Conception et réalisation d'un glucomètre à base d'arduino

Répub

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_et

popul

_aire

Ministère

de I'E'ns'eignement

_Supérieur

_{et de Ia}

_{Recherche Scientffique}

PRI)JET

_DE

_FN

_D'ETIJDE

En vue

de

I'obtention

du

Diplôme

de

MASTER AC.AI)EMIgUE

Filière

:

Electronique

Option

:

Electronique

_Des

_Systèmes

_Embarqués

%wy

CONCEPTION ET

REALISA:|ION

]D'UN

GLIUCOMETRE

UI,IIVERSITE

_{Mohanned Seddik}

_Ben

yahia

.TTJ'EL ---o(}o

Départe

me

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d'

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onique

A

BASE

D'ARDUINO

Présenté

par

: Asma

ABNOUN

Encadr,ê

par

:

Dr. Mourad GRIMES

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'

frère,

me s c frères sæurset ma

'e[ïe

_était

_{auec nous.}

et à

tous

ceu4qui

ce ffinmoxre,

Remerciments

Dédicaces

Sommaire

Liste des fugures Liste des tabelaux Liste des abreviations Introduction générale

I-Chapitre

_I

I.1. Introduction I.2.Le diabète

I.3.Les _symptomes

I.4. Les differents types du diabete

I.4.1. Diabete de

ffie1-I.4.2. Diabete de

_W"

2 I.4.3. Diabete gestationnel

I.5. Mesure de la glycémie

L5.L. Aspect médical

I.5.1. Aspect tæhnologrque

I.5.3. _{Methodes invasives}

a-Lecteur de glycémie colorimétrique

b-Lecteur de glycémie a électrodes

I.5.4.Methodes non invasives

L5.5. La _{vue future du contrôle continu de Ia gl} I.6.Les biocapteurs

I.6.L.Introduction

I.6.2.Définition et caractérisation

I.6.3.Les biocapteurs enzymatiques

I.6.4. Les biocapteurs electrochimiques

I.6.4.1,. Les capteurs potentiométriques

I.6.4.2. Les capteurs conductimétniques

I.6.4.3. Les capteurs ampérométriques

I.6.4.4.Les capteurs enzymatiques ampéromé

I. 7.Les electrodes usuelles

I.8.les enzymes

I. 9.Techniques d'immobilisation

I.l0.Biocapteurs électrochimiques de glucoser

I.11.Méthode de détectionde glucose

a-Méthode ampérométrique b-Méthode potentiométrique c-Méthode conductimétrique I.12. Conclusion

tr{hapitre

tr

tr.1. Introduction

tr.2.Conception _{du circuit du glucomètre invasif}

tr.3. Etage du capteur tr.4. Etage d'amphfication

Sommaire

5 5 5 6 6 7 7 7

I

I

I

I

8 9 9 9 9 10 11 11 13 1.3 13 14 15 76 16 17 17 L8 18 18 18 lr

iii

iv

vi

vii

'

viii

a, 20 20 2'1, 2't

Sommaire

11.4.7 Le circuit intégré TLC274

tr.4.Z.Crêation _{des sources de tension}

tr.4.3.L'ampkficateur _{trans-impédance} I.4.4.L'intégrateur tr.4.4.1.Montage _théorique n.4.4.2. _{Montage pratique} tr.S. Etage de filtrage tr.5.1. Le filtre passe-bas tr.6. Le _{microcontrôleur ATMEL} fr .7 . Le microcontrôleur ATmega32gp II.8. Affichage de glycémie

tr.9. Etage d'alimentation

tr.10. Conclusion Itr- Chapitre

Itr

Itr.l.hrtroduction

Itr.2.Partie de simulation

Itr.2.1.Proteus

W,.2.2. Le circuit électronique sous proteus

a-Lecture de La tension développée par _{le capteur}

b-Affichage du taux de glucose

m.2.3 .Partie _{réalisation pratique} Itr.2.3.1.La carte Arduino

a. Le modèle Uno

b. Principe de programmation de la carte Ar.duino c. Fiche _{technique de} la carte Arduino

m.2.3.2. _{Lecture d'une tension}

m.2.3.3. _{Conception du circuit final}

Itr.3. Mesure de la glycémie Itr.4.Conclusion Conclusion générale Références 22 22 23 24 2L 25 26 27 27 28 30 31 31" 33 33 33 33 35 36 37 37 4A 4A 40 41 4't

M

45 47

Figure I.1 Figure I.2 Figure I.3 Figure I.4 Figure I.5 Figure I.6 Figure I.7 Figure I.8 Figure II.1 Figure II.2 Figure II.3 Figure II.4 Figure II.5 Figure II.7 Figure II.8 Figure II.9 Figure II.10 Figure II.11 Figure IL13 Figure III.L Figure

III.2

Figure

III.3

Exemple d'un système

CGIvI

_g

Représentation schématique du prinLcipe _{de fonctirlrmement}

d,un

₁₀

biocapteur

Schéma du principe générald,un capteur chimique

Les _{différentes types de détection électrochimique}

schérna

du

principe

_de

fonction*ement

_des

_{trois types}

_de

biocapteurs

ampérométriclues:

(a)

_première

_{gr3nératiorç (b)}

deuxlème génération, (c) troisième g(lnération

Domaine

d'électroactivité obtenuer

en

_milieu

_aqueux

_avec différents matériaux

Représentation

_schématique

d'immobilisation des enzynrLes

Réaction chimique entre le g;lucose et le glucose oxydase

Schéma bloc du circuit du gl.ucomètre invasif Capteur de test de glycémie

Entrées sorties de I'AOP TL(ZZ4et ses brochages

Création de la tension de poJlarisation

Ampltficateur TIA

Montage thêorique de I'intég;rateur al,ec intemrpteur

Montage pratique de l'intégrateur Filtre passe-bas

Microcontrôleurs Famille ATMEL

Représentation _{du microconirôleur A tMEGA32gp} Pins du régulateur de tension LMZ805

Schéma électronique déveloprpé du ghrcomètre

schéma de simulation du glucomètre ut'lisant la carte Arduino

Schéma de simulation de lecture de tension

ders

différentes

méthodes

17

11 13 16 "1"6 17 21, 21, 72 23 % 25 26 26 28 29 30 YL 35 35 vi

Liste

des Figure

IIL4

Figure

III.5

Figure

IIL6

Figue III.7

Figure IILB Figure

III.9

Affichage du de glucose

lnterface

d'Ard

IDE

Carte AR

_uNo

36 37 38 42 42 43

M

Sprint L^ayout ion4

Cir€uitimpr:imé _sous

_Spri[t

_Layout

Circuitfinal du _{glucomètrq sur La plaque d,essai}

Figurc

IItl0

Face avantet arière du _{circlrit final du notre glucomètre}

i

des

tablpaux

Tableau tr.1

Tableau

_ltr.l

Caractéristiques

Liste

des

tablearrx

ThTg-l.r

du qricrocontrôleur:

ATmega32gp

26

de différenb

_$lucomètres

_4A

Liste

rCes

_{abréviations}

A

ADC AOP B BiFET

C

CAN CAO CE CMOS CGM E EEPROM F FPGA

G

GOx GND

t

LCD T^SB Pb

M

Mips

N

NFC

o

OMS P PH PWM PIO PIC PDIP

R

RAM RE ROM RISC RTC

s

SBGM SBI

Analog to Digital Converter Amplificateur Opération:nel

Bipolar and Field-Effect l.-ransistor

Convertisseur Analogique Numénique Conception Assistée par Ordinateur Counter Electode

