Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Факультет електроніки
Кафедра звукотехніки та реєстрації інформації
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
на тему "Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску"
з курсу "Проектування пристроїв реєстрації та збереження інформації"
РЕФЕРАТ
Курсова робота містить основну частину на 34 аркушах, 11 рисунків.
Об’єктом дослідження являється пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску.
Метою роботи є проектування пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску зі збереженням інформації на змінній карті пам’яті ММС.
Методом дослідження є теоретичне дослідження можливостей реалізації пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску з використанням доступної елементної бази.
В результаті виконання курсового проекту була розроблена функціональна схема пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску з можливістю запису даних на змінній карті пам’яті ММС. Також було здійснено вибір елементної бази для реалізації пристрою та розроблено його принципову схему.
Область використання: медицина, побут.
НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРИ, ДАТЧИК ТИСКУ, МІКРОКОНТРОЛЕР, ТОНОМЕТР, КАРТА ПАМ’ЯТІ, РКІ ДИСПЛЕЙ, ІНТЕРФЕЙС, ДРАЙВЕР КЕРУВАННЯ, ТОНИ КОРОТКОВА.
ЗМІСТ
Перелік умовних скорочень та позначень
Вступ
1. Аналітичний огляд
1.1 Методи вимірювання температури тіла
1.1.1 Загальні відомості про вимірювання температури тіла
1.1.2 Вимірювання температури за допомогою термопар
1.1.3 Безконтактна термометрія
1.1.4 Оптоволоконні термодатчики
1.1.5 Напівпровідникові датчики температури
1.2 Методи вимірювання артеріального тиску
1.2.1 Загальні відомості про вимірювання артеріального тиску
1.2.2 Аускультативний метод
1.2.3 Пальпаторний метод
1.2.4 Осцилометричний метод
1.2.5 Прямий метод
1.2.6 Вимірювання артеріального тиску за допомогою датчиків тиску
1.3 Мікропроцесори та мікроконтролери
2. Обґрунтування способу побудови функціональної схеми пристрою
3. Розрахунки, що підтверджують працездатність пристрою
3.1 Вибір номіналу обмежуючого резистора
3.2 Розрахунок резистора підствітки РК дисплею
3.3 Розрахунок дільника напруги
Література
Додатки
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ ТА ПОЗНАЧЕНЬ
DC–direct current;
MMC–multimedia card;
RST–reset;
АТ–артеріальний тиск;
АЦП–аналогово-цифровий перетворювач;
АЧТ–абсолютно чорне тіло;
БВТ–безконтактне вимірювання температури;
ДАТ–діастолічний артеріальний тиск;
ІС–інтегральна схема;
КП –картка пам’яті;
МК–мікроконтролер;
РКІ–рідкокристалічний індикатор;
САТ–систолічний артеріальний тиск;
ФВЧ–фільтр верхніх частот.
ВСТУП
Пристрої для вимірювання температури тіла є одними з найстаріших діагностичних пристроїв. Вимірювання температури внутрішніх органів та шкіри дає лікарю важливу інформацію про фізіологічний стан пацієнта. Коли температуру не потрібно реєструвати безперервно, стандартним засобом вимірювання все ще залишається ртутний термометр. Проте у випадках, коли необхідно забезпечити безперервне спостереження за температурою пацієнта, вимірювальний пристрій не повинен створювати дискомфорту. Тому електронні термометри часто замінюють ртутні. Ці пристрої, що мають зручні для використання датчики, дозволяють отримати відлік температури значно швидше, а самі показання зчитувати значно зручніше, ніж на звичайному термометрі. Для вимірювання температури можна використовувати термопари, оптоволоконні термодатчики, напівпровідникові датчики температури та ін.
Визначення тиску крові пацієнта є стандартним клінічним вимірюванням, що здійснюється як в амбулаторних умовах, так і в умовах стаціонару. Знання артеріального тиску пацієнта допомагає лікарю оцінити стан серцево-судинної системи хворого. Для визначення тиску у людини використовуються різні прямі (інвазивні) та непрямі (неінвазивні) методи вимірювання. Для кожного з методів повинні бути оцінені ступінь його придатності в даній клінічній ситуації і точність вимірювання.
Метою виконання даної роботи є проектування пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску, вивчення методів вимірювання цих параметрів та засвоєння принципів функціонування цифрових пристроїв.
Дана робота є актуальною, оскільки через надзвичайну важливість таких параметрів організму, як температура та артеріальний тиск, пристрій, що проектується, є необхідним в медицині та побуті.
1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД
1.1 Методи вимірювання температури тіла
1.1.1 Загальні відомості про вимірювання температури тіла
Вимірювання температури тіла дає лікарю важливу інформацію про фізіологічний стан пацієнта. Зовнішня температура тіла є одним з параметрів, що використовуються для оцінки стану пацієнта при інфекційних захворюваннях, шоці, артриті, хронічних запаленнях та ін.
Прилад для вимірювання температури людського тіла дуже мало відрізняється від приладів, що використовуються в різноманітних галузях промисловості, але для фізіологічних вимірювань температури необхідний вузький діапазон температур і спеціальні розміри і форма елементів чутливості.
