓度，设定双极性扫描电路20产生该电位输入至恒电位仪电路30，恒电位仪电路30用于将稳定的电压信号输入至三电极生物酶传感器40的参比电极RE和对电极CE之间，微电流检测电路50用于检测三电极生物酶传感器40的工作电极WE上产生的因血酒精的存在而产生的微小的电流并输入至控制电路10，控制电路根据I-T曲线判定出血酒精浓度，串口输出电路70用于通过串口输出打印功能，将采集到数据通过处理绘制成曲线，显示电路60用于通过TFT屏将采集到的信号进行显示，其中参考图2所示，控制电路的核心控制芯片采用STM32F103VCT6，其与外部连接关系如下：PA4、PA5、PA7、PD2为双极性电压产生电路20的数模转换芯片DAC控制引脚，利用STM32F103VCT6的SPI接口控制DAC芯片；PA13～PA15、PB3、PB4为JTAG下载接口；VREF+、VREF-为内部ADC的参考电压输入引脚；PB10、PB11为STM32F103VCT6的I2C接口，用来与外部具有I2C接口的微电流检测电路50的采样芯片AD相连接；NRST引脚为芯片的复位引脚；BEEP为外接蜂鸣器引脚，当血酒精浓度达到设定的醉酒阈值时，蜂鸣器报警；PB12～PB15为STM32F103VCT6的SPI2接口，用于连接具有串行接口的显示电路60。

以Cortex-M3为内核的STM32芯片STM32F103VCT6作为控制器进行硬件电路的设计，之所以选择STM32作为控制器基于以下的因素：(1)性价比和可靠性因素的考虑，STM32系列芯片采用的是ARM公司的Cortex-M3内核，它是工业级的芯片，工作的温度范围从-40到105℃，完全可以满足室外测量的要求。在性价比方面，STM32有丰富的片内外设，例如A/D转换，SPI、PWM等，但价格只有十几块钱，有极高的性价比。(2)功耗、体积，测试仪在体积和功耗上有严格的要求，如果功耗过大，则需要较大容量的供电电池；芯片片上资源过少的话，则会增大体积。STM32有三种低功耗模式：睡眠模式(Cortex-M3内核停止，外设仍在运行)；停止模式(所有的时钟都以停止)；待机模式(1.8V电源关闭)。STM32工作频率为72MHz时，其功耗为36mA。待机模式可实现系统的最低功耗，可将电流消耗降至2uA。(3)片上ROM容量，当代码的体积较大时，一般的芯片片内ROM无法满足要求，因此需要外扩FLASH，这就增加了系统的成本，延长了开发周期。STM32系列的芯片有高、中、低容量的，片上ROM存储空间从16KB到512K，因此可以满足系统的要求。(4)开发周期，意法半导体公司提供用于操作STMR32所有外设的固件函数库，使得开发者无需了解硬件的细节就可以使用外设，因而大大缩短了程序开发时间，进而降低开发成本。除了以上的特点，STM32有丰富的外设，实时性高的优点。基于以上因素的考虑，使用STM32作为系统的控制器。

测试电路的工作过程如下：通过调整STM32的程序，可以双极性电压产生电路产生不同的电压波形，如循环伏安电压波形，将产生的电压信号，经恒电位仪电路加在传感器的参比电极RE和对电极CE，恒电位仪电路再通过反馈作用将采集到的信号反馈回恒电位仪电路，使得加在参比电极RE和对电极CE的电势保持在恒定的值。在该电势的驱动下，会在工作电极WE和对电极CE间产生法拉第电流，通过测试电流的大小就可以判断出血酒精的浓度。由于三电极生物酶生物感应电流极其微小，在10^-7A左右，因此需要先通过一种方法将电流转换成电压信号，进行电压的放大，再通过滤波电路对转换信号中的杂波进行处理，经过采样电路得到的数字电压信号，进行处理显示。