Co:mplementâry _{Metal O<ide Semiconductor}

Continuous Glucose Monitoring

Electrically-Erasable Programmable _{ReadOnly N[emory} Field-Programunable Gater Array

Glucose Oxydase

Ground

Liquid Crystal Display

Least _{Significant Bit}

Plomb

Millions d'Instructions Par Seconde

Near Field Communication Organisation Mondiale de la

Potentiel Hydrogène

Pulse Width Modulation Parcùlel Lrput

Ouçut

Programmable _{Integrated Ci} Plastic Dual-In-Line Package

Random Access Memory

Reference Electrode

Read0nly Memory

Reduced Instruction Set

Real-Time Clock Sell.Blood Glucose

SRAM SPI SI\4PS

T

TIA

TQFP

U

USB USART

w

WE Static Serial Access Interface Switched. Power Amplitfier Thin _QuOd Package

Bus

Universql Universql Working;

Liste

des

abréviations

Receiver Transmitter

lntroduction

énérale

Introduction

générale

De nos jours, les systèmes de sairté intègrerrt progrès récenb dans la technologie des

biocapteurs pour que les gens ppuvent

suilre

chroniques sans l'intervention des médecins

iour.

maladies en particulier les maladies

arrtre personnel paramédical chaque

Le diabète est une des principales maladier; en Algérie. Environ L,8

million

de personnes sont _{atteintes de @tte} maladie, ture prévalence _{nationale du} diabète

établie

à

6,9o/o,

selon

les

dotrrnées du vean

rapport

2A17

_de

la

Fédération

internationale du diabète

_Ffp)Ps].

Cette tie produit une concentration sanguine

lrt

l'obtention du niveau de sucre dans

à tm

glucomètre,

afin

d'administrer

en sucre trop élevée. Un contrôlp adéquat req

le

sang

tout

au long de

la

journée, grâce

correctement la dose du médicatrent.

Afin

de contribuer au bienétre _{es personnes du diabète et aussi de réduire le budget réservé

pour

cette

maldie,

notre

réalisation

d'un

glucomètre

invpif

ut'lisant

moyens d'analyse en plein essor à la fois ra

des domaines extrêmement varifs (envi rsanté, _{agroalimentaire, ...).} Dans ce

biologique

(anticorps,

enz1u:otre,

type d'outil,

un

élément sepsible

de

microorganisme,

ADN...)

doté

_{'un

pouvoir d groupe d'analytes est associé à u{r transducteur

recoruraissance pour un analyte ou un

ser concentre sur

la

_{conception et la}

bftrcapteur. Les biocapteurs sont des séùectifr et peu cotteux applicables à

Le présent travail est composé d$ trois chapitres

Dans le premier chapitre, d'a

les méthodes qui existent pour

citera les différents biocapteurs

Dans

le

deuxième chapitre,

appareil ou glucomètre de m

circuit

d'ampli.:ticatiorç

le

ci d'affichage de résultab.

Le dernier chapitre sera réservé

notre _{glucomètre. Quelques}

Nous

terminerons

ce

mémoi

donnerons lesrésultats principa

, on donnera _{généralités sur le diabète ses}

_fires

_et

mesure del la ycémie chez un diabétique. Ensuite, on isés potu: la de la glycémie.

différenb

éléments constituant notre Ces siont le capteur ou la bandelette, le

de

filtrage,

le

r:ircuit

de

numérisation

_et

lêtage

deslogiciels et étapes de réalisation de

sonLt _{aussi présentés dans ce chapitre.}

par

une générale dans laquelle nous

T

1.

1 \

Le

qraDe

AP

et

les

IEI

br[ocapteurs

Cha

itre

I

_I"æ

_diabète

_{et les Bioca}

I.1 Introduction

Dans ce chapitre, on va définir en premier la maladie

du

diabète, ses types, ses symptômes et les méthodes de th meflue dre la ycrÉmie. En second lieu, on aborde les

biocapteurs en particulier ses

_#p"r

et ses chapitre par présenter le lien en{e hs biocal

I.2 Le diabète

Le diabète est une maladie chrqnique qui

assez d'insuline

_ou

_lorsqfre

I'org efficacementl'insuline

_qu'il

prodfrit.

I

en r

dans le sang.

Le diabète est devenu en quelqu{s années ture

millions _{de personnes dans le mônde. Selon I'r}

le

diabète est évoqué lorsque

_$

g$cémie

(

supérieure

ou

égale i{1.,26

g/!

_euand

_la

g

réabsorption

du

glucose

par

tfstubutes

glycosurie

qui

se tradtuit

par

u{re polyul observation qu'est né

le

nom d$ cette pr

signifiepasser à traverri). À ce _io*in,

l"r

causes r

toutefois, certains facteurs peuvejrt influencer I'

grossesse/certains virur; ou certainls médicaurrenl

être présents ou non aur diagnostif de la mala.die

le diabète n'est pas bien contrôlé.

L'hyperglycémie amène aux symptômes suiv,an

-

La

_{miction $'action d'urin€ir)}

fréque*te

ues de fabrication.

On

termine ce

et le diabète.

lorsque le pancréas neproduit pas

nrest

pas

capable

d'ut'liser unre concentration accrue de glucose

épidémie touchant quelque 422

ir;ation mondiale de la santé (OMS),

d.e _{sucre dans}

_le

_{sang) à}

_jeun

_est

dépasse 1,,89/1,

la

capacité de

est

outrepassée.

Ceci

induit

une

tigue. C'est consécutivement

à

cette

(diahte

vient du

grec diabetesqui

du diabète demeurent inconnueg ition du diabète : hérédité, obésité,

. _{Ik; sont le reflet d'une glycémie}

au-ielhypoglycémie). IIs peuvent

t peuvent également survenir lorsque

\,

netamment

dwantla

nuit

t1l.

(nycturie) : Le sucre en excès danf le sâng vâL I'eau de notre organismeafin _{de le}

diluer. Le volume sanguin

va

dQnc augmenter arnener àuriner fréquemment pour

éliminer ce surplus d'eeru et de sudre.

-

La soif intense (po'lydipsie): Comme Ïeau

remplacer cetteeau via la soif interfse.

Cha

itre

I

_[,e

_diabète

_{et les}

_Bioca

_urs

-

Les infections gérritales _{dru sucre sera également éliminé via}

lcrcalisés

sur

les

organes génitaux

l'urine,

il

pourra

êtreufllisé

externeset amener à des infecti

-

Fatigue, somnolerLce,

irri

apathie:

L'

de sucre dans le sang va perturber

voir

_{augmenté: Le sucre est une}

notre cerveau et amener àla et kr

-

La perte de poids malgré appétit

source importante d'tlnergie le _{cellules de notre organisme.} Comme

le

sucre ne

pleut

plus

graisses (lipides)et nos protéines pour subvernir

dit,

nolrs

devons

nous

"a

énergétiques.

-

La vision trouble: La vision trouble s' ue _lpar le fait qu'un excès de sucre va

sedéposer lentement dans les dels

et

_{ces derniersseront alors moins}

transparents.

A

ce staLde, on

le

de ca La vision trouble _{apparalt après une}

longue période d'hyperglycémie

d'un diabète non diagrrostiqué.

des mois, cles _). Souvenf elle révèle l,a présence

L'hypoglycémie, quanlt à elle, _{nerveux centralet périphérique :}

Des sudations.

Des tremblements. Une faim impérieuse.

Des battemenb rapides du

De l'anxiété _[2J.

