CN111307740B - 一种节约型便携尿液检测杆 - Google Patents
一种节约型便携尿液检测杆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及尿液检测技术领域,提供一种节约型便携尿液检测杆,包括介质腔、检测笔、分光器、单片机、光源、步进电机、光电传感器;介质腔包括第一支座、支柱、覆盖有一层反光镜的第二支座;光源包括转盘、激光LED组件、灯罩,激光LED组件中多个激光LED并联后与LED控制芯片电连接;分光器包括输入端、反射端、输出端,且分别连接的第一光纤接入灯罩顶盖上的通光孔、第二光纤穿过检测笔中部的第二通孔后穿入第一支座中部的第一通孔、第三光纤与光电传感器连接,步进电机与转盘连接,单片机与步进电机、LED控制芯片、光电传感器电连接。本发明能够提高尿液检测的准确性、效率,且便携程度与隐私保护程度高、成本低、环境污染低。
Description
技术领域
本发明涉及尿液检测技术领域,特别是涉及一种节约型便携尿液检测杆。
背景技术
尿的化学成分主要是在血液和肾组织中合成,分析尿液的成分有助于判断肾功能甚至体内代谢过程是否正常。作为一种临床容易获得的检验材料,尿液标本组成的变化不仅能反映泌尿生殖系统的病变,而且能提供很多全身性疾病的判断指标。
尿液不需要注射,监测可以提供全身状况的丰富信息,可用来检查糖尿病、肾结石、泌尿系统炎症、肝脏和胆囊的状况以及高血压、荷尔蒙失调等疾病。常规尿液分析中的化学检查包括葡萄糖、蛋白质、酸碱性(pH)、尿酮体(KET)、尿胆红素(BIL)、亚硝酸盐(NIT)、隐血(BLD)、尿胆原(UBG)、维生素C(VTC)等的测定。尿中红细胞和白细胞的检测也是目前临床上诊断泌尿生殖系统疾病,尤其是肾病的重要实验指标。
早在上世纪50年代已经有人采用单一干化学试带测定尿中蛋白质和葡萄糖,利用肉眼观察试带颜色的变化与标准板进行比较。
八十年代尿液自动化分析仪也得到迅速发展,逐步由半自动化发展为现如今的全自动化。各种尿液分析仪器的出现,为尿液的化学检查提供了可靠数据。计算机的发展较好地解决了尿液分析的自动化,使得“尿液常规”检查进入新阶段。
现有尿液检测技术主要包括尿液镜检技术和尿液试纸检测技术。一方面,尿液镜检技术为用于检查尿液是否正常的辅助检查技术。尿液镜检仪器虽然检测准确性高,但是由于需要专业医疗人员操作显微镜对尿液进行检测分析,无法安装进用户家中,便携程度、隐私保护程度都比较低。另一方面,尿液试纸检测技术应用多联试纸条对尿液进行快速筛查分析。尿液试纸虽然快速简便、隐私保护程度高,但是由于方法学限制,只能发挥定性和半定量作用,检测结果准确性低,并且检测结果受诸多因素影响;尿液试纸必须保存在冰箱里,且有严格的保质期,用户体验并不好,而且容易造成环境污染;再则,尿液试纸配合使用的分析仪售价一般在万元级别,且体积较大。可见,尿液试纸结合分析仪的尿液检测技术,无法达到民用普及,且价格昂贵。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种节约型便携尿液检测杆,能够提高尿液检测的准确性、效率,且便携程度高、成本低,能够很好地保护使用者的隐私并减少环境污染。
本发明的技术方案为:
一种节约型便携尿液检测杆,其特征在于:包括介质腔、检测笔、分光器、单片机、光源、步进电机、光电传感器、电源;
所述介质腔包括第一支座、支柱、第二支座,所述第一支座在中部开设有第一通孔,所述第一支座与所述第二支座之间通过多个沿所述第二支座周向均布的支柱连接,所述第二支座在正对所述第一支座的端面上覆盖有一层反光镜;
所述检测笔在中部开设有第二通孔;