以下将详细说明本发明实施例中各部分电路的详细电路结构示意图。

参见图3，所示为双极性电压产生电路的示意图，包括由REF3233组成的基准电压产生电路和由运放OPA727和数模转换芯片DAC8831组成的双极性电压输出电路，其中REF3233输入电压为5V连接作为使能端的第3管脚和作为电压输入引脚的第4管脚，输出3.3V电压连接到DAC8831的参考电压输入端第5管脚和第6管脚，DAC8831的SPI控制引脚分别与STM32F103VCT6的控制引脚相连，通过STM32F103VCT6的SPI来控制DAC8831的工作时序，将数据通过单总线SDI引入到DAC8831，DAC8831在运放OPA727的输出端即可得到与输入数据对应的电压。

由于上面提到的，三电极生物酶生物感应电流极其微小，在10^-7A左右，因此需要先通过一种方法将电流转换成电压信号，进行电压的放大，再通过滤波电路对转换信号中的杂波进行处理，经过采样电路得到的数字电压信号，进行处理显示。参考图1所示，微电流检测电路50进一步包括电压电流I-V转换电路501，放大电路502，滤波电路503和采样电路504。

对于I-V转换电路501，运放的选择对I-V变换式直流微电流放大器设计至关重要，决定着电路的性能是否能达到要求，在选择时主要考虑以下参数：偏置电流足够小；失调电压要足够小；输入阻抗要足够大；温漂及噪声系数要尽量小。基于以上的因素，本发明实施例选择ICL7650作为进行电流电压转换的运放芯片。该芯片是Maxim公司生产的一款基于CMOS工艺的斩波自稳零的高精密运放。ICL7650有以下特点：输入失调电压低。在正常的工作温度条件下，失调电压只有1；极低的温漂电压，为0.01；输入偏置电流只有10pA；开环增益和共模抑制比都达到130dB以上；转换速率快；内置相位补偿电路，相位裕度大于80；单增益带宽可达2MHz；内部设置嵌位电路，减少过载恢复时间。其具体电路参见图4，具体的I-V转换电路包括第一斩波稳零运算放大器ICL7650，其第1管脚CEXTB端外接第五电容C5一端，第2管脚CEXTA端外接第六电容C6一端；第3管脚NC，第5管脚同相输入端+IN和第6管脚NC接地；三电极生物酶传感器的工作电极WE输出端通过串联的第四电阻R4连接第4管脚反相输入端-IN，第四电阻R4和-IN之间并接方向相反的钳位保护二极管D1和D2，第7管脚负电源端V-连接经第十三电容C13过滤的-5V电压，第11管脚正电源端连接串接第四电容的+5V电压，第10管脚输出端OUT连接第五电阻R5和第十五电容C15组成的滤波网络后输出第一电压信号V1，第一电压信号V1输出端连接接地的第七电阻R7，第七电阻R7的接地端输出第二电压信号V2，第10管脚输出端OUT连接第十二电阻R12与第二十电容C20组成反馈补偿网络后连接三电极生物酶传感器的工作电极输出端；第8管脚CRETN与第五电容C5和第六电容C6的另一端连接。

