電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀的制作方法

專利名稱：電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器檢測儀，特別是一種電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，屬亍生化分析儀器 技術領域。
背景技術：
在醫療檢測、食品安全和環境保護等領域，對分析檢測方法和儀器的要求越來越趨向于便攜式、快速、 低成本、操作簡單，在某些場合要能夠實現現場檢測或在線實時監測。然而，現有的很多方法還是依賴丁-大型昂貴的實驗儀器，分析檢測時間長、成本高、對操作者的技能要求高。不能很好地滿足實際應用的需 要。電化學生物傳感器是一種將生物化學反應信息直接轉換為易測量的電流或電壓等信號的傳感器。除了 貝-有高靈敏度和選擇性的特性外，電化學生物傳感器的檢測儀器不需要光學或其它復雜器件，更容易小型 化，制作成本低。因而在各種分析檢測領域具有廣闊的應用前景。
目前電化學生物傳感器的檢測儀器主要是臺式電化學工作站，通過計算機操作，功能性高，但是體積 大，價格貴，不適合在實際應用中推廣。個人檢測用血糖儀是一種基于電化學生物傳感器技術的產品，己 在商業上得到成功應用。血糖儀采用的檢測方法為恒電位計時電流法或電量法，激勵電壓參數由硬件設置, 儀器專用程度高，幾乎每種型號的血糖儀只能使用特定的一種電極試紙。本發明可與常見的具有三電極體 系或二電極體系的各種電化學生物傳感器，尤其是小型或微型的電化學生物傳感器芯片配合使用，實現計 時電流法、計時電量法和多種伏安法檢測功能，具有一定的通用性。只要簡單修改程序參數就可以適用于 新的電化學生物傳感器。儀器體積小，采用電池供電，具有便攜性，適合在分析現場使用，能夠滿足快速 檢測的要求。

發明內容
本發明的目的在于提供一種電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，以擴大電化學生物傳感器實際應用 的范圍和提高其實際應用能力。該檢測儀能夠與常見的具有三電極體系或二電極體系的各種電化學生物傳 感器配合使用，實現計時電流法、計時電量法和多種伏安法檢測功能。并具有體積小，成本低的特點。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括微控制器、電源管理模塊、恒電位模塊、E卞ROM存 儲器、時鐘管理器、溫度傳感器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊。電源管理模塊與微控制器的 VDD和GND引腳相連。恒電位模塊與微控制器的數模轉換引腳D/A和模數轉換引腳A/D相連。E2PROM 存儲器的SCL和SDA引腳分別與微控制器的SCL和SDA引腳相連，通過I2C協議通訊。溫度傳感器的 DQ引腳與微控制器的一個I/O引腳相連，為單總線通訊方式。時鐘管理器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液 晶顯示模塊均與微控制器的I/O引腳直接相連。
所述的檢測儀，電源管理模塊中采用2節CR2032鈕扣電池(6V)供電，可向微控制器和其它電路提 供3.3V、 -3.3V電壓和2.5V參考電壓。其中，3.3V電壓由6V電壓經電壓調節器后獲得，3.3V電壓再經 電壓變換器生成-3.3V電壓，2.5V參考電壓由參考電壓源芯片輸出。
所述的檢測儀，恒電位模塊的WE、 CE和RE三個引腳，分別與三電極體系的電化學生物傳感器的工 作電極、對電極和參比電極相連。傳感器為兩電極體系時，WE接工作電極，CE和RE均與對電極相連。 電化學生物傳感器工作時的激勵電壓由微控制器的DAC和恒電位模塊提供，產生的電流信號經運算放大 器轉換為電壓信號后輸入至微控制器A/D引腳，由微控制器讀取并進行計算處理。
所述的檢測儀，輸入輸出功能分別由按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊來執行。按鍵輸入模塊由2個按鍵 組成；液晶顯示模塊可選用段碼式、字符點陣或圖形點陣類型。
所述的檢測儀，還具有以下實用性功能。儀器操作過程中和結果顯示時，具有蜂鳴器提示聲音。時鐘 管理器和E卞ROM存儲器共同實現對檢測時間和結果的記錄存儲。溫度傳感器用來實現溫度檢測功能，在溫度敏感性高的檢測體系中對結果進行溫度校正。
所述的檢測儀，采用混合信號片上系統類型的微控制器，集成數模轉換DAC和模數轉換ADC功能， 甚至更多其它功能。
本發明具有實質性特點和顯著進步。檢測儀以高集成度、低功耗、實用性為原則設計，采用集成度高、 功能強、性價比高的元器件。電路結構緊湊，儀器尺寸小且制作成本低。同時，本發明充分考慮到了電化 學生物傳感器的結構特點和對檢測儀的功能要求，采用靈活的接口設計，并提供常用的計時電流法、計時 電量法和多種伏安法。檢測功能還能通過程序軟件進一步提升。