所述分光器包括输入端、反射端、输出端,所述输入端连接有第一光纤,所述反射端连接有第二光纤,所述输出端连接有第三光纤;
所述光源包括转盘、激光LED组件、灯罩,所述灯罩包括灯罩顶盖、灯罩侧壁;
所述转盘在中部开设有第三通孔,所述步进电机的转子轴与所述转盘在第三通孔处连接,所述单片机的输出端与所述步进电机的转子轴电连接;
所述激光LED组件包括LED控制芯片、多个波长不同的激光LED,多个所述激光LED均匀固定在所述转盘的周向,相邻两个激光LED与转盘的中心连线的夹角为所述步进电机的步距角的整数倍;多个所述激光LED并联后与LED控制芯片电连接,所述单片机的输出端与LED控制芯片的输入端电连接;
所述灯罩罩住多个所述激光LED,所述灯罩不与转盘、激光LED接触,所述灯罩顶盖上开设有通光孔,所述通光孔的轴线垂直于多个所述激光LED的中心所在的圆;
所述第一光纤接入所述通光孔内;所述第二光纤穿过所述第二通孔后穿入所述第一通孔,所述第二光纤的靠近第一通孔的端面同所述第一支座的正对所述第二支座的端面齐平;所述第三光纤的远离输出端的一端与光电传感器的输入端连接,所述光电传感器的输出端与所述单片机的输入端电连接;
所述单片机、步进电机、激光LED、LED控制芯片均与电源电连接。
进一步的,所述单片机包括光源控制模块、步进电机驱动模块、信号处理模块;
所述光源控制模块用于对激光LED按照顺序编号,并发送控制信号给所述LED控制芯片;所述LED控制芯片用于根据接收到的控制信号控制激光LED依次循环发光;
所述步进电机驱动模块用于根据发光的激光LED的编号发送控制信号给步进电机;所述步进电机用于根据接收到的控制信号转动以带动发光的激光LED旋转到正对所述通光孔;
所述光电传感器用于将从第三光纤接收到的光信号转换为待测电信号,并将待测电信号传输给所述信号处理模块;
所述信号处理模块用于将待测电信号的强度转换成待测尿液中对光的吸收峰的波长与发光的激光LED的波长相同的待测组分的浓度。
进一步的,还包括显示装置,所述单片机的输出端与所述显示装置的输入端电连接,所述单片机用于将信号处理模块得到的待测尿液中待测组分的浓度数据传输给所述显示装置,所述显示装置用于对待测尿液中待测组分的浓度数据进行显示。
进一步的,所述电源上设置有太阳能电池板。
本发明的有益效果为:
(1)本发明的介质腔、检测笔、分光器、单片机、光源、步进电机、光电传感器都能集成在较小的空间内,体积小,相比于专业的比较大型的仪器,不仅可以方便移动和保存,还可以降低运输成本,便捷程度高。
(2)本发明的各组成部分价格都不高,整个产品比专业检测仪便宜,而且本发明相比于试纸和试剂检测技术,可以重复且长时间使用,能够节省大量的费用开支,从长期看,性价比很高。
(3)本发明通过单片机中的光源控制模块与LED控制芯片来精确控制激光LED依次循环发光,通过步进电机驱动模块来精确控制步进电机带动发光的激光LED旋转到正对通光孔从而精确控制传光,通过分光器、检测笔、光电传感器对光信号进行精确的检测,通过单片机中的信号处理模块对信号进行严密处理,大大提高了尿液检测的准确性。
(4)本发明在电机每转动单位角度一次、开启LED后实现传光和单片机中的分析、关闭LED仅需消耗1.0s,实现所有组分的测量仅需不到20s,且即开即用,即关即停,大大提高了尿液检测的效率。
(5)本发明由于其便携程度高,可以在家中使用,相比于尿液镜检技术与尿液试纸检测技术要去医院进行检查,能够很好地保护使用者的隐私。
(6)本发明相比于医院的试纸和试剂检测等技术,由于可以循环使用,在整个过程中没有产生任何额外的物质,减少了环境污染。
附图说明
图1为本发明的节约型便携尿液检测杆的结构示意图。
图2为本发明的介质腔的结构示意图。
