智能马桶系统中尿液pH值检测系统

智能马桶系统中尿液pH值检测系统 2005焦 第10期 仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 20o5 No.10 智能马桶系统中尿液pH值检测系统 王红艳,汪仁煌,谷刚 (广东工业大学自动化学院广东广州510090) 摘要:介绍了人体尿液pH值检测系统.其中包括选择新型的离子敏感场效应晶体 管(ISFET)电极 测量pH值,ISFET电极的结构和特点,H一ISFET在智能马桶系统pH值测量中的 实现,以及PC机对 采集所得的历史数据记录的处理. 关键词:离子敏感场效应晶体管电极;pH传感器;单片机 中图分类号:TP23文献标识码:B文章编号:1002—1841(2005)10—0022—03 MeasureSystemofpHValueofUrineinInteHigentClosestoolSystem WANGHong-yah,WANGRen-huang,GUGang (CoHegeofAutomation,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China ) Abstract:Introducedthemeasul~systemofthepHofurin,'IIincludedthatthechoiceofthene wstylepHsensorofion—sensi- tirefieldeffecttansistor(ISFET)electrodeinthemeasurementoftpH,thestructureandpeculi arityoftheISFEFelectrode,therea1. izedofthepHmeasul~intheinteHigentclosestool,andhowtoprocessthecollecteddatafromt hePC. KeyWords:ISFETElectrode;pHSensor;Singlechip 1引言底的体内费米能级;Q为耗尽区单位面积电容. 开发一种新型的智能马桶,在人们上厕所的时间 里自动测量人的体温,血压,体重,脉搏,尿液酸度等 功能并自动清洗,然后将测得信息源源输入家庭电脑 服务器或医疗诊所,使人们可以随时了解自己的健康 状况和历史数据,以及为网络终端的医生根据这些参 数以及长期连续的数据积累所形成的变化趋势对被 测对象的健康状况做出判断提供依据. 在智能马桶系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中,要求pH检测方便,快速 以及可以长期反复多次精确的测量.设计中采用将 离子选择电极(ISE)与金属一氧化物一半导体场效应 晶体管(MOsFET)结合起来形成的场效应晶体管(Is. FET). 2ISFET的结构与特点 ISFET的结构是将普通的MOSFET的金属铝栅去 掉,栅介质裸露或在其上面涂以对不同离子敏感的 膜,让栅直接与被测溶液相接触,与外参比电极组成 测量电池,可对溶液中的要求被测的离子产生能斯特 响应,就构成ISFET传感器.图1为ISFET结构图. 为了防止沟道区之外的区域表面反型,消除寄生沟道 所引起的表面不稳定,在漏源周围增设一个P保护 环. 电解液相当于一个溶液栅,它在栅介质之间的界 面处建立电化学势能,通过它对si片表面的沟道电导 起着调制作用.所以ISFET对溶液中离子活度的响 应,可用界面处电化学势对阈值电压的影响来说 明: VT=1+一(QSS/Cox一2f+Qb/Coc)(1) 式中:为电解液和栅介质之间的电化学势;V为参 比电极与电解液之间的结电势;Q为等效表面态和 氧化层电荷;Cox为单位面积的栅极电容;f为P型衬 收稿日期:2004—09—23收修改稿日期:2005—07—27 对于特定结构的ISFET,式(1)中其他各项参数均 为常数,阈值电压只随】变化.1决定于敏感膜 的性质和电解液中离子的活度,根据能斯特关系,有: 1=0+(RT/ZF)Inai(2) 式中:0为常数;R为气体常数;T为绝对温度;Zf为 离子的价数;F为法拉第常数;口为被测溶液中的离 子活度. 对于一价阳离子(如H),则有 1=0+(2.303RT/F)Ina(3) 因此,在其他参数条件不变时,ISFET的阈值电压 表示式可以写成: VT=C+Slna(4) 一定溶液在参比电压固定条 式中c和5对一定器件, 件下为常数. 由式(4)可知:阈值电压与离子活度的对数呈线 性关系.由于ISFET的漏电流,D与阈值电压有关, 因此可以通过测量漏电流来确定被测溶液里离子的 活度.测量离子活度的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有电流法,恒流恒压负反 馈法以及源极跟随法.其中电流法具有电路简单,线 性和重复性较好,并且不易损坏ISFET器件的优点. 原理图如图2所示. 