CN110244033B - 一种便携式尿液检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种便携式尿液检测装置及其检测方法，属于尿液检测技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种便携式尿液检测装置硬件结构及检测方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括棒状壳体，所述壳体的一端设置有显示屏和控制按钮，所述壳体的另一端设置有测试端口，所述测试端口的内部设置有测试杆，所述测试杆上设置有MEMS试纸，所述MEMS试纸与MEMS感应端口接触，所述MEMS感应端口与信号激励模块通过导线相连，所述MEMS感应端口的一侧还设置有磁场反应模块，所述磁场反应模块与信号激励模块的信号输入端相连；本发明应用于尿液检测领域。

Description

一种便携式尿液检测装置及其检测方法

技术领域

本发明一种便携式尿液检测装置及其检测方法，属于尿液检测技术领域。

技术背景

尿液分析是评估健康状况、判断疾病状态尤其是肾脏类疾病的一个重要手段，而且已经发展为一项不可取代的检测项目，近些年来，随着自动化仪器的更迭与发展，为尿液检测提供了许多新的方法；目前常用的尿液检测方法主要有干化学分析法和沉渣显微镜检查法，其中干化学分析法是对尿液进行定性检测，具有简便、快速的特点，但假阳性率、假阴性率均较高，故一般应用于粗筛检查；沉渣显微镜检查法是一种普及的检测方法，已得到学术界的公认，但其检测速度缓慢，耗时较长，而且显微镜检查的质量难以控制，受很多因素影响，且受到主观判断影响检测数据差异较大，该检测方法在使用上存在一定局限性。

目前市面上提供的尿液分析装置结构复杂，体积较大，携带很不方便，且由于这些装置的结构及功能并不完善，在检测过程中，不能同时对多个尿液样本进行检测对比，使得需要频繁更换尿液检测试纸，检测效率低，检测样本容易受到外界操作干扰，导致测量数据精度不高，误差较大；因此需要对现有尿液检测装置结构及检测方法进行相应的改进。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种便携式尿液检测装置硬件结构及检测方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种便携式尿液检测装置，包括棒状壳体，所述壳体的一端设置有显示屏和控制按钮，所述壳体的另一端设置有测试端口，所述测试端口的内部设置有测试杆，所述测试杆上设置有MEMS试纸，所述MEMS试纸与MEMS感应端口接触，所述MEMS感应端口与信号激励模块通过导线相连，所述MEMS感应端口的一侧还设置有磁场反应模块，所述磁场反应模块与信号激励模块的信号输入端相连；

所述壳体的内部还设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器，所述中央控制器通过导线分别与显示屏、控制按钮、信号激励模块相连；

所述中央控制器的信号输出端与数据处理模块相连；

所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连。

所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F407VET6；

所述信号激励模块使用的芯片为控制芯片U2，型号为AD9959；

所述显示屏使用的芯片为驱动芯片U3，型号为SSD1306；

所述控制按钮使用的芯片为触发器U4，型号为CD4013BM96；

所述数据处理模块使用的芯片为控制芯片U5，型号为ESP8266；

所述电源模块使用的芯片为稳压器U6和稳压器U7，型号均为AMS1117。

所述MEMS感应端口的数量为四个。

所述信号激励模块的电路结构为：

所述控制芯片U2的22脚串接电容C6后接地；

所述控制芯片U2的50脚与控制芯片U1的65脚相连；

所述控制芯片U2的51脚与控制芯片U1的66脚相连；

所述控制芯片U2的52脚与控制芯片U1的78脚相连；

所述控制芯片U2的53脚与控制芯片U1的79脚相连；

所述控制芯片U2的24脚并接电阻R5的一端后与电阻R6的一端相连，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的另一端与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的27脚串接电阻R4、电容C5后与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的80脚相连；

所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的7脚相连；

所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；

所述控制芯片U2的43脚与控制芯片U1的16脚相连；

所述控制芯片U2的17脚串接电阻R3后接地；

所述控制芯片U2的13脚、8脚、36脚、30脚分别串接一路滤波器后与磁场反应模块相连。

一种便携式尿液检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：用户通过操作控制按钮启动检测装置，短触测量按键开始测量，检测装置进入初始化程序，中央控制器设定扫描交流信号的起始频率、终止频率和频率增量等参数，建立测量的激励序列，然后向信号激励模块发送控制信号；