I.4 Les différents typesr de

Il

existe trois grands tppes de diabète gestationnel.

der type 1, _{lediabète de type 2 et} le

I.41 Diabète de type 1

Le diabète de type 1., encore diabèæ _{est une maladie}

auto-immune, concerne environ L0% dia AUL cours

du

_{diabète de type}

_I,

_des

cellules du pancréas so,nt entratrant ume diminution voire une absence

totale

de

sécrétion

d'insuline

_[3

Ce

diabète do,nc résulte

de

la

disparition des

tcrtale en insuline. L'organisme ne celllules bêta sont détruites par des

cellules bêta

du

pancrréas _une

celllules, celles-ci doivent ut'liser nos

leurs besoins énergétiques.Autrement obtenirsuffisamment

_de

ressotûces

Cha

itre

I

_[,e

_diabète

_{et les Bioca}

_teurs

anticorps et des cell de

l'

unité,les I fabriquées par l'organisme). Le dans les cellules dans le sâng. Le taux de glucose

Avec une régulier de

la

glycémie

et

une

atteintes de diabète de type 1

peuvent mener une vie

I.L2Diabète de type:2

Le

diabète de type 2 qui bÈs longtemps silencieuse pouvant évoluer pendant des provoqrrer manifestation. La majorité des diabétiques de

type

2 aucune perndant de nombreuses années. Le

ne permet de repérer le diabète avant sournoisement. 50% des diabétiques diabète de type 2 ne se ucun swn

I'apparition d.es

diagnostiqués en tant tels dex; plir:ations _[3].

Le traitement dépend d stade diabète. un premier temps, mesures diététiques (manger équilibré) et ysique l\dais

si

ces mesures ne sont plus

suffisantes, des iabétiquer; €ls!tocles

I.4.3 Diabète

Le diabète gestati glucose ne pouvant

dans le sang s'élève

alimentation et un partirdu deuxième

et

l.'enfant

à

des

grossesse

ou

de [.SMesure de la gl Une personne d'une hyperglycémie. mesurer régulièremenrt différentsfacteurs ( maladie .Le dia et

il

qui touche les femmes enceintes à gestationnel peut exposer la mère

des complications

lors de

la

également

au

risque

de la mère par l'enJ:ant la suite de cette grossesse _[3].

pas les

effeb

d'une hypoglycémie ou

assurer le bon du diabète, il est nécessaire de

chaque

jour

sous

Ïinfluence

de

stress,

...),

il

se surveille de deux

car

ité

aspects:

Cha

itre

I

_Le

_diabète

_{et les Bioca}

_urs

L5.lAspect médical

La glycémie est le taux de dans le sang Au cours de la

_lo**eq,

sa valeur varie en fonction des appo:rts et des

ajustée par I'action d'hormones

I.5.2 Aspect technolog,ique

ues de

l'individu

_{[4]. La g$cémie} est

par: d cellules du pancréas.

La mesure de la glycémie _{technologiques, ces deux méthodes} conduit principalement à une de la glycémie ceci sert à contrôler et

ies)

et à

adapter

le

traitement d'un

un aliment, d'une pratique sportive ou d'une activité physique sur La gl1çCmie.

I.s.3Méthodes invasives

Ce sont des méthoderi appelées mrÉthodes SBGM(Self Blood Glucose

glycémie)[5], dont

la

mesure de Ia

Monitoring

en françeris

:

a

g$cémie s'effectue

par

un

di

appelé LICOMETRE,

qui

est

un

appareil

portable permet de déterminer taux de la ycé:mie a

partir

d'une goute de sang déposée sur des bandelettes

_i

existe ieurs types des glucomètres basés sur des principes différents, citant exemple::

a) Lecteur de glycémft:

Le

fonctionnement

de

ce

sur

le

_changement

_de

_couleur

de

glucose dans

est

proportionnelle

à la

quantité capteur utilisé dans ce type de

le

r;ang présent

sur

La bandelette.Le

capteur de lumière pour directement mesurer Ïintensité de la lumière bleue _{réfléchie et tme aiguitle analogique affichait la}

quantité de glucose

b) Lecteur de glycémie à

Le principe de ce lecteur est é iqu.el, Ie est déposé sur une électrode qui

est introduite dans le lecteur et _{réaction électrochimique qui génère}

glucose correspondante.Ces lecteurs

bandelette colorimétrique.

I.5.4 Méthodes non invasives

i déclenche

itre

I

L,e

diabète et

les Bioca

urs

Appelées aussi méthodes CGM[5]spnt des r:onstitues d'un capteur sous-cutanÇ d'un

de glucose recueillies toutes les quelques

émetteur et d'un récepteqr qui affiche les mesures

minutes.Ces méthodes _{pefmettent 4ux diabéticpes} ne pas piquer plusieurs fois par jours, à

laide d'une électrode insértée daos

₄

peau qui le tiaux de glucose dans Ïinterstitiel.

Figure I.1 _f Exemple

d'un

ystàme CGMI5]

I.5.5La vue firture du cqntrôle cqntinu de la gl

Les solutions à plus long terme pour la continue de la glycémie, n'existent pÉrs encore mais sont en cours de

t,

font

appel

à

des bio-implants de

longue durée. Ces systèmes prQmettent à utilisateurs d'alléger le fardeau de la

exligent une intervention chirurgicale

d'ur

an à plus de cinq ans, selon le surveillance de la g$cémie, mais par contre,

mineure

pour

implanten le cappur,

qui

d

produit choisi _[6].

I.6 Les biocapteurs

I.6.1" Introduction

Le terme < _biocapteurs ), représe+te la fusion de eu:c des plus importantes technologies

de ce siècle: félectronique et lal . Leur association permet des d.osages

lbiocapteurs, développes au début des

pennettant le dosage du glucose dans

rapides, sensibles et spécifiquesfl7].Les

années 1960, sont des électrodeq eneymatiques une solution biologique.

Dans ces dernières années, les _liocapteurs ont un développement considérable en raison de leurs nornhreuses applications que ce soit dans les domaines

médical, agro-alimentaûe ou coritrôle de

l'

Ils peuvent ainsi devenir des

outils complémentaires et appor{er des av comme la mesure in-situ et continue, par rapport aux techniqpes class{ques d' diqponibles en laboratoire _[8].

ue le bioca dans un - Eûâyfaâs " &crqor0rtiso€s " Irnm$n0.80sn15 . Tlsrul dgsfiâio$ - Cnâ4ofôcôplrure élôclrr(firfilqlr ,ISF€Ï . _{Ttrg{tîtislsûcs} " Fibrê opll$Æ Ptêroêleclr$se

Cha

itre

I

L6,2Dêfinition et

On peut considérer, en généraf biologique appelé BIOR$CE

mode de détection, afin d'

électrique

_[{.

La

Figure

I.2

présente le

d'obtenir, à partir de l'eqpèce à

utile à son évaluation. Qette

utilisation ultérieure. A

ilf lu

a

il

tao

_o

+*-*>l

Milieu I 6rhantlllon Figure I.2: ËiorPceptour

Le biorécepteur constitue 1le

détecter grâce

à

son sitp

reconnaissance moléc urla ife,

Cette modificatioru très

généralement par

Ïinter4édiaire

en un

produit

détectable par le

Cependant

parfoÇ

pour _ides

r

de stabili environnement iniûal, et C'est La cellule ou

immobilisée au niveau

du

Le

transducteur représepte

l'

élément

Le

diabète

et les Bioca

est la combinaison d'un composant qui représente en fait en

du phénomène biologique en signal

d'un

biocapteur permettant milieu échantillon, toute l'information

trajtée, enregistrég stockée pour une

Trsneduclelr schématique biocapterur _I 1ll rlt ,----71 --'-...-tt tlt $igtlrl Informatlon

princrpe de fonctionnement d'un

maillon du : il sert à identifier l'espèce à

Le

biorécepteur assnre ainsi la ou non à Ia

de

l'espèce

ion de l'espèce à mesurer.

présente dans Ïéchantilloru

se

fait

'une enzyme

i

_{mobilisée qui transforme ce substrat}

ucteur: c' k: cas des capteurs en4rmatiques.