参见图5，放大电路502为两级同相差分放大电路，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚CEXTB端连接第一电容C1的一端，第2管脚CEXTA端外接第二电容C2一端，第3管脚NC和第6管脚NC接地，第一电压信号V1通过串联的第一电阻R1连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚负电源端V-连接经第七电容过滤C7的-5V电压，第一电容C1和第二电容C2的另一端连接第8管脚CRETN，第4管脚反相输入端-IN并接第六电阻R6和第十四电容C14后连接第10管脚输出端OUT，第11管脚正电源端连接经第二电容C2过滤的+5V电压，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN串联第十电阻R10后连接第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN；第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN并接第十七电容C17和第十四电阻R14后连接第10管脚输出端OUT，第1管脚CEXTB端连接第二十二电容C22一端，第2管脚CEXTA端连接第二十四电容C24一端，第3管脚和第6管脚接地，第二电压信号V2串接第十七电阻R17后连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚连接经第二十七电容C27滤波后的-5V电压，第二十二电容C22和第二十四电容C24的另一端连接第8管脚CRETN，第11管脚正电源端V+连接经第二十三电容C23过滤的+5V电压；第四斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚连接第十一电容C11的一端，第2管脚连接第八电容C8的一端，第十一电容C11和第八电容C8的另一端连接第8管脚CRETN，第3管脚和第6管脚接地，第4管脚反相输入端-IN连接经第二电阻R2和第十电容C10滤波后的第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第5管脚正相输入端+IN连接经第十八电阻R18和第二十六电容C26过滤后的第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第十九电阻R19的一端连接第5管脚正相输入端+IN，第十九电阻R19的另一端接地，第三电阻R3的一端连接第4管脚反相输入端-IN，第三电阻R3的另一端连接第10管脚输出端OUT，第10管脚输出端OUT输出放大后的电压，第11管脚连接经第十二电容C12滤波的+5V电压。由电路的结构可知，第一级放大含有深度电压串联负反馈环节，因此它的输入阻抗很大。第二级放大是差分结构，因此可以抵消第一级运放中第二斩波稳零运算放大器ICL7650和第三斩波稳零运算放大器ICL7650A产生的共模电压信号，所以电路具有共模抑制能力强和输出漂移电压小的优点，并且差分式电路输出阻抗低带负载能力较强。在分离元件选择方面，与ICL7650第1管脚和第2管脚相连的电容的作用是与内部的电路配合完成失调电压的调节和温漂的控制，因此两个电容直接决定运放的调零效果，所以必须选择高阻抗、瓷介质的优质电容。电路的对称性对电路的性能有很大的影响，尤其是电阻的性能直接关系到放大倍数是否精确，因此电阻选用的是高精度的金属膜电阻，电阻的误差<<=0.5％。反馈回路上的电容可以选择普通的瓷片电容用于防止电路产生自激振荡。

参考图6，滤波电路503为由TLC4501构成的巴特沃斯滤波器，I-V转换电路的输出端连接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端分别连接第十三电阻R13和第二十五电容C25的一端，第十三电阻R13的另一端连接TLC4501的第3管脚正输入端IN+，第十三电阻R13的另一端同时连接第二十一电容C21的一端，第二十一电容C21的另一端接地和TLC4501的第4管脚VDD-/GND，第二十五电容C25的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第2引脚反相输入端连接第九电阻R9和第八电阻R8的一端，第九电阻R9的另一端接地，第八电阻R8的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第7引脚工作电压输入端连接经过第九电容C9滤波后的5V电压。

参见图7，采样电路由模数转换芯片ADS1110构成，其第1管脚Vin+连接滤波电路的输出端，第2管脚GND接地，第3管脚SCL连接控制器单片机的SCL输出，第4管脚SDA连接控制器单片机的SDA输出，第5管脚连接通过并接的第十九电容C19和第六电容C6滤波后的+5V电压，第6管脚接地。

进一步的，为了提高测试仪的实时性，增加测试的精度，在核心控制芯片STM32F103VCT6上移植μc/OS-II系统，移植时需要修改的文件包含3个与CPU类型相关的文件以及2个与具体的应用相关的文件，利用任务创建函数创建电压扫描任务，定时器任务，I2C采样任务，数据处理，显示任务和串口任务。STM32F103VCT6上移植μc/OS-II系统主要实现以下工作：

(1)循环伏安法的实现

循环伏安法是一种在三电极体系中加入特定波形(等腰三角形)的电压测定响应电流波形的方法。根据测得的波形来确定电极性能的优劣。循环伏安法的程序流程图如图8所示。循环伏安法的大致程序流程是：用初始化任务进行STM32的固件函数对工作的时钟进行开启和相关寄存器的初始化工作。电压扫描任务的作用是控制DAC8831输出直流电压信号，在定时器任务的控制下，每隔一定的时间间隔后增加一定的值，每改变一次电压进行一次或者数次的电流采集，将采集到的数值保存下来。当电压值增加到设定的值E2时，电压每隔一定的时间减少固定的值AV，同样改变电压后进行电流的采集，当电压减小到E1时，完成了一次扫描过程。通过改变设定的步进值可以控制扫描周期。最后通过采集到的电流信号和所对应的电压信号绘制I-V曲线，通过观察I-V曲线确定电极的特性，这就是循环伏安法的测试过程。

