STM32开发的三电极体系的血氧检测系统的设计

1万 · 2018-11-29 13:16

人体生命的维持和常规的生理活动都离不开氧，人体正常的新陈代谢对氧的含
量有一定的要求，所以人体血氧的含量必须要达到一定的浓度。人体组织细胞进行
更新换代会从血液中吸收所需要的氧，血液把通过肺泡时结合的氧带到人体所有的
组织中去。全身组织细胞的常规生理活动都需要连续不断的供给充足的氧分。组织
中氧的主要载体是血红蛋白，组织中的血红蛋白是由氧合血红蛋白与还原血红蛋白组
成的。血管中的血液在心脏的收缩和舒张下不断地的供给肺部，肺部一部分的还原
血红蛋白与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白，这些氧通过动脉系统最终到达
毛细血管，然后氧被释放掉，依此来维持人体组织细胞的新陈代谢。

1万 · 2018-11-29 13:17

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在传统的双电极体系中，仅有工作电极(WE)和对电极(CE)，若对电极的电
位在测试过程中不发生变化，测量过程就不需要使用参比电极。事实上非法拉第过
程造成了工作电极和对电极电位的偏移，所以，需要在双电极测试系统中引入参比
电极来抑制非法拉第过程。参比电极的电位是根据己知设定的，是恒定电位，它可
以提供一个基准电位给工作电极。当工作电极电位发生变化时，通过负反馈调节系
统来改变参比电极的电位，使工作电极和参比电极之间的电压差维持在一个恒定值，
以此来消除非法拉第过程对电化学反应产生的干扰。测量过程中，通过参比电极的
电流极其微小，参比电极不会发生极化。使用三个电极进行测量比只使用两个电极
进行测量具有以下两点好处:
(1>使用两个电极的测量体系只包含辅助电极和工作电极两个电极，虽然两个
电极之间的电位差可以控制住，但是辅助电极和工作电极的电势都不能够被单独控
制住，然而使用三个电极，当测量过程中发生极化时可以被参比电极抑制住，因此
可以达到提高测量精度的目的，测量的结果更加可靠。
(2>在使用三电极体系进行测量时，若想要减小两电极之间的电阻可以把工作
电极和参比电极之间的距离做小一点，但是使用两个电极进行测量时，电极之间的
电阻只能依靠降低电极间电流的方式降低。此外，使用两个电极体进行测量时容易
发生极化现象，而使用三个电极进行测量可以避免这样的问题。

1万 · 2018-11-29 13:20

血氧检测中各个电极的作用:
(1>工作电极
工作电极又被称为研究电极。制作工作电极所使用的材料的热性会很大程度上
影响到测量的准确性，所以对所选材料的信噪比和重现性要求很高，通常采用碳或
者金属作为制作工作电极的材料，但是实际应用中大多数工作电极都是碳电极，因
为碳电极制作的成本低并且方便处理。把工作电极称作研究电极的原因是测量中研
究的关键是发生在工作电极表面的反应。按照研究电极的目的进行划分，把工作电
极分为两大类，第一类是用于研究制作电极所选材料的属性。比如用石墨来制作工
作电极，这样我们就可以通过化学反应来分析石墨的某些特征。第二类是研究的是
溶质或者气体而不是电极本身，在电极在这些气体或者溶液中不参与反应，只是表
面发生化学反应，将第二类电极称为惰性电极，本论文所用的电极也是惰性电极。
(2)参比电极
参比电极是起到给工作电极电势提供一个“参比”对象的作用，该电势是一个
电势标准。电极的电势要保持不变，不能收到电极间温度变化的影响，也不能受到
电极之间通过的电流的影响。制作参比电极的材料通常采用的有甘汞和银/氯化银
(Ag/AgCI)等。
C3)辅助电极辅助电极又称对电极。工作电极的电位被设定在某个恒定的值，工作电极和对
电极组成的回路使得工作电极上的电流能够顺畅流通。用辅助电极来修正检测的数
据，使得检测的结果相对准确靠谱，将此电极和参比电极连接在一起就成了传统的
双电极结构。为了确保辅助在测量的过程中不被极化，辅助电极的面积通常比较大，
大于工作电极的面积，从而辅助电极上的电流密度会就小。当将工作电极和辅助电
极分开在不同的电解池中，辅助电极的反应影响不到工作电极。当将工作电极和辅
助电极一起放置在相同电极池中，辅助电极发生的反应就会在很大程度上影响到工
作电极。因此要注意两个电极放置的位置并且在选择辅助电极的材料时要特别注意。
硬件测量系统主要包括两方面的功能:一方面为了防止当工作电极在测量过程
中电位发生偏移造成测试结果有很大的误差，所以三电极体系需要维持工作电极电
势的稳定。另一方面工作电极上产生的电流及其微弱，所以需要一个精密的放大采
样电路来采集工作电极上产生的电流信号。