Ierzyme doit

être utilisée dans son

microorganisme tout entier qui sera

birocapteur.

Il

sert

à

exploiter la

pour

la

transformer en

modification biochimiquç du

at par

me biorécepteur

Chapitre

I

_.Le

_diabète

_{et les Bioca}

signal électrique- Dans

le

sens général,

_{on peut dire}

_que

_le

_{transducteur assure la}

cOnversion

_{d'un tylte}

_{d'énergie dans uur au{re. Suivant 1e}

_{type de}

modification biochimique, on choisira le type de transducteu:r approprié pour exploiter au mieux le travail assure par le triorécepteur et obtenir un signal sensible, _{facilement exploitable et}

avec un minimum de bnuit de fond. Un failble bruit de fond au niveau du transductew

assurera

un

_seuil

_de

_détection

_plus

_bas

_r:t

_améIiorera

_les

_performances

du biocapteur[10].

I.6.3 Les biocapteurs enzymatiques

Un

capteur enzymatique peut être considérré conorne la combinaison de

tout

type de

transductelu avec une

fine

couche enzlnrratiqure _destinée,

_en

_gênêral,

_à

_{mesurer la}

concentration

_d'un

_substrat.

_La

_{réaction enz5nnalique assure}

_la

_{transformation du}

substrat en produit de réaction détectable p;rr le transducteur.

L6.4 les _{biocapteurs électrochimiques}

Un

capteur

chimique

(Figure

_{I.3) est}

_un

_dispositif

_simple

_qui

_{transforme une}

information _{chimique (nature et} concentrerltion _ct'une espèce _{spécifique) en}

_un

_signat

facilement _{exploitable pour l'analyse[ I} 1].

/'#@*

;"1

[raRsrjucteur

Ana

lysfur

;:i . qi-rbr,'idtâ Vo&ùtrcn de FN Ysri$tion de rngsse O*gogemcn:' de tbalear

Figure I.3 : Schéma du principe gérréral rd'un capteur chimique _[l

l].

un

capteur est constitué de trois unités foncijonne.[es de base :

o

LIn

système récepteun

qui

est généralernent

une

couche sélective pennettant la

reconnaissance de l'espèce avec laquelle eller interagit. _{Cette couche réceptrice peut être}

composée

de

différerrte

types

de

réceplBurs: m.olécules synthétiques, enzymes,

anticorps, cellules, etc.

*)fr

;-f

_*g

*u* )

)&

li

.

_llrt*wn

i

.

_ltnrrme

i

.

lAntt$r*Bc i

'

_ldst{

i

:l**

,

"L---.i

)D-)D

a

s*

}}-Cha

itre

I

_Le

_diabète

_{et les Bioca}

_teurs

r

Un système _{bansducteur hansformant chimique en un signal électrique.}

La

transduction

peut

être

reliée

à

des phrlnomènes

de

_nature

_différente:

piézoélectrique, _{optique, thermique ou irque.}

r

Un système analyseur qui transforme ( amplification) le _{signal obtenu du}

transducteur en un signal exploitable

parl,

Les principaux avantages des capteurs sont: leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faitrle

_fott

(achat et entretien), leur temps de

réponse relativement court (inférieur

_à

1li

_).

Tous ces avantages en

font

des

instruments idéaux pour les mesures sur sitle et

{e co.ntrôle de procédés en ligne.

Les performÉrnces des capteurs sont car pal les paramètres suivants :

e

La sensibilité :paramètre exprimant la veiriation du signal d.e _{sortie d'un appareil de} mesure en fonction de la variation du signaLl d'errtrére. On considère généralement qu'il

s'agit de la pente de la droite d'étalonnage eu;sociée,

r

La

limite

de détectioo

o

La sélectivité:aptitude _{d'un appareil de mesure ià détecter une espèce au détriment} d'autres présentes,

o

La

sensibilité vis-à-vis

des

interfére:nLts :aptitrrde

d'un

appareil

de

mesure à

conserver une intensité de signal d'une espÈre même en présence d'autres espèces _[13]. Dans le cas des capteurs électrochimiques, le rér:epteur est l'électrode de travail et le

potentiostat _{joue à}

la

fois

le rôle

de tranrxlucteur

et

d'analyseur. Le stgttal exploité correspond donc aux processus _{électrochirniques de l'analyte}

_qui

_{se produisent à la} surface de l'électrode.

Ces capteurs sont particulièrement intéressamts e.n r,aison de leur sensibilité élevée, de

leur

sélectivit4 de leur simplicité de mise pn Gl.rvr'€ (pas de main-d'æuwe qualifiée

nécessaire comparée aux techniques de latnratoire précédemment citées)

et

de leur

faible

cott.

L'électrochimie

_offre

_{en effet rles p,ersipectives intéressantes quant}

_à

_la

miniaturisation

et à

l'industrialisation

à

faible r:otLt

de

capteurs simples, fiables et robustes.

Afin

d'accéder à des niveaux de sensibiï.té r:omparables à ceux atteints par les

techniques de laboratoire, de nombreuses rercherches pour l'amélioration des capteurs

électrochimiques sont en cours. Ces capteurs électrochimiques se répartissent en trois

types.

itre

I

permet

de

limiter

les

électrodes. La mesure,

t,.*

_M

n-e

diabète

_{et les Bioca}

_teurs

A&rparôtratrls &*fu.t {* a|'çrr*s rtrtint tr{éd htsd a. ni*r+n .lf Fâtïrttd dc r#*r{r* Con**aim&rl* Ll{tr,il{fir d'lor:r ta*l}litrra

Figure I.4 : _{types de détection électrochimique[} I 4].

L6.4.7 Les capteurs

Dans

le

cas de ce de capteurs électrochimiç1ues,

un

équiribre local s,établit à Iinterface é _{Çt l'infonnation sur ,la concentration de récJrantillon en} analyte est obtenue à _{de fa différenr:e de potentiel mesurée entre lélectrode de}

travail

(récepteur) et T

couramment utilisé est

ufilisé pour la détection

de référence.

_Le

_{dispositif potentiométrique}

_le

_plw

l'électrofle de

pH.

Ce type de capteurs

a

également déià été

Néanmoins, sans sur la nature de

I

préalable, le

silpal

ne donne aucune infonnation

seule la concentration sera _{Fccessible sans distinction des espèces [1S].}

I"6.4.2. Les capteurs uctiméffiques

Pour la mise en æuvre ces cappeurs, _{on irnpose une tension ou un courant alternatif a}

deux électrdes dans

la

cellule de mesu-re;

l'emploi

de courant arternatif

micropolluants rnétalliques.

analyséq et dans _{l'éventualité d'un mélange de micropolluants,}

dues

à

la

polarisation

qui

résulte des réactions aux

de l'i4tensité du couran! la tension étânt imposée, soit de la tensiorç lorsque

l'

est _imposée, permet

de

déterminer

la

résistance

ou

la conductance du milieu

I.6.4.3 Les capteuns

Le fonctionnement de capteu{s fait appel au passage d'un courant dans le circuit de

différençe de potentiel _{est appliquée entre deux électrodes,} mesure;

polrr

celia, une

généralement une _{méta[ique et une électrode de référence; la concentration} de l'espèce étudiée est

électrodes.