圖l本發明結構示意圖
圖2本發明中電源管理模塊電路示意圖
圖3本發明中恒電位模塊及其與傳感器電極((l):三電極體系；(2): 二電極體系)的連接方式示
意圖
具體實施方案
如圖1所示，本發明包括微控制器、電源管理模塊、恒電位模塊、E^ROM存儲器、時鐘管理器、溫 度傳感器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊。電源管理模塊與微控制器的VDD和GND引腳相連。 恒電位模塊與微控制器的數模轉換引腳D/A和模數轉換引腳A/D相連。E牛ROM存儲器的SCL和SDA引 腳分別與微控制器的SCL和SDA引腳相連，通過I2C協議通訊。溫度傳感器的DQ引腳與微控制器的一 個I/0引腳相連，為單總線通訊方式。時鐘管理器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊均與微控制器 的I/0引腳直接相連。
如圖2所示，電源管理模塊中采用2節CR2032鈕扣電池(6V)供電，可向微控制器和其它電路提供 3.3V、 -3.3V電壓和2.5V參考電壓。其中，3.3V電壓由6V電壓經電壓調節器后獲得，3.3V電壓再經電壓 變換器生成-3.3V電壓，2.5V參考電壓由參考電壓源芯片輸出。本方案中，電壓調節器采用LM1117-3.3， 電壓變換器采用ICL7660，參考電壓源芯片采用MCP1525。
如圖3所示，恒電位模塊的WE、 CE和RE三個引腳，分別與三電極體系的電化學生物傳感器的工作 電極、對電極和參比電極相連。傳感器為兩電極體系時，WE接工作電極，CE和RE均與對電極相連。電 化學生物傳感器工作時的激勵電壓由微控制器的DAC經恒電位模塊提供，產生的電流信號經運算放大器 轉換為電壓信號后輸入至微控制器A/D引腳，由微控制器讀取并進行計算處理。本方案中，運算放大器采 用OPA2227。
在本方案中，E2PROM存儲器采用AT24LC64，時鐘管理器采用DS1302,溫度傳感器采用DS18B20。
本檢測儀在使用時具有兩種方式。方式一，用作電化學生物傳感器的開發平臺。在傳感器未開發成熟 時，用檢測儀考察其電化學性能；方式二，對電化學性能穩定的傳感器，將其必要參數和計算方程式寫進 程序，直接由液晶顯示出最后結果。通過該方式，多種傳感器可使用同一檢測儀。
權利要求
1、一種電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，包括微控制器、電源管理模塊、恒電位模塊、E2PROM存儲器、時鐘管理器、溫度傳感器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊。電源管理模塊與微控制器的VDD和GND引腳相連。恒電位模塊與微控制器的數模轉換引腳D/A和模數轉換引腳A/D相連。E2PROM存儲器的SCL和SDA引腳分別與微控制器的SCL和SDA引腳相連，通過I2C協議通訊。溫度傳感器的DQ引腳與微控制器的一個I/O引腳相連，為單總線通訊方式。時鐘管理器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊均與微控制器的I/O引腳直接相連。
2、 根據權利要求1所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，電源管理模塊中采用2節 CR2032鈕扣電池(6V)供電，可向微控制器和其它電路提供3.3V、 -3.3V電壓和2.5V參考電壓。其中， 3.3V電壓由6V電壓經電壓調節器后獲得，3.3V電壓再經電壓變換器生成-3.3V電壓，2.5V參考電壓由參 考電壓源芯片輸出。
3、 根據權利要求l所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，恒電位模塊除了與微控制器 相連之外，還具有WE、 CE和RE三個引腳，分別與三電極體系的電化學生物傳感器的工作電極、對電極 和參比電極相連。傳感器為兩電極體系時，WE接工作電極，CE和RE均與對電極相連。電化學生物傳感 器工作時的激勵電壓由微控制器的數模轉換DAC功能和恒電位模塊提供，產生的電流信號經運算放大器 轉換為電壓信號后輸入至微控制器A/D引腳。
4、 根據權利要求1所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，按鍵輸入模塊由2個按鍵組 成，完成參數設置和程序流程控制的功能。
5、 根據權利要求1所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，液晶顯示模塊可選用段碼式、 字符點陣或圖形點陣類型。完成參數設置提示和結果顯示功能。
6、 根據權利要求l所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，儀器操作過程中和結果顯示 時，具有蜂鳴器提示聲音。
7、 根據權利要求1所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，時鐘管理器和E2PROM存儲 器共同實現對檢測時間和結果的記錄存儲。
8、 根據權利要求l所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，采用混合信號片上系統類型 的微控制器，集成數模轉換DAC和模數轉換ADC功能，甚至更多其它功能。
9、 根據權利要求l所述的電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀，其特征是，溫度傳感器用來實現溫度檢 測功能，在溫度敏感性高的檢測體系中對結果進行溫度校正。
全文摘要
一種電化學生物傳感器通用便攜式檢測儀。以集成數模轉換和模數轉換功能的微控制器為核心，外圍電路包括電源管理模塊、恒電位模塊、E²PROM存儲器、時鐘管理器、溫度傳感器、蜂鳴器、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊。可與常見的具有三電極體系或二電極體系的各種電化學生物傳感器，尤其是小型或微型的電化學生物傳感器芯片配合使用，實現計時電流法、計時電量法和多種伏安法檢測功能，同時可對檢測結果進行溫度校正。本發明以高集成度、低功耗、實用性為原則設計。儀器體積小，采用電池供電，具有便攜性，適合在醫療檢測、食品安全和環境保護等領域的分析現場使用，能夠滿足快速檢測的要求。
文檔編號G01N27/26GK101661015SQ200910195388
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者左少華 申請人:上海睿興實業有限公司;左少華