1万 · 2018-11-29 13:22

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1万 · 2018-11-29 13:25

在图2-2中，以STM32F407控制器为核心控制器作为控制单元，通过修改STM32
的程序来控制参考电压产生的时序，外部电路在该时序的驱动下产生不同大小的数
字作为参考电压被加在三电极体系的参比电极和工作电极之间，同时恒电位电路具
有反馈调节功能，参比电极和工作电极之间电势差在反馈调节的作用下会保持在一
个恒定值。
测量中将三个电极和测量的细管装在一起，待测量血液样品通过细管的抽吸，
进入测量的细管中。测量电极通过开孔的方式插在测量细管的管壁上，血液样品进
入用于测量的细管后，停止抽吸细管，然后样品被电极感测到，电极上会产生对应
于PO:参数的电信号。三电极体系的响应的电流很微小，在纳安(nA)级，所以处
理起来不太方便，因此要首先将电流信号转换成电压信号，再通过滤波放大电路将
转换后信号中的杂波滤除，同时对电压进行放大，经过AD转换电路将转换后得到的
数字电压信号传给微处理器，核心控制器可以通过网口和串口两种方式将计算后的
结果传送PC端，最后PC端的软件平台将接收到的数据进行显示、存储和打印等。
此外，测量的环境必须是一个恒温的环境。通常测量的温度被恒定在370C左右
(士0.1 0C )，模拟人体内血液的温度，因此该系统还专门为测量管道设计了一个温度
控制系统。在血氧分析仪中，配备了一套相对复杂的管路系统，并且配有驱动管路
工作的泵体和电磁阀，这些装置可以对血样的进行自动定标、自动测试和自动清洗
等操作，同时微处理器可以对定标气体或者定标液的有无进行检测，同时可以对泵
和电磁阀的运行和关断和管路温度进行控制。

1万 · 2018-11-29 13:26

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   (1)恒电位电路:在三电极体系的工作过程中，电极可能会因为极化而导致电
极的电位会发生偏移，从而造成三电极体系输出的信号不稳定，因此测量过程中要
求工作电极和参比电极的电势差维持在固定值。
   (2)参考电压产生电路:由于测量电极的电势是有极性的，因此参考电压产生
电路必须既可以产生正电压又可以产生负电压，该电路在STM32的控制下产生不同
极性的电压信号。
   C3)模拟信号处理部分，前端信号调理电路由多个部分构成，用来测量三电极
体系产生的微小电流信号，下面详细介绍三点:
转换电路:前面己经阐述过本系统采用的三电极体系测量方法产生的电流信号
很小，如果直接进行测量不方便处理并且会存在很大的误差，本设计采用的方法是
转化为电压来处理，最后再反过来计算出电流的大小。

1万 · 2018-11-29 13:27

滤波电路:我们知道由于集成电路的非理想性并且电路中的电阻存在的热噪声
都会对待测量的信号产生干扰。如果在上一步的转化后直接对信号进行放大，有用
信号就会淹没在噪声中，所以要在转换电路的后面加入滤波功能。
放大电路:经过滤波后的电压信号仍然是微弱的电压信号，不适合直接进行采
样处理。若直接进行采样不仅需要极高的采样率，同时要求对外部电路有很强的抗
干扰能力，不易实现，所以在对信号进行滤波后再接入放大电路，最后再送入AD转
换电路进行处理。
C4)串口/网口传输电路:通过串口或者网口将数据发送给PC端，PC端将接收
到的数据再进行显示、存储和打印等操作。

1万 · 2018-11-29 13:33

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恒电位电路的原理图如图3-3所示，将通过D/A产生的参考电压加OP2的反相端，
OP2再将这个电压加在工作电极和参考电极之间，电化学反应池里的溶液和氧气在
这个电压的激励下发生化学反应产生流动的电流信号。工作电极的电位在反应过程
中会由于极化作用得影响发生偏移，而前一级接入的是输入阻抗很高的运算放大器
OP1，所以参比电极的电流几乎为零，因此参比电极的电位会和工作电极发同相的变
化，这个偏移后的电位通过第一级OP1加到了OP2的同相输入端，输入扫描电压也
会跟着减小，从而参比电极和工作电极电位直接的电位差就会位置在一个恒定值。

1万 · 2018-11-29 13:34

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本系统中的差分放大电路如图3-4所示，电路中设计了反馈功能，电路中的
REF O代表的是的反馈电路的输出连接在INA1 OS的第三引脚，当参比电极电位发生
变化时，通过电压跟随电路反馈到REF O端，也就是INA1 OS的第三个引脚，参比电
极和工作电极间的电位差在差分比较器的调节下维持稳定状态。其中输出的电压可
以表示为VoUT - UnEr。一VDAC OUT。
}2)电压跟随电路
电压跟随器的特点是输出电压跟着输入电压变化的而变化，电压跟随器的电压
放大倍数小于接近于1 [17]。本设计采用的LMC6062器件输入阻抗高，输出阻抗比较
小作为电路中的电压跟随器。在电极的输出信号后面接入电压跟随器，一方面可以
把输出的信号与参比电极和参考电压分开，另一方面起到维持三电极稳定的目的，
这是因为LMC6062输入阻抗高，参比电极端产生的电流非常小。