步骤二：所述信号激励模块收到控制信号后通过磁场反应模块产生旋绕于MEMS感应端口的交流信号，信号激励模块将反应信号反馈发送至中央控制器，所述中央控制器将反应信号与预设的标准试样信号数据进行比对，结合控制端测得的衰减功率，通过计算得出尿液中特定成分的含量，并将相应检测数据显示在壳体显示屏上；

步骤三：检测结果经过中央控制器采集处理，用户长触测量按键，将采集数据回传至云端进行备份，方便用户后期进行数据调取和确认。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过在尿液检测装置中设置信号激励模块和磁场反应模块，可以使被检测尿液中的特定成分在检测端与多处MEMS试纸发生特异性反应，发生共振频率偏移效应，并通过与标定的MEMS试纸参数进行对比，由控制器对采集数据进行分析处理，最终得出检测尿液的成分数据；这种测量方法可以避免频繁更换检测试纸，有效提高检测效率，具备对多样本尿液同时检测的功能，且整个装置结构简单，便于携带，运行时功耗低，续航使用能力强。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明中央控制器的电路图；

图4为本发明信号激励模块的电路图；

图5为本发明显示屏的电路图；

图6为本发明控制按钮的电路图；

图7为本发明数据处理模块的电路图；

图8为本发明电源模块的电路图；

图9为本发明装置检测方法的步骤流程图；

图中：1为棒状壳体、2为显示屏、3为控制按钮、4为测试端口、5为测试杆、6为MEMS试纸、7为MEMS感应端口、8为信号激励模块、9为磁场反应模块、10为中央控制器、11为数据处理模块、12为电源模块。

具体实施方式

如图1至图9所示，本发明一种便携式尿液检测装置，包括棒状壳体（1），所述壳体（1）的一端设置有显示屏（2）和控制按钮（3），所述壳体（1）的另一端设置有测试端口（4），所述测试端口（4）的内部设置有测试杆（5），所述测试杆（5）上设置有MEMS试纸（6），所述MEMS试纸（6）与MEMS感应端口（7）接触，所述MEMS感应端口（7）与信号激励模块（8）通过导线相连，所述MEMS感应端口（7）的一侧还设置有磁场反应模块（9），所述磁场反应模块（9）与信号激励模块（8）的信号输入端相连；

所述壳体（1）的内部还设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器（10），所述中央控制器（10）通过导线分别与显示屏（2）、控制按钮（3）、信号激励模块（8）相连；

所述中央控制器（10）的信号输出端与数据处理模块（11）相连；

所述中央控制器（10）的电源输入端与电源模块（12）相连。

所述中央控制器（10）使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F407VET6；

所述信号激励模块（8）使用的芯片为控制芯片U2，型号为AD9959；

所述显示屏（2）使用的芯片为驱动芯片U3，型号为SSD1306；

所述控制按钮（3）使用的芯片为触发器U4，型号为CD4013BM96；

所述数据处理模块（11）使用的芯片为控制芯片U5，型号为ESP8266；

所述电源模块（12）使用的芯片为稳压器U6和稳压器U7，型号均为AMS1117。

所述MEMS感应端口（7）的数量为四个。

所述信号激励模块（8）的电路结构为：

所述控制芯片U2的22脚串接电容C6后接地；

所述控制芯片U2的50脚与控制芯片U1的65脚相连；

所述控制芯片U2的51脚与控制芯片U1的66脚相连；

所述控制芯片U2的52脚与控制芯片U1的78脚相连；

所述控制芯片U2的53脚与控制芯片U1的79脚相连；

所述控制芯片U2的24脚并接电阻R5的一端后与电阻R6的一端相连，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的另一端与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的27脚串接电阻R4、电容C5后与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的80脚相连；

所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的7脚相连；

所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；

所述控制芯片U2的43脚与控制芯片U1的16脚相连；

所述控制芯片U2的17脚串接电阻R3后接地；

所述控制芯片U2的13脚、8脚、36脚、30脚分别串接一路滤波器后与磁场反应模块（9）相连。

一种便携式尿液检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：用户通过操作控制按钮（3）启动检测装置，短触测量按键开始测量，检测装置进入初始化程序，中央控制器（10）设定扫描交流信号的起始频率、终止频率和频率增量等参数，建立测量的激励序列，然后向信号激励模块（8）发送控制信号；