图3为本发明的检测笔的结构示意图。
图4为本发明的检测笔的侧视图。
图5为本发明的分光器的结构示意图。
图6为本发明的光源的外部结构示意图。
图7为本发明的光源的内部结构示意图。
图8为本发明的光源的径向剖视图。
图9为具体实施方式中本发明的转盘与激光LED组件的侧视图。
图10为具体实施方式中本发明的激光LED的恒流驱动的原理图。
图11为具体实施方式中本发明的激光LED组件的控制原理图。
图12为具体实施方式中本发明的单片机对步进电机进行控制的流程图。
图中,1-介质腔,1-1—第一支座,1-2—支柱,1-3—第二支座,1-4—第一通孔,1-5—反光镜;2-检测笔,2-1—第二通孔;3-分光器,3-1—输入端,3-2—反射端,3-3—输出端,3-4—第一光纤,3-5—第二光纤,3-6—第三光纤;4-单片机;5-光源,5-1—转盘,5-2—激光LED,5-3—灯罩顶盖,5-4—灯罩侧壁,5-5—通光孔,5-6—第三通孔;6-步进电机。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步描述。
如图1所示,本发明的节约型便携尿液检测杆,包括介质腔1、检测笔2、分光器3、单片机4、光源5、步进电机6、光电传感器(图中未示出)、电源(图中未示出)。
如图2所示,所述介质腔1包括第一支座1-1、支柱1-2、第二支座1-3,所述第一支座1-1在中部开设有第一通孔1-4,所述第一支座1-1与所述第二支座1-3之间通过多个沿所述第二支座1-3周向均布的支柱1-2连接,所述第二支座1-3在正对所述第一支座1-1的端面上覆盖有一层反光镜1-5。
如图3和图4所示,所述检测笔2在中部开设有第二通孔2-1。
如图5所示,所述分光器3包括输入端3-1、反射端3-2、输出端3-3,所述输入端3-1连接有第一光纤3-4,所述反射端3-2连接有第二光纤3-5,所述输出端3-3连接有第三光纤3-6。
如图6、图7、图8所示,所述光源5包括转盘5-1、激光LED组件、灯罩,所述灯罩包括灯罩顶盖5-3、灯罩侧壁5-4。
所述转盘5-1在中部开设有第三通孔5-6,所述步进电机6的转子轴与所述转盘5-1在第三通孔5-6处连接,所述单片机4的输出端与所述步进电机6的转子轴电连接。
所述激光LED组件包括LED控制芯片、多个波长不同的激光LED5-2,多个所述激光LED5-2均匀固定在所述转盘5-1的周向,相邻两个激光LED5-2与转盘5-1的中心连线的夹角为所述步进电机6的步距角的整数倍;多个所述激光LED5-2并联后与LED控制芯片电连接,所述单片机4的输出端与LED控制芯片的输入端电连接。
所述灯罩罩住多个所述激光LED5-2,所述灯罩不与转盘5-1、激光LED5-2接触,所述灯罩顶盖5-3上开设有通光孔5-5,所述通光孔5-5的轴线垂直于多个所述激光LED5-2的中心所在的圆。
所述第一光纤3-4接入所述通光孔5-5内;所述第二光纤3-5穿过所述第二通孔2-1后穿入所述第一通孔1-4,所述第二光纤3-5的靠近第一通孔1-4的端面同所述第一支座1-1的正对所述第二支座1-3的端面齐平;所述第三光纤3-6的远离输出端3-3的一端与光电传感器的输入端连接,所述光电传感器的输出端与所述单片机4的输入端电连接。
所述单片机4、步进电机6、激光LED5-2、LED控制芯片均与电源电连接。
本实施例中,所述单片机4包括光源控制模块、步进电机驱动模块、信号处理模块;
所述光源控制模块用于对激光LED5-2按照顺序编号,并发送控制信号给所述LED控制芯片;所述LED控制芯片用于根据接收到的控制信号控制激光LED5-2依次循环发光;