à _{l'intensité du courant qui circule entre les deux}

Cha

itre

I

_Le

_diabète

_{et les Bioca}

_urs

L'ampérométrie est technique

qui

repose sur

ta

_{détermination de rintensité du}

courant

qui

ffaverse cellule _{élecilochimique dans des conditions déterminées:}

I'intensité

de ce

cour

_{est fonction}

nLotammerrt

de

la

concentration

_des

_corps

imppsé. Dans des conditions précises,

_il

est possible, après

la _{cencentration de certains co{ps présents à}

_partir

_{de la}

éIéctroactifs et du étalonnage, de

mesure de fintensité.

Dans la plupart des cas,lon effectue une oxydation o'u une réduction d'une espèce à une électrode indicatrice,

h

{econde Qlectrode élirnt en général une électrode de référence.

Si on applique à

Ïélectrfe

_{indicptrice un potentiel (E) variable par rapport à l,électrode}

de référence, et que l'onl la qourbe de polarisation

i=flï),la

valeur i du palier limite

de

diffusion

est

à la

_{concentration}

_du

_{corps oxydé}

_ou

_réduit

_à

ïélectrode indicatrice.

Depuis

que

Faraday,

électrochimiques dans

et

autres

ont

démontré l'existence

_de

processus

systègres biologiques, la recherche _{actuelle a pour objectif}

d'aider

à

mieux

les

réactions

les

plus

importantes

de

la

régulation biologrque, étant donnélgue le _{Sansfert électronique} se réalise de plusieurs manières

dans le domaine _t4l.

I.6.4.4Les capteure _{amp,éroméûriques}

Cette technique com la spécflficité de l'enzyme pour un substrat naturel avec les

sélectivç ampéromLrltrique. avantages de la

Dans le cas des enzyma,tiques ampérométriques,

il

est absolument nécessaire

que l'enzyme

i

consoqrme ou produise une pièce électroactive au cours de la

réaction

enzymatique.

L'intensité

du

ccmrant enregistrée

est

ainsi

directement dépendante de la tion d'un substrat cible qui est consommé dans l,épaisseur

de

la

couche enzvmati Une nécessité :fondamentale

pour

le électrodes enzymatiques est un transfert élec

centre de réaction

Les biocapteurs peuvent être classés en

première correspond

directement oxydée ou

dorrt llespèce enzymatiq

Pour les biocapteurs de catégorie,la dêtecùion s'effectue à travers I'orydation

rédox

qui

interagit

avæ

l'espèce

t4

des

ou la

réduction

d

Cha

itre

I

_L,e

_diabète

_{et les}

_Biocapteurs

enzymatiquementgénérfe ou régénère lia forrne ,active d'un groupe prosthétique de

I'mzyme

Ce principe

_peme!

substrat.

exempJle, d',abaisser

le

potentiel de détection du

En-fin,

pour

les

biocapteurs _{troisième catégorie, l'enz5nne est}

de

composés conducteurs

afin

de

directement connectée

_ià

l'

_au

_rnoyen

simplifier le transfert (Figure I.5;).

Figure I.5 :

fthfma

du

biocapteursampéroméfiques : a) premièr'e génératio& (b)

I.7 Les électrodes usuellçs

En fonction de l'applica{on et de l'espèce redox à dorser, les électrodes _{utilisées doivent} posséder des propriétés

_{e

cond ion électronique élevées, avoir une bonne résistance

mécanique et être t. Les électrodr:s de travail sont élaborées à

paftir

de

matériaux

sélectionlnés en

de fonctionnement des trois types de

deuxième génératiorç (c)

d'électroactivité, des

fonction

de leur

robustesse,

de leur

domaine analytiques rer:herchées, de la justesse _{des mesures}

et de la fiabilité souhaitéqs.

Parmi les critères de choilc des m d'électrodes,, le domaine d'électroactivité

c'est-à-dire

la

fenêtre de potgrrtiels

ciblée

peut

être observ{e est

Laquell.e

la

réduction

ou

I'oxydation de l'espèce

réduction des protons fi4e la

li

caractéristique irnportante.

En milieu

aqueux, la

vers les poterrtiels négatifs (domaine cathodique).

L'oxydation de I'eau ou

_{u

d'électrode limite la fenêtre de potentiels vers les

potentiels positifs (dom{ine ique). Les donrraines d'électroactivité

de

différents

matériaux d'électrode ailhsi que

présentés dans la Figure If6.

les potentjiels standards

de

quelques métaux sont

Cha

itre

I

Figure I.6:

L8 Les eruzymes

Les enz5nnes sont des

aminés. Elles jouent un

au sein des cellules.

adaptées

à

la d'augmenter La vitesse t3l. I.9Techniques d'immo l/association du Ia fonctionnalisation de Le procédé d' permettre la

bonne sensibilité et

d'

accessr

r

La fonctionnalisation

utr

composant. Des trai qur

surface du dispositif.

o

Dans une optique de

doivent être transposab

o

Pour un usage Épêtê,

o

Toutes

ces

Le

diabète

et

Ies

Bioca

Cd

Fb Ëu 4.r sg ill: *"|'-...--r.-.*à.--*"rt--.-*.*.- -*'-_..-i$iii#a;j*tir,g$filÉFi#t;l;,ff ii,,-.t;*eË#,r*i r;:l;*;; ;

,ffiw'wm

o t {v/A*/*q(l}

olbtenuel en milieu aqueux avec différenb

matériarux _[n6].

globulaires cqmposées

d'un

nombre élevé d'acides

important danS la catalyse des réactions se déroulant

fondarnentales et leurs spécificités les rendent bien

biocapteurs

sélectift.

Les

enzymes

sont

capables

ioniusqu"à

dq

millions de fois sans être consommées

et du ansducterrr estlune étape délicate et les contraintes de

nombrelues (Figwe I.7).

de l'élément rsendible

doit

être

non

dénaturant

et

doit

de sa la gprantie d'une bonne stabilité et d'une

doit

êFe compatible avec les matériaux du

êtbre npcessaires ne d"oivent pas dégrader la

industrielle, les procédés d'immobilisation choisis

simple et peu cotteuse, à grande échelle. de la. surfarce active doit être possible.

lar

gaprme

des

possibilités

d'association ËË

Ëg

très

transducteur/ récepteur.

Cha

itre

I

€îiyfra. rn.tut* dâdi fr rdrôre

,t-"----.-(C)

Gcà@6;y

-t

---En:ym.3..1ên!6r dâE !ûê nùrG crcùf€

Figure I.7 : Représentadon

L'immobilisation physique se Blodgett (LB) et

l'

réticulation et la co-réticulation)

I.1 _{0Biocapteurs électrochi de glucorse}

La détection électrochinrrique de

l'enzyme glucose oxydase GOx. avec le glucose pour forurer de I.8et représenté par la réaction GOx

Glucose+Oz

Le

diabète et

les Bioca

_teurs

LËûoû chimiqu?

des diffé:rentes méthodes d'immobilisation des

enz.ymes

par L'inclusion ouL piégeage, _{L'adsorptiorç Langmuir}

chimiquer par les rméthodes de couplage covalen! La

Rétaûtroq pttyrtoug

n.

llG

llc

L*i

c

[-J*

tt

lls

lrs

L-Jiç

fù(tlron covrlctit lul t|rptt.l

concentration de _{tr;lucose est basée} sur I'utilisation de

des crtnditions normales, I'enzyme (GOx) s'oxyde acide glucrnique, ce processlrs est illustré à la Figure

zlcirl +HzOz

(r.1)

pour

I'oxydation de

L'enz5nne glucose oxydase (

)

agit

co:mme

un

catalyseur

glucose, il n'est pas consCImmé la réaction.