步骤二：所述信号激励模块（8）收到控制信号后通过磁场反应模块（9）产生旋绕于MEMS感应端口（7）的交流信号，信号激励模块（8）将反应信号反馈发送至中央控制器（10），所述中央控制器（10）将反应信号与预设的标准试样信号数据进行比对，结合控制端测得的衰减功率，通过计算得出尿液中特定成分的含量，并将相应检测数据显示在壳体显示屏（2）上；

步骤三：检测结果经过中央控制器（10）采集处理，用户长触测量按键，将采集数据回传至云端进行备份，方便用户后期进行数据调取和确认。

本发明是基于磁振效应原理制作的尿液特异性检测装置，检测原理为：在测试端口处的MEMS试纸表面进行化学式功能的修饰，使其能够与尿液中特定成分进行特异性结合，使MEMS试纸质量发生变化，导致4个传感端MEMS试纸的共振频率产生偏移，测试端口处的电压信号会发生变化，并通过与预设的标准MEMS试纸的电压信号进行对比，可以得出尿液中特测定成分的含量。

本发明将作为传感端的测试端口设计为螺旋杆状结构，可以方便进行重复性测试，且螺旋式结构能够保证测试的稳定性与灵敏性，所述测试端口内设置的信号激励模块可以产生旋绕于MEMS感应端口的交流信号，通过与标准试样比对，可以由中央控制器测得衰减功率并通过数据处理进一步得出尿液中特定成分的含量，并将其显示在壳体正面设置的OLED人机交互显示屏上；在显示屏下方还配置有按钮式开机键和测量键，轻触开机键可以使仪器进入待机模式，短触测量键仪器开始第一次测量，长触测量键能够将数据上传至数据处理模块便于分析处理。

本发明使用的主控电路中U1型号为STM32F407VET6，U2为REF3133-3.3为模拟基准芯片，能够有效防止电压的波动，保证ADC的准确度，12、13脚接8MHZ晶体振荡器为系统提供168MHZ的运行频率，67、68脚为串口指令收发脚。

在信号激励模块电路原理图中，芯片U2型号为AD9959，其中1脚、2脚采用25MHZ有源晶振作为REFCLK源，内部倍频器20倍频的工作模式，具有500MSa/s的采样率，可以达到MEMS传感涡流要求；所述芯片U2的50、51、52、53脚为串行数据输入引脚，用于幅度的斜坡上升和下降同步于REFCLK源，芯片U1的40、41、42、43脚用于信号调制（支持FSK、PSK、ASK规格）的数据引脚，启动、停止扫频的幅度和相位累加器；所述芯片U2的3脚，用于将AD9959内部寄存器复位到缺省状态；

所述芯片U2的8、13、30、36脚为4路旋绕信号输出端，连接巴特沃斯9阶滤波器可以保证MEMS感应端口正常工作，其中一路信号输出端测试标准样品，另外三路信号输出端测试待测样品，上述设计频率分辨率优于0.12HZ，相位分辨率0.022；采用4通道的200MSignal tone输出，功耗仅为580MW，可以保证装置整体的测量精度和长时间使用的续航能力。

如图5所示，在显示屏控制电路中，所述驱动芯片U3的10脚并接电阻R5的一端后接地，所述电阻R5的另一端串接电阻R9后与3.3V电源输入端相连；

所述驱动芯片U3的11脚并接电阻R6的一端后接地，所述电阻R6的另一端串接电阻R8后与3.3V电源输入端相连；

所述驱动芯片U3的12脚接地；

所述驱动芯片U3的26脚串接电阻R7后接地；

所述驱动芯片U3的13脚与接线端子P2的1脚相连；

所述驱动芯片U3的15脚并接电阻R3的一端后与接线端子P2的2脚相连；

所述驱动芯片U3的14脚并接电阻R4的一端，电容C8的一端后与接线端子P2的3脚相连，所述电阻R4的另一端接VCC输入电源，所述电容C8的另一端并接电阻R3的另一端后接地；