图1ISFET结构图 第10期王红艳等:智能马桶系统中尿液pH值检测系统23 图2电流法测离子活度电路图 若离子敏感膜材料不同,则对不同离子响应具有 选择性.系统中需要测量尿液中的pH值即H的活 度.考虑到保护沟道不被溶液浸湿,还要溶液中的被 测离子起敏感作用并产生界面势,栅绝缘体采用多层 结构.ISFET的栅区用双层介质覆盖,下面一层是 sio2作为绝缘层,上面一层是si3N4作为敏感层.si3N4 的pH灵敏度接近理想的能斯特响应,对pH的线性响 应范围也比较大(pH:1,13),而人体尿液pH值范围 在普通膳食的条件下为4.6,8.0,所以在此完全适 用,另外SN4稳定性也好,是较好的pH—ISFET的敏 感膜材料. 与离子选择电极(ISE)比较,ISFET具有很多优 点.首先,ISFET输出阻抗低的特点.其次,ISFET具 有全固态结构,体积小,值量轻,机械强度高的特点, 适合智能马桶夹层的狭小空间以及为了测量的准确 第三,ISFET的 性设计的自动冲洗装置的反复冲洗. 水化时间很短,对离子活度的响应速度很快,响应时 间小于1s,而一般ISE的响应时间约数min;因此IS— FET传感器需要的样本量小,可以在智能马桶系统中 人体小便短时间内以及样本尿液样本不需要特定装 置采集的情况下及时方便测定尿液的pH值,基于以 上要求,在此选择ISFET电极进行马桶系统中尿液pH 值检测. 3H一ISFET在智能马桶系统pH值测量中的实现 智能马桶系统是由各个传感器测量不同的人体 参数值,然后与单片机连接,由单片机处理传感器采 集的数据,进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 并驱动相应的装置,然后与家庭 的PC机通信.PC机装有由LabVIEW软件编制的接 收和数据处理的程序,可以从PC机的串口接收数据, 形成历史记录并图形化直观显示,使被测对象和医生 可以直观的观察人体各项参数和近期变化趋势.然 后由PC机中用医学统计软件如SPSS对数据进行综合 分析玻对人体健康状况做出判断.PC机具有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的 网络接口,可以方便快捷的连到网络,通过家庭计算 机网络,用户信息可传送到医院数据管理中心,中心 管理系统可自动向用户发出专家诊断意见或给出健 康状况提示,从而使用户在家内即可享受到医院专业 的医疗服务.图3为系统结构简图. 由能斯特公式的变形公式(4)可以得出,ISFET电 极测量输出信号为阈值电压,公式表明输出电压受温 度的影响.温度的高低受外界环境的影响,因此考虑 到所测pH值的精确性需要考虑到温度的变化.因此 在电极处设置热敏电阻进行测温,以此为依据对信号 进行温度补偿.温度补偿信号和离子活度信号一起 经单片机进行处理输出精度较高的pH值数字信号. 利用ISFET固态电极体积小的特点在智能马桶系统中 采用浸入式安装,因其响应时间很短(小于1S),可以 直接安装在马桶的内壁尿液流经的位置,瞬间完成对 pH值的测量.ISFET电极有良好的抗污染性能,为了 更精确的测量,在每次测量结束后启动由单片机控制 的自动清洗装置清洗电极. 此系统设定每天早上对人的各项参数进行一次 采样.测量要求被测对象在每天清晨起床后的时间 段进行采样,以保证数据受外界影响的程度比较一 致.其中对尿液pH值的测量的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如下:首先启动 智能马桶系统,此时pH传感器对应的单片机开始工 作,而pH传感器的工作由此单片机控制.被测对象 在确定传感器的电极可以接触被测介质时启动pH测 量系统,单片机发出信号使pH传感器开始工作,延时 5s后(ISFET电极的响应时间小于ls)要求传感器传输 数据,完成数据采集后,发出命令给清洗装置完成电 极的自动清洗,然后给pH传感器信号停止测量,单片 机把采集到的数据储存供PC机查询.测控流程见图 里 蕈I望笪孽旦l测控总线 l单片机1ll单片机2l…l单片机NI 圃…圃 匝主囵 l启动pH测量系统1 l所对应单片机1l驱动pH传感I l进入工作状态lI器开始工作I l驱动自动1l单片机从传感器I l洗电极装置lI采集数据I ji l单片机给出信号ll储存采集数据I l使传感器停止工作II预备传输给PC机I (尿液pH值测量结束) 单片机采集的数据要与PC机进行通信.尿液的 pH值受各种因素的影响,会在一定范围内波动,正常 人在普通膳食的条件下尿液pH为4.6,8.0,故在pH 值<4.6以及pH值>8.0的时候报警,数字变成红色. 由于pH值受饮食,检测时间等影响,所以一段时间内 求pH值的平均值,以观察一段时间内尿液pH值变化 趋势. 4PC机对采集所得的历史数据记录的处理 系统中采用生物医学统计软件SPSS对采集来的 24InstrumentTechniqueandSensor0ct.2005 数据进行统计分析.