(2)测定I-T曲线

当用循环伏安法确定电极性能优良后，要进行的是浓度的测定。在工作电极和对电极上加固定的电压通过观察测得的电流来确定酒精的浓度(浓度在一定的范围内和电流成正比)。若要区分不同的浓度，需要待反应进行到平衡时再进行电流的测试，因为在反应平衡时，电流曲线可以区分开来。程序的流程如图9所示。程序开始时，首先进行启动任务(重要进行寄存器的设定，创建其他任务)。根据实验测得的数据确定工作的电压，通过控制DAC8831产生该电压值，将电压加到工作电极和对电极间(恒电位仪控制电压稳定)，然后启动定时器任务，当定时时间到时，采集此时的电流，最后将电流转换成对应的浓度显示，至此就完成了一次浓度的测定。

μc/OS-II是基于任务优先级调度算法的多任务实时操作系统，按照用户设置的不同优先级进行任务的调度。μc/OS-II操作系统从任务就绪链表中找到最高优先级的任务使其运行。将不同功能模块的程序段分割为一个个独立的任务，通过设置不同的优先级实现对硬件的驱动操作。下面将主要任务的实现进行分析。

(3)扫描电压任务设计

进行μc/OS-II任务的设计必不可少的要创建一个任务栈(为每个任务保存CPU寄存器和私有数据)。在μc/OS-II中是用数组实现任务栈的，并且在μc/OS-II的源码(OS_CPU.H)中专门定义了OS_STK作为数组的类型(unsigned int)。在设计任务前，需要根据任务所用数据量的大小确定任务栈的大小，即数组的大小。当创建任务时，将数组指针传递给任务创建函数。

在进行任务设计时，一方面要考虑任务占存储空间的大小用于确定任务栈的大小；另一方面需要考虑任务的优先级。函数参数(OS_STK*ptos)的确定，需要根据CPU栈的增长方式来设定，堆栈有两种增长方式：一种是向高地址增长；一种是向低地址增长。堆栈增长方式的开关是OS_STK_GROWTH宏(在OS_CFG.H文件中)，STM32是向下生长的满栈，因此设置OS_STK_GROWTH=1，因此栈顶指针应该指向数组的最后一个元素。

利用任务创建函数创建电压扫描任务OSTaskCreate(Vscan_task，0，&Vscan_task_stk[Vscan_TASK_STK_SIZE-1]，Vscan_Prio)，其中Vscan_task为电压扫描任务的函数名，Vscan_Prio为电压扫描任务的优先级，至此电压扫描任务被建立了，然后就要进行电压扫描任务的设计。

电压扫描任务的作用是利用STM32的SPI接口控制DAC8831，使DAC8831按照设定的输出产生特定的扫描电压。

DAC8831的工作时序如图10所示，可以利用STM32的通用IO口模拟SPI实现对DAC8831的控制，也可以直接利用STM32的SPI功能实现对DAC8831的控制。本发明实施例中采用后者。扫描任务的流程如图11所示。

STM32的时钟是可配置的，并且不同外设所用的时钟源一般也不相同，因此在操作任何一个外设之前首先要进行时钟的配置。在使用特殊功能外设的时候，除了开启通用IO时钟外，还需要开启对应的特殊功能时钟。在电压扫描任务中，要使用STM32的SPI1对DAC8831进行控制，因此需要开启SPI1的时钟和控制DAC8831的GPIOD时钟。然后配置SPI，包含SPI工作模式的设定、数据格式、触发方式的设置等。然后利用函数SPI_Write2Bytes(data)将数据通过SDI引脚传递出去。其中发出信号量是用函数OSSemPost(Sem0)实现的，它的作用是用来进行任务间通信的。E0为DAC设置的初始电压，在正程扫描期间，在特定的时间间隔后增加该电压的值直到电压达到E1，然后进行反向扫描，使得E回到E0，这就完成了一次循环伏安法的扫描。

(4)定时器任务

在电压扫描任务中的延时是通过定时器中断任务实现的，其他任务需要定时器任务进行协调。STM32内部有11个定时器。STM32的中断体系可以实现8级中断嵌套和64级可编程优先级。STM32有两个优先级：抢占优先级和响应优先级(亚优先级)。其中抢占优先级用于标志不同的优先级组，高抢占优先级的中断可以中断正在执行的低抢占优先级的中断。当两个中断的抢占优先级相同时，两个中断无嵌套关系，如果两个中断不是同时到来，则按照它们到的时间先后响应，后来的中断不能打断正在执行的中断。如果同时到来，则按照它们的响应优先级的高低进行中断处理。如果两个优先级均相同，则按照它们在中断列表中的顺序进行响应。