所述驱动芯片U3的19脚并接驱动芯片U3的20脚，电阻R1的一端后与接线端子P2的4脚相连；

所述驱动芯片U3的18脚并接电阻R2的一端后与接线端子P2的5脚相连，所述电阻R2的另一端并接电阻R1的另一端后接3.3V输入电源；

所述驱动芯片U3的2脚串接电容C2后与驱动芯片U3的3脚相连；

所述驱动芯片U3的4脚串接电容C3后与驱动芯片U3的5脚相连；

所述驱动芯片U3的27脚与电容C4的一端相连；

所述驱动芯片U3的28脚与电容C5的一端相连；

所述电容C4的另一端并接电容C5的另一端后接地；

所述驱动芯片U3的8脚并接驱动芯片U3的29脚，电容C6的一端，电容C7的一端后接地；

所述驱动芯片U3的6脚并接驱动芯片U3的9脚，电容C6的另一端，电容C7的另一端后与3.3V电源输入端相连；

所述驱动芯片U3为OLED驱动芯片SSD1306；所述驱动芯片U3的2、3、4、5、27、28脚为退耦电容引脚，10、11、12脚通过电阻分压的形式得到SPI的通信协议，13脚为SSD1306芯片的片选信号，14脚为复位信号，15脚为命令/数据信号，18脚为同步时钟信号，19脚为SPI数据输入引脚，上述设置可以满足低功耗及高反应显示速度的要求。

如图6所示，在控制按钮电路中，所述触发器U4的1脚串接电阻R1后与三极管Q2的基极相连；

所述触发器U4的2脚与5脚相连；

所述触发器U4的3脚并接电阻R2的一端，电阻R3的一端后与电容C3的一端相连，所述电阻R2的另一端与按钮开关S1的一端相连；

所述触发器U4的4脚并接电容C3的另一端，电阻R3的另一端后接地；

所述按钮开关S1的另一端并接电容C4的一端，有极电容C1的正极，三极管Q2的发射极后与电源输入端Vin相连，所述电容C4的另一端串接电阻R4后接地，所述有极电容C1的负极接地；

所述三极管Q2的集电极并接有极电容C2的正极后与电源输出端Vout相连，所述有极电容C2的负极接地；

所述触发器U4型号为CD4013，通过2脚Q反接与5脚DATA构成二分频电路，由于数字电路无法驱动较大功率负载，采用通过Q端接三极管驱动负载，触发器U4的1脚Q端通过电阻接三极管的基极，发射极接电源端，集电极接输出端，开关键S1一端接电源输入端，另一端接地通过电阻分压后接3脚时钟端，构成开关电路。

如图7所示，在数据处理模块电路中，所述控制芯片U5的1脚与电路复位端相连；

所述控制芯片U5的3脚串接电阻R1后与3.3V输入电源相连，所述控制芯片U5的4脚至7脚与中央控制器的信号输出端相连；

所述控制芯片U5的17脚、18脚与USB转串口芯片相连；

所述控制芯片U5的21脚、22脚与数据通信模块相连；

本发明另外在中央控制器外围设置有数据处理模块，其电路原理图中使用的控制芯片U5型号为ESP8266，片上集成WIFI通信模块与M0内核，成本低方便作为网络终端，可以通过串口使用AT固件与控制芯片U5进行连接交互数据；另外控制芯片U5可以通过外接CH340G转串口芯片，使其具备USB接口转串口功能，方便外接监测和控制计算机。

如图8所示，在电源模块电路中，所述稳压器U6的3脚并接电容C1的一端，稳压二极管D1的负极，电容C3的一端后与稳压器U7的3脚相连；

所述稳压器U6的2脚并接电容C2的一端，电阻R1的一端后与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与1.8V电源输出端相连，所述电阻R1的另一端与发光二极管LED1的正极相连；

所述稳压器U6的1脚并接电容C1的另一端，电容C2的另一端、发光二极管LED1的负极后接地；

所述稳压器U7的2脚并接电容C4的一端，电阻R2的一端后与3.3V电源输出端相连，所述电阻R2的另一端与发光二极管LED2的正极相连；

所述稳压器U7的1脚并接电容C3的另一端，电容C4的另一端，发光二极管LED2的负极，电感L2的一端后接地，所述电感L2的另一端接地；

所述稳压二极管D1为防反接二极管，稳压器U6型号为AMS1117-1.8，作为1.8V的LDO，可以为AD9959芯片提供工作电压，LED1作为AMS1117-1.8稳压器的工作指示灯，稳压器U7型号为AMS1117-3.3，作为3.3V的LDO，可以为主控和其他外围电路提供工作电压，LED2作为AMS1117-3.3稳压器工作指示灯。

如图9所示，所述激励模块电路使用芯片U1型号为AD9959，其内部设置有四通道DAC直接数字频率合成器，中央控制器可以计算得出在不同成分下MEMS的偏移图谱，进行试样分析，具体使用过程如下：