所述步进电机驱动模块用于根据发光的激光LED5-2的编号发送控制信号给步进电机6;所述步进电机6用于根据接收到的控制信号转动以带动发光的激光LED5-2旋转到正对所述通光孔5-5;
所述光电传感器用于将从第三光纤3-6接收到的光信号转换为待测电信号,并将待测电信号传输给所述信号处理模块;
所述信号处理模块用于将待测电信号的强度转换成待测尿液中对光的吸收峰的波长与发光的激光LED5-2的波长相同的待测组分的浓度。
本实施例中,本发明的节约型便携尿液检测杆包括显示装置,所述单片机4的输出端与所述显示装置的输入端电连接,所述单片机4用于将信号处理模块得到的待测尿液中待测组分的浓度数据传输给所述显示装置,所述显示装置用于对待测尿液中待测组分的浓度数据进行显示。
本实施例中,所述电源上设置有太阳能电池板,能够吸收太阳能进行充电,节约了能源,且遵循环保的理念。
本实施例中,只给出了本发明的核心结构,灯罩5-3等的固定与支撑采用本领域技术人员公知的技术手段。本发明可借助3D打印技术制造出原型。
下面结合附图说明本发明的工作原理及工作流程:
如图9所示,本实施例中,激光LED组件包括4个激光LED5-2。由于激光LED5-2的光强决定于通过激光LED5-2的电流,每支激光LED5-2都有单独的可以调节的恒流电路,保证光源的稳定。单片机4驱动激光LED5-2依次循环发光,用步进电机6驱动转盘转动实现波长切换以分时获得样品在单一波长下的光度值。通过调整每支激光LED5-2的电流,使各个波长的光强近似一致。采用集成电路芯片ULN2803实现LED恒流驱动,电路原理如图10所示。
如图11所示,单片机4采用STC89S52。单片机4驱动步进电机6沿顺时针方向运动,光控开关S搜寻到转盘5-1的起始点,即1号激光LED。相邻2个激光LED之间的夹角为90度。如需要2号激光LED所对应波长,只需将步进电机从起始点顺时针转动90度即可,其他依此类推。步进电机采用28BYJ48型减速永磁四相步进电机,双四拍的工作方式,电压为DC5V,步距角为7.5度。当步进电机到达预定位置后,延时一段时间方便透射光强数据的采集。该步进电机每转1圈要走48步(360/7.5=48),走过12步时即转过了90度,所以只需控制电机的步数就可以达到控制转角的目的。
单片机软件源程序采用C51语言编制,包括光源控制模块、步进电机驱动模块、信号处理模块。光源控制模块对激光LED5-2按照顺序编号,并发送控制信号给LED控制芯片,LED控制芯片根据接收到的控制信号控制激光LED5-2依次循环发光。步进电机驱动模块驱动步进电机6顺时针转动,每转90度,延时暂停,使单一波长的激光LED发光透射样品。根据步进电机的工作原理,使用单片机4的p1口的p1.1-p1.4,分别通过驱动连到步进电机的A、B、C、D相,用软件控制p1口输出一脉冲序列,来控制步进电机的转速、方向和步距,流程图如图12所示。其中,将步距数设置为12,使步进电机每转90度,延时,并且延时时间要大于采集卡的1个采样周期。
本发明的主要原理在于:当相干光束沿光纤传播到介质腔,光在介质腔的端面反射后沿原路返回并相遇。如果在介质腔内充满不同的介质,而且介质对光的相位不产生影响,根据波的干涉形成条件可知,两束光相遇后就会产生干涉。不同介质的不同组分对不同波长的光的吸收能力存在差异,腔的远端面反射的经过介质后得到的不同波长的光的强度也不相同,导致远端面反射和近端面反射的不同波长的光干涉后产生的光强度也不同,检测干涉后的光,光电转换器对其进行强度解调,解调后不同波长的光强度转换成不同大小的电信号。如果腔内充满的是较透明的液体,且已知被测介质中不同组分及其对光的吸收峰的波长,将其结果与腔内充满水时的结果相比较,得到不同波长光的强度对应的电信号的差值。差值越大,说明相应波长的光被介质吸收得越多,即介质中含有相应的组分的浓度越大。如果进行介质不同组分不同浓度条件下的实验,即可得出浓度和电信号输出的具体函数关系,用于精确测量。