软件采用交互式或窗口菜单方 式选择各种统计方法,有良好的图形界面,能方便地 与dBASE,Excel等数据库软件交换数据,数据库操作 直观,方便.主要功能有:数据的探索性分析,描述性 统计,方差分析,非参数统计,多元分析,聚类分析,判 别分析,对应分析,非线性回归,时间序列分析等.在 此使用其中的时间序列分析或者回归分析算法可以 对从智能马桶系统采集来的数据进行分析和预测. 应用统计软件进行数据分析,首先读取数据,PC 机通过LabVIEW从串口采集来的数据可以形成图形 文件和文本文件,其中的文本文件作为数据库与SPSS 文件进行链接.然后对数据进行预处理,根据研究的 需要,有时需对数据库中的某些变量进行变量值的重 新编码,变量值等级的合并,变量类型的变换,数据库 的分割或合并等处理.数据在进行统计分析之前,应 先进行探索性分析以了解各变量的一般情况,以决定 下一步采用的数据处理方法及可能的统计分析方法. 然后根据统计分析计划的安排进行分析.对统计分 析结果及有关的参数,结合专业知识对人体的健康状 况作出适当的解释和判断. 5结束语 ISFET离子敏传感器是20世纪7O年代由P. Bergveld首先提出的.由于其宽广的离子测量范围及 其微型化的特点,使之在生物医学领域中具有广泛的 应用范围.智能马桶系统中采用这种比较新型的传 感器测量pH值,很好的满足精确,快速,反复测量人 体尿液pH值的要求.从而可以根据被测者的测量历 史记录建立数据库和趋势曲线并进行分析,对身体的 健康状况进行实时检测和有效预测,方便快捷的实现 智能马桶系统的健康保健功能. 参考文献 l1JFUNGCD,CHENGPW,KOWE.Ageneralizedtheoryofanelectrolyte- insulator-semiconductorField—effectTransistor.IEEETram.日ectronDe— vice,1986,ED-D:8-13. [2]李向明.采用H—ISFE~的便携式上消化道pH值记录仪的研制. 中国生物医学工程,2003. [3]张乾生.临床医学需要ISFET传感器.中国医疗器械,1997,21(2). [4]丁辛芳.场效应型氢离子敏传感器测量方法的实验研究.电子测 量与仪器,1995,9(2). (上接第1O页) 由发射电路产生频率为75MHz的高频电磁波,一 路反馈至同轴线传感器,电磁波在同轴线传感器内传 输后,产生了幅度衰减和相位移,经接收电路处理后, 送入混频器I;另一路直接送入混频器II.本机振荡器 产生频率为75.02MHz信号,直接送入两混频器与频 产生两路20kHz的中 率为75MHz的两路信号混频, 频信号,这两路中频信号的幅度与75MHz高频信号的 幅度成正比,相位特征保持不变;对中频信号做鉴相, 积分,压频转换处理,即可求出电磁波在同轴线传感 器中油水混合介质中传播时的相位系数.电磁波在 同轴线内传播?距离后,相位的变化量 ?=卢??L=1.5???L(17) 图3同轴线相位法含水翠计原理框图 根据H—B公式,油水混合介质的等效介电系数 e_5J可近似表示为 E:ITI=(~/e.il(1一K)+K~/s)(18) 式中:E:oil为原油的介电系数;e为地层水的相对介电 系数;e2为油水混合介质的介电常数;K为油水混合 介质的含水率. 联立式(17)和式(18),解得含水率测量方程 鳟Vew—Veoil 式中:1 . 5rr? A ? gm 2模拟实验 (19) 在油水气模拟环路中,以清水和工业白油模拟油 井产出液,以空气模拟油井的分离气.神经网络的结 构选4—5—3,学习速率77=0.28,惯性系数a=0.04, 加权系数初始值取区间[一0.5,0.5]上的随机数.输 输 入指令信号为采样得到的1路涡街流量计的信号,出信号取涡轮流量计的信号.在一定含气量和含水 率条件下,油水气分离的情况如表1. 表1油水气分离的情况表 涡街流量涡轮流量含水涡街流量涡轮流量含水 /(?d)/(?d)率%/(?d)/(?d)率% 通气前37.2638.1384.77通气前37.2638.1384.7 通气后39.6347.5156.85分离后37.5638.5084.7{ 误差2.379.38—27.92误差0.300.37—0.0 3结束语 通过涡街流量计和涡轮流量计的响应函数来控 制气液分离,可以实时监测调整,达到完全分离的目 的.基于BP网络的改进PID控制算法可以有效地实 现对气液分离的实时控制.通过使用同轴线相位法 含水率计来测量含水率提高了含水率测量的精度. 参考文献 [I]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.北京:电子工业出版 社.2003. [2]阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化计算.北京:清华大学 出版社,2000. [3]王进旗,强锡富,张永奎.测量油井含水率的新方法一同轴线相位 法.仪器仪表.21302.23(1):74—76.