在待机模式下，短触测量按键开始测量，仪器进入初始化，微控制器自动读写AD9959寄存器产生扫频信号，信号快速通过由分立元件构建的MEMS谐振模块（驱动线圈），建立测量的激励序列。

然后进行共振特征跟踪，在检测到每个正弦脉冲之后，微控制器记录产生的MEMS信号，并将信号的模拟量转化为数字量再通过中央控制器进行采集。

最后进行结果显示，中央控制器处理采集数据，通过Bradenham算法优化，可以在显示屏上显示采集的数据并保存于外部存储模块中，用户可以比较从参考和采样芯片得到的结果进行分析，并确认检测结果，同时长触测量按键由ESP8266芯片回传云端进行备份，以便后期处理。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种便携式尿液检测装置，其特征在于：包括棒状壳体（1），所述壳体（1）的一端设置有显示屏（2）和控制按钮（3），所述壳体（1）的另一端设置有测试端口（4），所述测试端口（4）的内部设置有测试杆（5），所述测试杆（5）上设置有MEMS试纸（6），所述MEMS试纸（6）与MEMS感应端口（7）接触，所述MEMS感应端口（7）与信号激励模块（8）通过导线相连，所述MEMS感应端口（7）的一侧还设置有磁场反应模块（9），所述磁场反应模块（9）与信号激励模块（8）的信号输入端相连；

所述壳体（1）的内部还设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器（10），所述中央控制器（10）通过导线分别与显示屏（2）、控制按钮（3）、信号激励模块（8）相连；

所述中央控制器（10）的信号输出端与数据处理模块（11）相连；

所述中央控制器（10）的电源输入端与电源模块（12）相连；

使用便携式尿液检测装置对尿液进行检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：用户通过操作控制按钮（3）启动检测装置，短触测量按键开始测量，检测装置进入初始化程序，中央控制器（10）设定扫描交流信号的起始频率、终止频率和频率增量参数，建立测量的激励序列，然后向信号激励模块（8）发送控制信号；

步骤二：所述信号激励模块（8）收到控制信号后通过磁场反应模块（9）产生旋绕于MEMS感应端口（7）的交流信号，信号激励模块（8）将反应信号反馈发送至中央控制器（10），所述中央控制器（10）将反应信号与预设的标准试样信号数据进行比对，结合控制端测得的衰减功率，通过计算得出尿液中特定成分的含量，并将相应检测数据显示在壳体显示屏（2）上；

步骤三：检测结果经过中央控制器（10）采集处理，用户长触测量按键，将采集数据回传至云端进行备份，方便用户后期进行数据调取和确认。

2.根据权利要求1所述的一种便携式尿液检测装置，其特征在于：

所述中央控制器（10）使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F407VET6；

所述信号激励模块（8）使用的芯片为控制芯片U2，型号为AD9959；

所述显示屏（2）使用的芯片为驱动芯片U3，型号为SSD1306；

所述控制按钮（3）使用的芯片为触发器U4，型号为CD4013BM96；

所述数据处理模块（11）使用的芯片为控制芯片U5，型号为ESP8266；

所述电源模块（12）使用的芯片为稳压器U6和稳压器U7，型号均为AMS1117。

3.根据权利要求2所述的一种便携式尿液检测装置，其特征在于：所述MEMS感应端口（7）的数量为四个。

4.根据权利要求3所述的一种便携式尿液检测装置，其特征在于：所述信号激励模块（8）的电路结构为：

所述控制芯片U2的22脚串接电容C6后接地；

所述控制芯片U2的50脚与控制芯片U1的65脚相连；

所述控制芯片U2的51脚与控制芯片U1的66脚相连；

所述控制芯片U2的52脚与控制芯片U1的78脚相连；

所述控制芯片U2的53脚与控制芯片U1的79脚相连；

所述控制芯片U2的24脚并接电阻R5的一端后与电阻R6的一端相连，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的另一端与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的27脚串接电阻R4、电容C5后与1.8V电源输入端相连；

所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的80脚相连；

所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的7脚相连；

所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；

所述控制芯片U2的43脚与控制芯片U1的16脚相连；

所述控制芯片U2的17脚串接电阻R3后接地；

所述控制芯片U2的13脚、8脚、36脚、30脚分别串接一路滤波器后与磁场反应模块（9）相连。

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