本发明的使用过程如下:
首先,取待检测尿液放于容器中,将本发明的节约型便携尿液检测杆的介质腔1浸入尿液中。
然后,开启电源,光源控制模块对转盘5-1上的激光LED5-2按照顺序编号,并发送控制信号给LED控制芯片,LED控制芯片根据接收到的控制信号控制激光LED5-2依次循环发光,同时,步进电机驱动模块根据发光的激光LED5-2的编号发送控制信号给步进电机6,步进电机6根据接收到的控制信号转动以带动发光的激光LED5-2旋转到正对通光孔5-5后,延时暂停。
接着,该激光LED5-2发出的光透过通光孔5-5,经第一光纤3-4传输进入输入端3-1后,通过输出端3-3传输给第二光纤3-5,第二光纤3-5传导过来的入射光在介质腔1内被介质吸收一部分后被反光镜1-5反射回第二光纤3-5。第二光纤3-5中的反射光与入射光产生干涉,干涉光进入反射端3-2后,通过输出端3-3传输给第三光纤3-6,第三光纤3-6将干涉光传输给光电传感器,光电传感器将检测到的光信号转换为模拟电信号传输给单片机4。本实施例中,单片机4内嵌12位A/D转换电路将模拟电信号转化成可识别的数字信号。ADC时钟配置为12MHz,工作模式为扫描并且连续转换模式。连续采集单路模拟信号,每一路采集十次。通过模拟量输入通道采集到的数据,不可避免会混杂一些干扰噪声,为了提高数据采集的可靠性和准确性,本发明选用去极值平均滤波方法对ADC采样的数据进行滤波处理,无论是缓慢变化还是快速变化的信号,都能起到很好的滤波效果。
再接着,信号处理模块将接收到的数字信号的强度转换成待测尿液中对光的吸收峰的波长与该发光的激光LED5-2的波长相同的待测组分的浓度。具体地,信号处理模块将待测电信号的强度,与待测介质为水时收到的电信号的强度进行对比,得到电信号的强度差,并将强度差转换为成待测尿液中激光LED5-2的波长对应的组分的浓度。其中,会进行尿液中不同组分不同浓度条件下的实验,得出每种组分的浓度和该组分对应的波长下得到的电信号强度差之间的具体函数关系,并将该函数关系集成在信号处理模块中,用于精确计算。
当检测完一种组分的浓度后,LED控制芯片在单片机的控制下控制下一个激光LED5-2发光,同时步进电机6在单片机的控制下带动该下一个激光LED5-2正对通光孔5-5,进行下一个激光LED5-2的波长对应的组分的浓度测量。其中,可以根据需测组分对光的吸收峰的波长来设计激光LED5-2,需测多少种组分,就设计多少个激光LED5-2,这样当转盘5-1转动一圈后,能够实现所有需测组分的浓度测量。本发明测量完所有组分仅需不到20s,且即开即用,即关即停,大大提高了尿液检测的效率。使用者可以通过显示装置查看各项指标的测量结果,来评估自身的身体情况。
显然,上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等,均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种节约型便携尿液检测杆,其特征在于:包括介质腔(1)、检测笔(2)、分光器(3)、单片机(4)、光源(5)、步进电机(6)、光电传感器、电源;
所述介质腔(1)包括第一支座(1-1)、支柱(1-2)、第二支座(1-3),所述第一支座(1-1)在中部开设有第一通孔(1-4),所述第一支座(1-1)与所述第二支座(1-3)之间通过多个沿所述第二支座(1-3)周向均布的支柱(1-2)连接,所述第二支座(1-3)在正对所述第一支座(1-1)的端面上覆盖有一层反光镜(1-5);