固件库中使用函数NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_tNVIC-PriorityGroup)实现对中断优先级的分组配置。STM32的AIRC(Application Interrrupt ResetRegister)寄存器中有4bits指定优先级。可以有表1的组合。

表1STM32中断优先级组组合

优先级组	抢占优先级所占位数	响应优先级所占位数
			NVIC_PriorityGroup_0	0	4
NVIC_PriorityGroup_1	1	3
			NVIC_PriorityGroup_2	2	2
NVIC_PriorityGroup_3	3	1
			NVIC_PriorityGroup_4	4	0

在配置完中断优先级组后，还需要对中断源进行选择以及抢占优先级和响应优先级等进行设置。设置的方法是通过填充NVIC_InitTypeDef结构体实现的。

本发明实施例中选用定时器1作为中断源，通过函数voidTIM1_Configuration()实现对TIM1的配置，其中包含定时器的周期、预分频系数、时钟分频比、计数模式的设置，另外通过函数TIM_ITConfig(TIM1，TIM_IT_Update，ENABLE)实现开启定时器TIM1的中断开启功能。

和扫描电压产生任务类似，首先需要通过任务创建函数来创建定时器任务。由于定时器任务并未处理数据，因此任务堆栈OS_STKTIMER_task_stk[TIMER_TASK_STK_SIZE]设置的较小。TIMER_TASK_STK_SIZE=50；该任务的流程如图12所示.当定时器定时时间到时，调用中断服务子程序发出信号量SEM1。在采样任务中，使用该信号量。

(5)I2C采样任务

从硬件分析的部分可以看到，最终是通过具有I2C接口的ADS1110进行电压采样的。ADS1110的工作时序如图13所示。ADS1110只能工作在从模式下，所有的时钟信号均由STM32产生。SCL提供工作的时钟信号，所有的数据通过SDA进行传送。I2C总线在传送数据时，有三种信号：起始信号(启动数据传输)，结束信号(标志一次数据传输的完成)，应答信号(确认数据传输完成)。

在工作过程中，由STM32产生SCL时钟，在该时钟的作用下，ADS1110向数据线SDA发送自身的地址信号，当STM32收到该地址信号，向ADS1110传送应答信号。当ADS1110受到应答信号后，就建立了连接，开始数据的传输。这是ADS1110和STM32的通信过程。

I2C任务的主要作用是获取采样的电压，将电压值转换为数字信号传递给STM32。因此在进行I2C任务的设计时，需要较大的任务堆栈空间。任务的流程图如图13所示。

通过ADS1110的第1、6管脚采集到模拟电压信号，在苾片内部处理后转换为8位数据。ADS1110与STM32通信的过程如图15所示。

I2C数据位宽为8位，而ADS1110是16位的AD转换器，因此一次电压读取需要完成两个字节的数据传送，然后对读到的数据进行处理，最后将得到的数值转换成电压值。具体的代码如下：

存器的高字节值

得到电压数值后，将该电压通过邮箱函数传递函数OSMboxPost(Mbox，&temp)将电压值传递给数据处理任务。其中temp为电压变量，Mbox为创建的邮箱。

(6)数据处理和显示任务

该任务的主要作用是通过从信息邮箱获取电压信号，将该电压值转换为与其对应的浓度值，对应关系如图19所示，最后通过液晶屏显示出来。因此该任务需要完成信息的获取，液晶屏的驱动和数据处理的工作。程序的流程如图16所示。

在任务建立之后，首先进行邮箱信息的读取。实现该功能的函数是OSMboxPend(Mbox，0，&err)，其中参数Mbox为I2C采样任务中创建的消息邮箱。通过读取邮箱里的值获取电压信息。得到电压值之后，重复该过程，直到计时时间到(反应平衡时)，通过函数VolToConc(float value)得出酒精的浓度，然后调用显示驱动函数进行浓度的显示。

