基于顏色實現尿液成分檢測方法及實驗研究

趙光藝，趙光興，楊 浩

（1.安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖241002；2.安徽工業大學數理學院，安徽馬鞍山243002）

基于顏色實現尿液成分檢測方法及實驗研究

趙光藝1，趙光興2，楊 浩1

（1.安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖241002；2.安徽工業大學數理學院，安徽馬鞍山243002）

根據試劑塊上尿液成分濃度與顏色的對應關系，利用數字TCS230顏色傳感器可精確檢測RGB空間內的所有顏色的特點，設計了一套低功耗的基于精確顏色測量的尿液生化成分檢測裝置。闡述了檢測系統的工作原理，并就測量誤差來源進行分析，給出了系統誤差修正方法和標定方式。實驗結果表明，整個裝置操作方便,測量結果準確。

尿液生化分析；顏色；單片機；超低功耗

尿液分析是診斷泌尿系統疾病的重要方法之一。通過對尿液物理性狀和化學成分變化的分析，可以對腎臟和尿路是否存在疾病，以及疾病嚴重程度和愈后做出臨床輔助診斷，特別是有助于早期發現尿路及腎臟方面的疾病[1-2]。因此，經常性的尿液檢查對早期發現慢性腎臟病具有積極的預防作用。基于顏色精確實現尿液成分檢測是一種簡單快速、半定量檢測的有效方法。其理論意義在于為定位于家庭、操作方便、結構簡單的普及型尿液檢測儀器研制創造了有利條件。筆者主要研究的內容是利用新型顏色傳感器采集試劑條上的顏色信息，再利用微處理器模塊計算出試劑塊顏色的RGB值，最后依據RGB顏色值，通過查詢相應的顏色與濃度數據庫，得出相應尿液成分的濃度值，并且對系統的誤差來源和標定方法進行了詳細討論與分析，同時給出了尿液樣本測試的結果。

1 尿液檢測原理

由化學反應原理可知，當試劑條和尿液相遇溶合后，各個試劑塊上的化學物質和尿液中的相應的生化成分發生化學反應而呈現出不同的顏色，并且當某種成分的濃度發生變化時，對應試劑塊顏色也會隨之變化，即某種成分濃度的改變與試劑塊的顏色的變化是一一對應的，所以通過檢測試劑塊顏色的變化就可以得出尿液中各種成分的濃度[1]。本系統中，我們首先利用顏色與濃度之間的對應關系得到一個顏色與濃度的數據庫，再使用顏色傳感器直接對反應區的顏色進行識別，然后對照顏色與濃度數據庫，得出尿液中生化成分的濃度。信號采集部分只需要光源和顏色傳感器，光源照射至反應區，顏色傳感器分析反射光信號，輸出顏色識別結果同時完成光電轉換。顏色傳感器輸出的方波信號無需A∕D轉換直接送入CPU處理，并打印出測試結果[3-4]。信號采集電路結構簡單，元器件較少，采用這種方法，可實現測量裝置小型化的目標。

2 系統誤差分析

試劑塊顏色深淺與尿液中各成分的濃度成比例關系，而顏色的深淺又與光的吸收和反射程度有關,只需測得光的反射率就可求得尿液中各種成分濃度。顏色傳感器測量位置、距離等因數都會對光的反射率強度造成一定程度影響，從而引入測量誤差，需要進行修正[5]。

實驗時為了保證反射光的強度能滿足測量要求，選用發光強度為16，000-18，000mcd白色LED對有色區域（25，17，170）進行顏色RGB測量，從位置、距離等相關參數分析對測量結果的影響程度，找出最佳測量參數。

2.1 光源方位對傳感器的影響

反射光入射至傳感器TCS230的角度選擇45°和60°兩種角度。實驗結果：45°測出的RGB值為（10，12，120），60°時測出的 RGB 值為（33，25，190）。實驗結果表明：45°時有一定的偏差，60°時相對比較準確。這是因為入射光角度的不同，會造成TCS230感光面接受的反射光的光強的不同，原則上應該是感光面接受的反射光的光強越大，顏色識別誤差越小。如果角度較偏的話，會造成顏色識別出的結果較黑。因此在設計光源系統時，白光LED與顏色傳感器分別位于試劑塊的兩側，與試劑塊中心位置的夾角為60°，這樣可以保證試劑塊反射的光充分進入顏色傳感器，提高測量精度。

2.2 傳感器與被測物體距離的影響

實驗時，分別在1.5cm、2.5cm、3.5cm處進行實驗，發現傳感器在2.5cm以內的測量結果比較準確。如果偏離這個范圍，測量結果偏黑色。測量距離不同，TCS230感光面接收到的光強不同，距離越遠，接受的光強越小。通過實驗可驗證，距離越遠，所識別的顏色越黑，直到全黑。這種情況下，如果遠距離測量，則可以通過加聚光器件，如凸透鏡，將反射光會聚至傳感器感光面，可以解決遠距離造成的反射光強不足的問題。但對于家用半定量尿液檢測儀器而言，該測量距離可以滿足傳感器要求。

2.3 背景光的影響

背景光對TCS230的測量影響主要表現在兩個方面：強背景光情況下會引起傳感器TCS230的飽和，在實驗中具體表現為TCS230輸出信號將不再變化。在實際檢測過程中，遇到這種強背景光的情況還是較少的，所以一般不需特別加以處理。