所述检测笔(2)在中部开设有第二通孔(2-1);
所述分光器(3)包括输入端(3-1)、反射端(3-2)、输出端(3-3),所述输入端(3-1)连接有第一光纤(3-4),所述反射端(3-2)连接有第二光纤(3-5),所述输出端(3-3)连接有第三光纤(3-6);
所述光源(5)包括转盘(5-1)、激光LED组件、灯罩,所述灯罩包括灯罩顶盖(5-3)、灯罩侧壁(5-4);
所述转盘(5-1)在中部开设有第三通孔(5-6),所述步进电机(6)的转子轴与所述转盘(5-1)在第三通孔(5-6)处连接,所述单片机(4)的输出端与所述步进电机(6)的转子轴电连接;
所述激光LED组件包括LED控制芯片、多个波长不同的激光LED(5-2),多个所述激光LED(5-2)均匀固定在所述转盘(5-1)的周向,相邻两个激光LED(5-2)与转盘(5-1)的中心连线的夹角为所述步进电机(6)的步距角的整数倍;多个所述激光LED(5-2)并联后与LED控制芯片电连接,所述单片机(4)的输出端与LED控制芯片的输入端电连接;
所述灯罩罩住多个所述激光LED(5-2),所述灯罩不与转盘(5-1)、激光LED(5-2)接触,所述灯罩顶盖(5-3)上开设有通光孔(5-5),所述通光孔(5-5)的轴线垂直于多个所述激光LED(5-2)的中心所在的圆;
所述第一光纤(3-4)接入所述通光孔(5-5)内;所述第二光纤(3-5)穿过所述第二通孔(2-1)后穿入所述第一通孔(1-4),所述第二光纤(3-5)的靠近第一通孔(1-4)的端面同所述第一支座(1-1)的正对所述第二支座(1-3)的端面齐平;所述第三光纤(3-6)的远离输出端(3-3)的一端与光电传感器的输入端连接,所述光电传感器的输出端与所述单片机(4)的输入端电连接;
所述单片机(4)、步进电机(6)、激光LED(5-2)、LED控制芯片均与电源电连接;
所述单片机(4)采用STC89S52;所述步进电机(6)采用28BYJ48型减速永磁四相步进电机,双四拍的工作方式,电压为DC5V,步距角为7.5度;所述激光LED(5-2)采用集成电路芯片ULN2803实现LED恒流驱动。
2.根据权利要求1所述的节约型便携尿液检测杆,其特征在于,所述单片机(4)包括光源控制模块、步进电机驱动模块、信号处理模块;
所述光源控制模块用于对激光LED(5-2)按照顺序编号,并发送控制信号给所述LED控制芯片;所述LED控制芯片用于根据接收到的控制信号控制激光LED(5-2)依次循环发光;
所述步进电机驱动模块用于根据发光的激光LED(5-2)的编号发送控制信号给步进电机(6);所述步进电机(6)用于根据接收到的控制信号转动以带动发光的激光LED(5-2)旋转到正对所述通光孔(5-5);
所述光电传感器用于将从第三光纤(3-6)接收到的光信号转换为待测电信号,并将待测电信号传输给所述信号处理模块;
所述信号处理模块用于将待测电信号的强度转换成待测尿液中对光的吸收峰的波长与发光的激光LED(5-2)的波长相同的待测组分的浓度。
3.根据权利要求2所述的节约型便携尿液检测杆,其特征在于,还包括显示装置,所述单片机(4)的输出端与所述显示装置的输入端电连接,所述单片机(4)用于将信号处理模块得到的待测尿液中待测组分的浓度数据传输给所述显示装置,所述显示装置用于对待测尿液中待测组分的浓度数据进行显示。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的节约型便携尿液检测杆,其特征在于,所述电源上设置有太阳能电池板。
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