(7)串口任务

串口任务的作用和显示任务的作用相似，都是通过邮箱获取电压值，再将电压值进行处理。所不同的是串口任务是将处理后的数据发送到串口缓冲区，在PC机上对这些数据进行绘图操作，用于确定电极的性能，而显示任务则是将浓度信息直接显示到液晶屏幕上。

要使用STM32的串口功能，在驱动函数中除了包含标准输入输出头文件stdio.h外还要在MDK环境中进行设置，设置方法如图18所示，一定要勾选Use MicroLIB，这样就可以在程序中使用标准头文件。另外在程序中重定义printf函数，实现将printf打印的内容发送到串口。

串口任务的流程图如图17所示。首先进行时钟的设置，接着需要进行串口功能的配置，包括波特率、数据位的长度、是否设置奇偶校验、是否设置停止位、工作方式等。配置完成后，使能串口。然后通过消息邮箱读取ADS1110采集到的电压值，通过硬件电路中电流/电压对应的数值关系，将电压转换为对应的电流值，然后将该电流值通过printf函数答应到串口。在串口终端中接收一次循环扫描测试的值，然后在PC机上绘制出相应的曲线，用以确定电极的性能优劣。在确定电极良好的情况下，然后用该电极测试血液酒精的浓度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三电极的高精度血酒浓度测试电路，其特征在于，包括控制电路(10)，双极性电压产生电路(20)，恒电位仪电路(30)，三电极生物酶传感器(40)，微电流检测电路(50)，显示电路(60)，串口输出电路(70)和用于给以上模块提供工作电源的供电电路，

通过控制电路(10)根据循环伏安法测定三电极生物酶传感器(40)的工作电极WE的最佳工作电位，根据所得的工作电位，确定该电位下的电流时间I-T曲线，根据I-T曲线确定对应的血酒精的浓度，设定双极性扫描电路(20)产生该电位输入至恒电位仪电路(30)，所述恒电位仪电路(30)用于将稳定的电压信号输入至三电极生物酶传感器(40)的参比电极RE和对电极CE之间，所述微电流检测电路(50)用于检测三电极生物酶传感器(40)的工作电极WE上产生的因血酒精的存在而产生的微小的电流并输入至控制电路(10)，控制电路根据I-T曲线判定出血酒精浓度，所述串口输出电路(70)用于通过串口输出打印功能，将采集到数据通过处理绘制成曲线，所述显示电路(60)用于通过TFT屏将采集到的信号进行显示，

其中控制电路的核心控制芯片采用STM32F103VCT6，其与外部连接关系如下：PA4、PA5、PA7、PD2为双极性电压产生电路(20)的数模转换芯片DAC控制引脚，利用STM32F103VCT6的SPI接口控制DAC芯片；PA13～PA15、PB3、PB4为JTAG下载接口；VREF+、VREF-为内部ADC的参考电压输入引脚；PB10、PB11为STM32F103VCT6的I2C接口，用来与外部具有I2C接口的微电流检测电路(50)的采样芯片AD相连接；NRST引脚为芯片的复位引脚；BEEP为外接蜂鸣器引脚，当血酒精浓度达到设定的醉酒阈值时，蜂鸣器报警；PB12～PB15为STM32F103VCT6的SPI2接口，用于连接具有串行接口的显示电路(60)。

2.根据权利要求1所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，所述双极性电压产生电路(20)进一步包括由REF3233组成的基准电压产生电路和由运放OPA727和数模转换芯片DAC8831组成的双极性电压输出电路，其中REF3233输入电压为5V连接作为使能端的第3管脚和作为电压输入引脚的第4管脚，输出3.3V电压连接到DAC8831的参考电压输入端第6管脚和第7管脚，DAC8831的SPI控制引脚分别与STM32F103VCT6的控制引脚相连，通过STM32F103VCT6的SPI来控制DAC8831的工作时序，将数据通过单总线SDI引入到DAC8831，DAC8831在运放OPA727的输出端即可得到与输入数据对应的电压。

3.根据权利要求1或2所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，所述微电流检测电路(50)进一步包括电压电流I-V转换电路(501)，放大电路(502)，滤波电路(503)和采样电路(504)，