GOx

Gluconic

ï::

o:

[ox.l

Figure I.8 :Réaction ue entrer le glrncc,se et le glucose oxydase

I.11 Méthodes de détectipn de gl

fn"c

I

V

Hzo:

,a^w À

Il

existe trois méthodes de la de la rconcentration du glucose :

a)Méthode

Cette méthode consiste

d'oxygène consommée réaction. b)Méthode

Cette

méthode changement de niveau c) MéThodecond

Elle consisa" tr .1"liser

résistance électrique à

Læs biocapteurs de

auxespèces biologiques démontre une réponse

limite les

avantages

ampérométriques de glucose car

ils

génèrent

concentration de

I.L2 Conclusion

Dans ce premier cha

du

diabète et la

Ensuitg

_on

_a

exposé

g$cémie.Enfin, on a

les glucomètres.

Le

diabète

et les Bioca

un capteun

*FÉto*étrique

pour mefluer la quantité mesurer .[e pproxyde d'hydrogène

produit

dans la

un

c,apteur potentiométrique

_pour

_{détecter le}

par la prodqction d'acide gluconique.

conductinnétrique pour détecter le changement de la

réaction.

et

conductométriques sont sensibles

aussi la des capteurs potentiométriques

pour

la

concentration de glucose, qui

de

ses

Par

_contre

les

_biocapteurs largement pour détecter La concentration de

électrique est linéairement proportionnel à la

Fsl.

pH ca

Elém

_{u gluc}

EII

Cha

itre II

II.L Introduction

Elément du

ucomètre

invasif

est _{la illesrue capillaire qui fait l'exûaction du taux}

il

faut rrn dispositif de mesure qui va nous donner

de rtisultats.

irrvasif

la numérisation afin d'obtenir le taux de glucose qui

pour I'affichage sur écran LCD. Le sixième étage de glucose et pe:nnet l'autosurveillance.

est La réalisation pratique

_d'un

_glucomètre invasif

de

glucose

à trois

électrodes disponibles en

Algérie.

va

exposc:rr _{les différents éléments constituant notre} appareil, à savoir, l'étagf de _;Yêtage, d'ampli:fication; l1étage de filtrage

_;l'êtage

de numérisation; et l'ét{ge d'

I I

une valeur indicatrice sdr le tat

I

L'objectif principal de _inon tr,

I

standard avec

la

plupdrt

des

I

II.2 Conception du circqit du gh

Le glucomètre qu'on va

[eafiser t c'est le capteur ampéro+étrique.

I

pour l'acquisitioru le trai[ement

I

sera transmis vers le cinfiuième

I

constitue le bloc d'alimerlrtions.

I

à La basr: d'un capteur électrochimique, précisément

Ce capteur fait appel au passage _{d'un courant} dans le

circuit de mesure

il

est clans le chapitre précédant.

A

cet effet, une

différence de potentiel entre ct,eux électrodes; la concentration de glucose

est proportionnelle à

l'

courant <pi circule entre les deux électrodes.

Le circuit électronique dp notre erst composé de six étages. Le premier étage

est un capteur ampéroriétrique

_ui

est uner bandelette à trois électrodes. Le deuxième

êtage, est un ampli opér sorr rôle est de convertir la grandeur courant

en tensiorç ensuite cett$ tensi est filtrér:

et

amplifiée dans

le

troisième étage.

Ia

tension obtenue est une e:nLtrée

du

microcontrôleur <ATMEGA328P"

Cha

itre II

_{Elément du}

_ucomètre

invasif

Figure tr,1 :

II.3 Etage du capteur

bloc du circuit drr glucomètre invasif

Le biocapteur est composé de

carbone,

et

de nanoparrticules

chargée de détecter le glucose.

Le

capteur

utilisé

dans notre

de graphène,

un

cristal constitué d'atome de

platine s;ur _{lesqtrels I'enzyme glucose oxydase est}

est courposé

de trois

électrodes, l'électrode de travail(I{trE), Iélectrode _de (RE), et une contre électrode (CE).

Lorsque le sang est déposé sur

le

capteur; I'enzSnne

_va

_{permettre de transformer le}

glucose

en

peroxyde,

ce

qui

proportionnel à la concentration

générer

un

signal

sur

l'électrode,

ce signal

est

glucose clans le sang.

II.4Etage d'amplification

Cet étage est

un

amplificateur

électrique présente à ses entrées.

opérations mathématiques

d'implémenter facilement les

tr.2 : Capterun de test de glycémie

ue

qui

amplifie une différence de potentiel

les AOP ont été conçus pour effectuer des

les

calcrrlateurs analogiques

:

ils

permettaient ations mirthématicpes de base comme I'addition, la

ation

rgt _d'autres.

_Par

_la

_suite,

_{I'amplificateur} soustraction, I'intégrationr, la

Cha

itre II

_lBld:ment

_du

_ucomètre

_invasif

opérationnel

est

ut'lisé dans d'autres applications comme

_la

commande de moteurs/ la régulation de les sourcgs cle courants ou encore les oscillateurs.

Physiquement,

un

am _{opératiornnel est constitué}

_de

_transistors,

_de

_tubes

uels autre$ comrposants amplificateurs. On

le

trouve électroniques

ou

de n'importe

communément sous la forme de intégpér

II.4.1 Le circuit intégré TLC274

Afin d'effectuer les tâches sui tes : amplificatiorç conversion en tension et filtrage, on

a

utilisé

le

circuit

intégré

4

qui

ùntègre quatre amplificateurs opérationnels

comme illustré dans la figure

lOUT ltN-'llH+ voo 2lN+ a{-20UT

Figure tr.3 : Entrées de I['A,OP TLC274 et ses brochages

L'amplificateur opérationnel _{4 combine une large gamme de} grades de tension

de décalage d'entrée avÊc une dérive de tension de décalage,impédance d'entrée

élevéefaible

b*it

et des vitesses

Les

applications

générales

de r:ellles ders dispositifs BiFET à usage gênêral.

que

I'interface

transducteur,

les

calculs

analogiquetblocs d' _,filtres aclifS,,et .[e tampon de signal sont facilement

conçus

avec

le

TLC274.Ce

t

_{pirésente également}

un

_{fonctionnement à}

alimentation unique à basse qui Le rend idriale pour les applications à piles et

aussi la plage de tension d'entrfu mode commun irrclut le rail négatif _[17].

II.4.2 Création des sources de

Dans cet étage, on a crééune de polau:isation, cette tension est nécéssaire pour le fonctionnement

du

capteur de

chimique comme dans notre

ie, ,et _elle esit spécifique

pour

chaque espèce

potentiometre à la broche posi

est

envirron

de

400mv.Pour cela

on

a lié

un de l'amplificateuLr opérationnel afin d'obtenir une

tension de

2.1V

et la broche ive est Iiée àL I'tlléctrode de référence

du

capteur

4our

'".

jlf-l!-* .*

4tN- _'*- !Ll;--], ;i;. a- -et --/fs ztt'

C'o

ï'.

