基于單片機的血粘度測量系統(tǒng)設(shè)計

王美嬌++孫琪++李美萱

摘 要：血液粘度值作為診斷疾病轉(zhuǎn)歸和療效判斷的主要指標(biāo)，具有非常重要的臨床意義。為了準(zhǔn)確測量血液粘度值，該文以低功耗單片機ATmega128作為主控制芯片，設(shè)計了系統(tǒng)主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊及驅(qū)動模塊，完成了主控模塊、驅(qū)動模塊及通信模塊的軟件程序設(shè)計。所設(shè)計血粘度測試系統(tǒng)經(jīng)過實際測試，結(jié)果表明系統(tǒng)與市場同類型血粘度儀相比，具有成本低、精度高、誤差小、重復(fù)性好等優(yōu)點，可滿足一般中小型醫(yī)院及社區(qū)醫(yī)院對血粘度測量的需求。

關(guān)鍵詞：血粘度 測試 單片機 ATmega128 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：R446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0112-02

血液粘度指的是當(dāng)血液流動時，血液內(nèi)部各分子之間以及血液與血管壁之間所產(chǎn)生的摩擦或粘性阻力。大量臨床研究表明，血液粘度高會直接或間接導(dǎo)致危害人類健康的諸如冠心病、腦血栓、心肌梗塞、動脈硬化癥、高血壓病、高血脂癥等常見病。可以說，血液粘度值常被作為診斷疾病和判斷療效的重要指標(biāo)，因此血液粘度的檢測具有非常高的臨床價值。

血液粘度測量儀器雖然在國內(nèi)較為普遍，但功能較單一、操作繁瑣、檢測數(shù)據(jù)誤差較大。雖然目前已產(chǎn)生了各種各樣性能優(yōu)良的流變學(xué)檢測儀器，但由于檢測時需要抽取一定量血，在體檢普查時受到一定使用限制，特別是在需要重復(fù)檢測以及動態(tài)觀察的場合，更難以實現(xiàn)[1]?；谝陨戏治龊褪袌稣{(diào)研，該文設(shè)計了一種基于單片機的血液粘稠度測量系統(tǒng)。

1 血液粘度測量原理

血液粘度是血液流變學(xué)的重要指標(biāo)，其變化符合如下規(guī)律：血液粘度在低切變率下較高，而隨著切變率的升高，血液粘度會逐漸降低，直到切變率達(dá)到一定數(shù)值時，血液粘度此時接近恒值。測定血液粘度的方法主要有兩種：一種是最初的毛細(xì)管法，其理論依據(jù)是泊肅葉定律；第二種是旋轉(zhuǎn)法，其理論依據(jù)是粘度的定義，即粘度是切變應(yīng)力和切變速度的比值，所以只要已知切變速度和切變應(yīng)力就能計算出血粘度值。其中，錐板旋轉(zhuǎn)法以其用血量少、測量時間短而得到普遍采用[2]。該設(shè)計采用錐板旋轉(zhuǎn)式測量方法，在錐體與平板之間加入待測血液樣本，驅(qū)動錐體與齒盤加速旋轉(zhuǎn)。通過測速傳感器檢測并計算齒盤的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)速度達(dá)到一定值后撤銷驅(qū)動力，此時被測血液的粘度會對錐體產(chǎn)生阻力，使得錐體快速衰減。再通過測量齒盤轉(zhuǎn)速衰減來計算被測血液對錐體的阻力矩，并根據(jù)這個阻力矩和轉(zhuǎn)速，計算出該切變率下的粘度，推導(dǎo)出粘度計算公式如下：

其中為粘度；為與椎體構(gòu)型有關(guān)的儀器常數(shù)；M為錐體受到的阻力矩；為錐體旋轉(zhuǎn)的角速度；J為錐體旋轉(zhuǎn)慣量；Ms為系統(tǒng)阻力矩；為瞬時角加速度。最后通過標(biāo)定確定s，J，從而得到血液粘度的值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

所設(shè)計的血液粘稠度測量系統(tǒng)由控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、通信模塊、顯示模塊及上位機組成，其中，控制模塊是硬件系統(tǒng)的核心，采用AVR單片機ATmega128作為主控芯片。AVR單片機具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線，CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令，可得到最大程度的性能及并行性。AVR單片機內(nèi)部集成Flash、EEPROM和SRAM共3種存儲器，能夠更好地采用高級語言來編寫嵌入式系統(tǒng)程序[3]。

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)待測血液粘度數(shù)據(jù)的采集，該系統(tǒng)通過測速傳感器與主控模塊實現(xiàn)采集。測速傳感器是一款光電式測速傳感器，可測得被測體的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

通信模塊作用是實現(xiàn)控制模塊與上位機及控制模塊之間的通信。單片機通過串口接收計算機發(fā)來的指令，將命令以CAN通信的方式發(fā)送出去，并將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)按照串口的通信協(xié)議上傳給計算機。系統(tǒng)電路采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來實現(xiàn)電路板與上位機的電平匹配。

驅(qū)動模塊主要包括電機驅(qū)動板、電磁泵驅(qū)動板和機芯驅(qū)動板。由單片機控制電機的運行方向和步數(shù)，控制電磁泵是否工作，控制機芯旋轉(zhuǎn)[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，主要編寫了主控模塊的程序，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與計算機之間的指令接收和數(shù)據(jù)傳送，將從上位機接收到的命令通過CAN通信接口發(fā)送給下一層單元，并使用CAN接收到下層單元返回來的數(shù)據(jù)來控制電機。主控模塊軟件流程圖如圖1所示。

4 結(jié)語

該文主要研究血液粘度檢測方法，以ATMEL公司的AVR單片機作為控制核心，采用錐板旋轉(zhuǎn)式測量方法，測量人體的血粘度。介紹了血液粘度測量原理，探討了目前血液粘度檢測技術(shù)，設(shè)計了血粘度測量硬件系統(tǒng)，編寫了軟件測試程序，詳細(xì)介紹了各個模塊的功能及實現(xiàn)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓建新，王學(xué)民，王明時.在體實時血液粘度的測量研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2007，17（3）：313-315.

[2] 趙秋生，高衛(wèi)平.通用型錐板血液粘度計的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2002（2）：10-11.

[3] 郝宋.基于AVR的血粘度儀設(shè)計[D].太原理工大學(xué)，2010.