所述I-V转换电路包括第一斩波稳零运算放大器ICL7650，其第1管脚CEXTB端外接第五电容一端，第2管脚CEXTA端外接第六电容一端；第3管脚，第5管脚同相输入端+IN和第6管脚接地；三电极生物酶传感器的工作电极输出端通过串联的第四电阻R4连接第4管脚反相输入端-IN，第四电阻R4和-IN之间并接方向相反的钳位保护二极管D1和D2，第7管脚负电源端V-连接经第十三电容C13过滤的-5V电压，第11管脚正电源端连接串接第四电容的+5V电压，第10管脚输出端OUT连接第五电阻R5和第十五电容C15组成的滤波网络后输出电压信号，第10管脚输出端OUT连接第十二电阻R12与第二十电容C20组成反馈补偿网络后连接三电极生物酶传感器的工作电极输出端；第8管脚CRETN与第五电容和第六电容的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，所述放大电路为两级同相差分放大电路，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚CEXTB端连接第一电容的一端，第2管脚CEXTA端外接第二电容一端，第3管脚和第6管脚接地，V1通过串联的第一电阻R1连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚负电源端V-连接经第七电容过滤的-5V电压，第一电容和第二电容的另一端连接第8管脚CRETN，第4管脚反相输入端-IN并接第六电阻和第十四电容后连接第10管脚输出端OUT，第11管脚正电源端连接经第二电容过滤的+5V电压，第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN串联第十电阻后连接第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN；第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第4管脚反相输入端-IN并接第十七电容和第十四电阻后连接第10管脚输出端OUT，第1管脚CEXTB端连接第二十二电容一端，第2管脚CEXTA端连接第二十四电容一端，第3管脚和第6管脚接地，V2串接第十七电阻后连接第5管脚同相输入端+IN，第7管脚连接经第二十七电容滤波后的-5V电压，第二十二电容和第二十四电容的另一端连接第8管脚CRETN，第11管脚正电源端连接经第二十三电容过滤的+5V电压；第四斩波稳零运算放大器ICL7650的第1管脚连接第十一电容的一端，第2管脚连接第八电容的一端，第十一电容和第八电容的另一端连接第8管脚CRETN，第3管脚和第6管脚接地，第4管脚反相输入端-IN连接经第二电阻和第十电容滤波后的第二斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第5管脚正相输入端+IN连接经第十八电阻和第二十六电容过滤后的第三斩波稳零运算放大器ICL7650的第10管脚电压输出端，第十九电阻的一端连接第5管脚正相输入端+IN，第十九电阻的另一端接地，第三电阻的一端连接第4管脚反相输入端-IN，第三电阻的另一端连接第10管脚输出端OUT，第10管脚输出端OUT输出放大后的电压，第十一管脚连接经第十二电容滤波的+5V电压。

5.根据权利要求3所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，所述滤波电路为由TLC4501构成的巴特沃斯滤波器，I-V转换电路的输出端连接第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端分别连接第十三电阻和第二十五电容的一端，第十三电阻的另一端连接TLC4501的第3管脚正输入端IN+，第十三电阻的另一端同时连接第二十一电容的一端，第二十一电容的另一端接地和TLC4501的第4管脚VDD-/GND，第二十五电容的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第2引脚反相输入端连接第九电阻和第八电阻的一端，第九电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接TLC4501的第6引脚电压输出端OUT，TLC4501的第7引脚工作电压输入端连接经过第九电容滤波后的5V电压。

6.根据权利要求3所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，所述采样电路由模数转换芯片ADS1110构成，其第1管脚Vin+连接滤波电路的输出端，第2管脚GND接地，第3管脚SCL连接控制器单片机的SCL输出，第4管脚SDA连接控制器单片机的SDA输出，第5管脚连接通过并接的第十九电容和第六电容滤波后的+5V电压，第6管脚接地。

7.根据权利要求1所述的基于三电极的高精度血酒精浓度测试电路，其特征在于，在核心控制芯片STM32F103VCT6上移植μc/OS-II系统，移植时需要修改的文件包含3个与CPU类型相关的文件以及2个与具体的应用相关的文件，利用任务创建函数创建电压扫描任务，定时器任务，I2C采样任务，数据处理，显示任务和串口任务。

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