_"";a+i

*

1N+ _{;;- "4-->'L *}

1Ï;,

--

="?:1Ïi

::: rvu | |

à-t-comme le montre la figule

Cha

itre II

_Iilément

_du

_ucomètre

_invasif

-5\.'

Êlcctod: de rifêrmcc I

çûaitr" ÉLctrod!

ElcffidêdrrieteÏ

Figure tr.4: tion de lla tesion de polarisation

nce

II.4.3 L'amplificateur trans-im

Un

amplificateur trans-im

(nA)

esit un convertisseur couralnt-tensiorç le plus souvent

mis en

æuvre

à

I'aide

d'un

amprlificateur opérationnel. t,es convertisseurs

courant-tension sont utillisés des capthturs dorrt

la

réponse en courant est plus linéaire que la réponse en tension

Dans sa forme

la

plus simple,

TIA

a _iuLste une résistance de r(raction de grande valeur, R. Le gain de I'

kO. Mais, dans notre circuit com

en parallèle avec cette résistance

réponse du TIA.

est rég.lri par cette résistance et a une valeur de 10

le monlf:e la l;igure

tr.t

il

_]

â ung capacité de 10n-f Cette capercité a le rôle d'améliore:r la stabilité de la

T6si6tÈotldidEdl.ru

tr.S : Amplificateur TIA

Cha

itre II

_{ElÉment du}

_glucomètre

invasif

différenh:s d'ampli:ficateurs _{TIA, chac'ne adaptée à}

factetm _{qu'ils ont tous en commun est I'obligation}

niveau

d'un

capteur en tension.

[e

gain,

la

bande passante, _{ainsi eue les}

lr

types de capteurs, nécels

de couramt

et

de tensiorL changent avec différenb

ccxnfigurations _{d'amplificateurs TIA [1SJ.}

II.L4 L'intégrateur

Un montage intégrateu{ est un tage qtd a pour _{signal de sortie I'intégrale de son}

signal d'entrée.

II.4.4.1 _{Montage théoriqire}

I

On

considère

le

montaSe de

I

inverseuse donne:

Figure tr.r6.

La

loi

des næuds appliquée

à

Ïentrée

(II.1)

il"-il-

+rd(u"-u-)

_O

Rdt

En régime linéaire u-=0

{onc

l'

(tr.1") sera: ou,

='"

dt

RC (rr.2)

{

I Figure tr.6: lv{ontage I I I I

Comme le montage précpdant une irùbégratiorL _{on va ajouter un intermpteur en}

parallèle avec

la

capacifé qui

de

la

décharger comme

le

montre

la

figure

l

der l'intégrateur

suivante:

Cha

itre II

{

Figure tr.7: I{ontage I i I

Ce montage dérive vers

fa

tension ileest nulle, donc

_ll'i

I

ceci rend le montage pr(cedant

I

un autre

montage.

i

II^4.L2 Montage

pratiqul

On remplace Tintermptelo

p*

Elément du

ucomètre

invasif

ue de Ïintégrateur avec intermpteur.

dès qtrre

ïon

_{appuie sur llintemrpteur même si la}

se fait sur

loffset

et des courants de polarisatiorç

en pratique. Ce qui nous oblige de réaliser

résistancel

K,la

nouvelle équation différentielle est:

(tr.3)

ue de ptiriode

1,

(tr.4)

le

signal

de

sortie

a'en

régime

(tr.5)

(tr.6)

ion prop,ortionnelle au courant stable, on a utilisé le

l

u"-u-

+rd(u,-u-)

*r,lu-

=o

Rdtf'

En régime linéaire u-=0,

llêq

dur,

us

_{_u,}

ù

R'C

RC

Pour

un

signal d'entré$

permanent avec <u.>=0 : j

Si T>>R'C: R' u" =

u"î

Si T<<R'C: 1n u^

_"

=L

lu^dt RCJ "

Afin

d'obtenir une valeu{ de la

montage suivant dont le _femps

I I I I I

stabilité dur système est donnêpæ T=RC.

Cha

itre

II

_{Elément du}

_ucomètre

_invasif

pratique de f intégrateur

Après cet intervalle de prend La trnsion de sortie et on la transmit vers

Ïunité

de numérisation et de

II.SEtage de filtrage

Le filtrage est l'une des les plus trtilisées dans les systèmes électroniques,

il

permet d'extraire une ie du signal enrr,oyé à

prutir

des circuits électroniques qui

sont utiles à modifier spectre fréquenrce, et/ou sa phase.

Il

existe plusieurs types les plus connus sont:

-

Filtre passe-bas;

-

Filtre passe-haut;

-

Filtre coupe-bande;

-

Filtre passe-bande.

filtres sui'v'ant la bande passante de ces derniers, dont

Dans notre

circuit l'

et la sorr:tie 7 de llampli.tficateur sont liés à un filtre

passe-bas comme le (iND {;ND 1el. T6i@trgtrdioætraé cot'@ tr.9 : Filhe passe-bas

I I I t

thætt*It

_---

Elément

du gllu,comètre

invasif

il.5.1 Le

filtre

passe-bas

Il ne laisse passer que les fréquences audessous de sa fréquence dle r:oupure.

Il

pourrait également être appelé filtre coupe-haut. L,e fiItrer pesse-bas est

I'irlerse

du filtre

passe-haut et ces deux filtres combinés forment un filtre passe-bande.

Le concept de

filtre

passe-bas _{est une traruf.orrnation mathématiqrre appliquée à des}

données

(un

signal).

L'implémentato:nL

d'r,m

filtre

passe-bas

peut

se

_faire numériquement

ou

avec des composants élect'oruiques. Cette t'anrsformation

a

pour fonction d'atténuer les fréquences supérierrres à sa .Éréquence de coupure et ce, dans le

but de conserver uniquement les basses fréquences. La fréquence de coupure du filtre

est la fréquence séparant les deux modes rC.e fonctionnement _{idéa.ur; du}

filtre

_{: passant}

ou bloquant.

II.6 Le microcontrôleur ATMEL

Un microcontrôleur est un microprocesserff auguel on a intégré Jes périphériques tels

que

la

RAM,

la

ROM et les entrées-sortiers

dars

Ie même circuit.

Il

existe plusieurs

fabricants des Microcontrôleurs :

Microchip : PIC; familles 12Cxxx,1,6Cxxx, tlr6Fxxr;

lllFxxr

_...

Atnrel AT; familles ATBgSxxxx, AT90xxxx, ...

Philips: P89C51RD2BPN

Motorola: famille 68HCxxx,

Le

grand avantage

de

cette logique progrÉLmmation est que

la

nnodification d'une

fonction ou d'une #lche ne nécessite pas dr: câblage supplémentaire, mais uniquement

un

nouveau programme

à

loger

en

mérm.oirre.

Dans

notre

c:ils,

on

a

utilisé

le

microcontrôleur

AMEGA

du

constructeur

A'[MEL.

Ils

sont

nnicrocontrôleursen

technologie CMOS à

I

bits AVR basés sur I'architecture RISC. ITTMEGA réalise des

opérations s'approchant de 1 MIPS par N,4FIZ, et

il

permet de réatiser _{des systèmes à}

faible consommation électrique et simple au. niveau électronique.

çbælgg!_

Etément

du

glurromètre

_invasif

.---Figure tr.10 :Microcorrhôleurs Famille ATMEL _t201.

L'AVR est le terme utiUsé par Aturel pour désigner le cæur du processeur et la famille

de microcontrôleurs qui le mettent en æuvre.Le r:æur AVR possède les caractéristiques

suivantes:

.