TCS230感光區域接收到的光信號除了被測量的光以外，一般還會有一些弱背景光如常見的日光等。那么，實際測量出的光的顏色是被測量的光和背景光混合后的顏色，如果背景光的成分較多的話，測量的準確性得不到保證。針對這種情況，檢測系統通過設計黑色框形成“暗室”來解決這個問題。

3 實驗研究

3.1 系統硬件構成

整個系統主要由顏色數據采集模塊、微處理器、液晶顯示模塊、RS232接口、JTAG接口及電源電壓轉換模塊組成，其中顏色采集模塊主要包括光源白色LED、LED驅動電路及顏色傳感器TCS230；JTAG接口，實現程序代碼下載和系統在線調試。結構框圖如圖1所示。

圖1 尿液生化檢測系統結構框圖

微處理器模塊給LED驅動電路控制信號點亮光源白色LED，白色LED照射試劑條上的試劑塊，每個試劑塊對應一個尿液測試項目，顏色傳感器TCS230接受從試劑塊反射的光信號，TCS230將光信號轉換為一系列的脈沖信號，再利用微處理器模塊計算出反射光中的RGB三分量值，即試劑塊顏色的RGB值[6]。微處理器由RGB值查詢相應的顏色與濃度數據庫，得出相應成分的濃度值，檢測結果在液晶顯示屏上顯示。儀器帶有標準9針RS232串口，可將采集的數據傳輸到家用電腦以供數據存檔、檢索或其他進一步的處理。

3.2 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化、結構化的程序設計方案，先將軟件按照不同的功能分成若干個程序模塊，再通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊聯系起來。軟件程序全部采用C語言編寫，選用調試器C-SPY調試程序。系統軟件的流程如圖2所示。

圖2 主程序及采集信號中斷子程序

系統軟件主要通過中斷處理模塊實現如下功能：系統初始化、數據采集、數據處理、串口通信、結果顯示等。如圖2所示，系統上電或復位后，MSP430首先對系統進行初始化處理，包括時鐘、I∕O口設置、外部中斷源設置、通信串口設置以及定時器初始化等；接著初始化TCS230后就進入低功耗模式等待中斷信號。當接收到中斷信號時，SCM就立即進入中斷處理模式，調用相應中斷處理程序進行操作，一旦中斷處理完畢，就立即返回到MP3模式，以便進行下一次的中斷請求處理。

3.3 標定與測試

利用實驗裝置及標準比色卡，采集比色卡上的顏色RGB數據，得到9組0～255之間的RGB值，分別對應尿比重、酸堿度、葡萄糖、銅體、蛋白質、膽紅素、尿膽原、亞硝酸鹽、血液9項測試項目，再將RGB值歸一化后與濃度值一一對應，完成標定工作[7]。在此基礎上建立顏色與濃度的數據庫。以尿比重為例，該項成分標定結果見表1。

表1 尿比重（SG）濃度與顏色RGB對應表

在尿液生化檢測實驗中，用試劑條插入尿液樣本中，1～2分鐘后，試劑條拿出并將試劑條上殘余的尿液甩干，將試劑條置于實驗臺上使用檢測裝置進行尿液分析實驗。實驗數據處理主要由軟件系統完成，測得尿液各項成分濃度值見表2。

表2 尿液測試結果

3.4 結果分析

具體分析過程如下：

利用顏色傳感器TCS230采集試劑條上的顏色RGB數據，數據經過軟件系統處理后得到9組0～255的RGB值。當處理器獲得相關的數據后先對其進行歸一化運算處理，再查詢顏色與濃度數據庫，RGB顏色值與顏色濃度數據比對利用歐式距離法進行判別，判斷出所測得的RGB值對應數據庫中哪一個RGB點，從而得出其對應的濃度值或濃度級別。同時將處理結果傳遞顯示裝置以及存儲器，為用戶提供打印服務，或其他進一步地處理。

4 結論

筆者在尿液成分濃度與試劑塊顏色對應關系的理論基礎上，討論了基于顏色實現尿液成分測量的方法，并對系統的三大誤差來源進行了分析和討論，給出了系統的標定方法，提高了系統的測量精度。實驗結果表明，該系統操作簡便，測量速度快，精度較高，在家庭醫療保健市場等領域有一定的應用前景。

[1]張洪哲，金穎妮，董楠.一種新型尿液分析儀的研制[J].分析儀器，2006（1）：9-11.

[2]程麗平.新型尿液分析儀的研制[D].濟南：山東大學，2005.

[3]張松燦，肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2005（3）：44-46.

[4]胡建民.顏色傳感器及顏色識別電路[J].單片機與嵌入式系統應用，2006，6（4）：40-41.

[5]郝衛東，陳亮，李靜.基于μc∕os-II的尿液分析儀的設計與實現[J].計數機系統應用，2008，12：92-95.

[6]楊杰，謝元媛.基于TCS230芯片顏色測量系統的研究[J].機械研究與應用，2010，23（2）：89-91.

[7]王方.基于顏色傳感器的尿液分析儀的研究與設計[D].長春：吉林大學，2014.

TP274

A

1673-2928（2018）02-0055-03

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.016

2017-12-04

安徽高校省級自然科學研究項目（KJ2017A747）；安徽機電職業技術學院自然科學研究重點項目（2016zdzr06）。

趙光藝（1972-），男，安徽蕪湖人，講師，主要從事檢測自動化方向研究。

王彥永）