Architecture Harvard 8 bits RISC,32 registres de calcul divisés en 2 sous-ensembles,

jeu de 90 à 135 instructiens.

o

Le cæur AVR a été optimisé pour exécuter clu code produit par u.n compilateur C.

o

Le cæur AVR possèdp 3 pointeurs 16 bits X,

y

et

o

Les périphériques

sont

accessibles dans

un

esipace d'adressag;e placé entre les

registres et la SRAM.

o

Les branchements sont nombreux.

o

Les composanb

AVR

possèdent

en

moyerure

une

quinzaine rd'intermptions de

priorité fixe.

o

Les

microcontrôleur$

AVR

embarquenLt dans

un

même

boltier

un

cæur

AVR (micropræesseur)/

de

la

mémoire

flash

(espace programme),

de

la

SRAM (espace

données), de I'EEPROMT(espace données desauvergarde) et des périphériques divers.

La famille des microcoqtrôleurs AVR se cc,urposre de 5 groupes principaux, qui sont :

TinyAVRs, MegaAVRs, XMEGA, MegaAUR

et

FPSLIC (Field Programmable System

Levellntegrated Circuit)[2 n].

ll.7 Le microcontrôleur _ATme gaS2IlP

Le microcontrôleur ATmega32SP est un cirrcuit MtegaAVR

I

bits biué sur I'architecture

RISC améliorée AVR.

Il

ùntègre la technolo;gie PicoPower qui offre une consommation ultra-faible et des modeF de veille à faible consommatiorL idéal

porr

les applications

alimentées par batterie. I..,e tableau suivant présente lers caractéristiquers principales de ce microcontrôleur.

Chapitre

II

_Iilément

_du

_glucomètre

_invasif

Tableau

tr.l

: Caractéristiques techniquers du rnicrocontrôleur _{ATmega3zsp fLzl.}

Athibut _Ialeur

lérie _\Tmega

type de boîtier _PDIP

Iype de montage _fraversant

\Jombre de broche à8

læur du circuit _{VR

Largeur de bus de données _ibit

Iaille de la mémoire programme _{I kB,32kB}

Fréquence maximum 20MI{z

laille de IaRAM

_lKo

\trombre d'unités PWM lanaux CAN

Vombre de canaux SPI

Iension d'alimentation de fonctionnclment trrpiqur [,8 -* 5,5 V Résolution du timer t bit" 16 _bit

fimer _{Lx16bits,2x8bits}

)imensions _{J7.4x6.76 x 3.28mm}

-ongueur 17.4mnr

ModuLation de liargeur d'impulsion >- (6 x8 _{bits), 6 x 16 bitr}

Architecture de ieu d'instruction RISC

RésolutionPWM 3

bif

16 bir

Iype de mémoire progrÉûrme Flash

fempérafure de fonctionnement minûmum 40

"c

-argeur î.76a:m,

]AN

i x 10 bits

{ombre de canaux USART

uombre d'entrée CNA

\lombre de timers

RésolutionCAN _l,0bit

\lombre de canauxI2C

larnux PWM

lempérature d'utilisation maximum F85 _"C

Flauteur _l.28mm

Iæ microcontrôleur ATMEGA32SP se prése.nrte sotui Ia forme d'un circuit intégré à 28

broches n boltier PDIP ou le boltier TQFP/M:I-F à 32 broches.

chapitre

II

_{Eilément du}

glucomètre

invasif

r-{ËEænPc6 {ÊxD}PDo firolPor (û{Tol Poz (l||ï11 PD3 (xcKno) PDit vcc GIID (xTÂLr/TOSCtt PBS ËTALz,TOSCzI PB7 (ïlt PD5 ntila) Poa {A||{1) PD? (rcPt) PB{r Pê5 (ADCS,SCL) PAI|ADC4AOA) FC3 (ADC3I rrcz (11ç21 FCI (A0rC1| t'c0 (Alrcol G'*D AREF AVCG PB5(SCKI PA.{UrSOl FBil(uosrcqa PBaTSSrocrsl (0crA)

Figure tr.L1 : Représentation du nnicrocontrôleur ATMEG:\328p

Les particularités des ports de ce type de mi<rrocontrôleur sont :

-

Port C (PC6...PC0) : le port C est un port d'entrée-sortie à 7 bits bidirectionnel avec des résistances internes de tirage (choisi pour çfun,que bit).

il

sert aussi pour les entrées

analogiques du convertisseur

A/D.

le Port rC _{(comme le B et D) est en position trois} étab quand une condition de reset devient a;tive, même si l'horloge ne court pas.

-

Port B (P87...P80) le Port B est un port d'e.ntrée-so.rtie a

I

bits bidirectionnel avec des

résistances internes de tirage (choisi

pour

r:haquLe

lrit).

n

sert aussi de comparateur

analogique (sortie sur PB? PB3), ou SPI.

-

Port

D

(PD7...PD0) le Port D est un port d'enfi:ée-sortie a 8 bits biidirectionnel avec

des résistances internes de tirage (choisi

pour

chaque bit).

tr

sert aussi d'USART et d'entrées pour les interruptions externes.

-

RESET dfulenché par un

front

descendant maintenue plus de 50 ns

il

produira le

reset du microcontrôleur, même si l'horloge ne court pas.

-

XTALI

entrée de l'oscillateur externe ou libre polrr Ïhorloge interne.

-

XTAL2 production de famplificateur d'osc:illaterur.

-

AVCC est une broche de tension d'alimerrtation pour le convertisseur

A/D

qui doit

être connectée à VCC via un filtre passe"bas _llonr é.uitrN les parasites.

-

AREF est l'entrée de référence analogique pour l.e convertisseur

A/D.

-

AGND

mÉrsse analogique. Si la m.rsse anaùogique est séparée de la m.rsse générale,

brancher cette broche sur la masse analogiqr:re, sinon, connecter cette lrroche a la marsse

générale GND.

-

VCC broche d'alimentation du microcontôleur (+g a +5v).

-

GND masse de

ïalimentatronf22}

ATUËGiA 328P

ctrrpttr"

tt

Elément

du

glucomètre

invasif

II.E Affichage de glycémie

Après

le

fraitement

et la

numérisation

du

signal obtenu

par le

microcontrôleur, un

afficheur de type

Iffi

2 x16 est utilisé

pour

afficher

la

valeur de taux de glycémie déterminé.

la

Figure II.12 brochage.

Ër

e, Eë EaE Ë 9+A E E dé+!tsF5 ËËËciÊËÈ6 ËËËiiËËÊq .t .È 4À

II.9 Etage d'alimentation

N'importe quelle carte électronique nécessitr] une source d'énergie pour qu'elle puisse

fonctionner. Les

circuib

intégré$

qu'on

a

utilisés nécessitent une alimentation non symétrique de 5 Volts stable, pour cela on a utilisé deux piles de 3 Volæ et le régulateur

de tension positive LM7S05CT. r--r I .--lr.|ftæ5l- 3 irrprrl '*T- ortlprn 2 g.ssnd 123

Figure tr.1.3 : Pins du réguJtateur de tension LM780S

II.10 Conclusion

Nous avons abordé dans ce chapitre, les différents composants utilisés dans notre

glucomètre électronique. Cet appmeil a pennis de détenniner le taux de glucose à partir

d'une goutte de sang

d'un

patient.Le microcontrôleur ATMEGA est le cæur de notre

circuit,

il

perrnet de gérer les différents connposanb d'entrées et de sorties

du

circuit

réalisé.

Figure 1.12l. Brochage de l'afficheur LCD