У людського тіла можна вимірювати температури двох основних типів: системну (температура внутрішніх органів тіла) і поверхневу або шкіряну. Обидва вимірювання дозволяють отримати цінну діагностичну інформацію, хоча ширше використовується вимірювання системної температури.
Нижче описуються методи вимірювання температури за допомогою термопар, термісторів, оптоволоконних детекторів, а також шляхом реєстрації випромінювання [1].
1.1.2 Вимірювання температури за допомогою термопар
Вимірювання температури за допомогою термоелектрики засноване на відкритті, зробленому Зеєбеком в 1921 році: якщо спаї двох різнорідних металів, що створюють замкнутий електричний ланцюг, мають неоднакову температуру, то в ланцюзі протікає електричний струм. Зміна знаку у різниці температур спаїв супроводжується зміною напряму струму. Під термоелектричним ефектом розуміється генерування термоелектрорушійної сили (термоЕРС), що виникає через різницю температур між двома з'єднаннями різних металів і сплавів.
Таким чином, термопара може утворювати пристрій (або його частину), що використовує термоелектричний ефект для вимірювання температури. У поєднанні з приладом електровимірювання термопара утворює термоелектричний термометр. Вимірювальний прилад або електронну вимірювальну систему підключають або до кінців термоелектродів або в розрив одного з них.
Використання термопар має наступні переваги: малий час відгуку (постійна часу може досягати 1 мс), малі розміри (до 12 мкм в діаметрі), простота виготовлення і довготривала стабільність, дешевизна, зручність монтажу, можливість вимірювання малих різниць температур. Термопари можуть забезпечувати високу точність вимірювання температури на рівні ±0,01°С. До недоліків можна віднести малу напругу на виході, низьку чутливість і необхідність мати опорну температуру. Термопари можна зробити настільки малими за розмірами, що вони вміщатимуться всередині катетера або підшкірної голки [1].
1.1.3 Безконтактна термометрія
Метод безконтактного вимірювання температури (БВТ) (пірометрії) заснований на відомому співвідношенні між температурою об'єкту і характеристиками його випромінювання. Ця властивість дозволяє проводити вимірювання температури тіла без фізичного контакту з ним.
Медична термографія дає можливість вимірювати температуру різних ділянок тіла з точністю до декількох десятих кельвіна. Важливість отриманої інформації пояснюється тим, що температура шкіри в даній точці залежить від локальних клітинних процесів і від кровопостачання даної ділянки тіла. Термографія використовується для локалізації і визначення ступеня порушень при артриті, для визначення глибини ураження тканин при обмороженнях і опіках і для виявлення різних порушень периферійного кровообігу, таких як венозний тромбоз, оклюзія сонної артерії та ін [1].
У реальних умовах на достовірність результатів БВТ впливають неідеальність об'єкту вимірювань, середовище поширення випромінювання, наявність паразитних джерел та ін. У структурі радіометричного ланцюга (рис. 1.1) реальний об'єкт представлений у вигляді абсолютно чорного тіла (АЧТ), сигнал якого проходить через ланку з коефіцієнтом випромінювання ε (λ, Т, φ, х, у) < 1, що визначається станом поверхні, формою, матеріалом об'єкту і є складною функцією довжини хвилі, температури, напрямку поширення для даної координати поверхні.
Рисунок 1.1 – Структурна схема радіометричного ланцюга
При поширенні випромінювання з корисним сигналом сумується випромінювання фону і завад (широкосмугові при наявності інших нагрітих тіл або вузькосмугові від газів, що горять). Параметри середовища поширення, що вносить вибіркове ослаблення сигналу в різних спектральних інтервалах, і їх флуктуації залежать від температури, тиску, компонентного складу і концентрації газів, наявності дисперсних включень і т. п. Необхідно враховувати також характеристики оптичної системи і приймача випромінювання.
Через велику кількість чинників підходити до рішення задачі визначення температури найбільш доцільно зі статистичної точки зору [2].
1.1.4 Оптоволоконні термодатчики
На рис. 1.2 зображено схему напівпровідникового зонда для вимірювання температури на основі арсеніда галію GaAs. Невеликий монокристал бездомішкового GaAs, виготовлений у вигляді призми, закріплений за допомогою епоксидної смоли на кінці двох сполучених разом оптоволоконних світлопроводів. Розміри датчика і світлопроводів повинні бути достатньо малими, щоб разом із захисним ковпачком їх можна було помістити в точку вимірювання. Один зі світлопроводів передає світло від світлодіода до датчика. Світло проходить через кристал GaAs і потім по другому світлопроводу передається у вимірювальний пристрій. При проходженні через напівпровідник частина енергії випромінювання поглинається, причому ця енергія передається електронам, які через це зможуть перестрибнути через заборонену зону з валентної зони в зону провідності. Ширина забороненої енергетичної зони сильно залежить від температури напівпровідника, тому при підвищенні температури кількість енергії, що поглинається, зростає.
Такі неметалічні зонди особливо зручні для вимірювання температури в сильних електромагнітних полях, які можуть використовуватися для нагрівання тканин при лікуванні раку або обігріві пацієнта [1].
Рисунок 1.2 – Структура оптоволоконного напівпровідникового зонду для вимірювання температури на основі датчика з арсеніда галію
1.1.5 Напівпровідникові датчики температури
В сучасних електронних пристроях вимірювання температури надзвичайно важливо, особливо якщо мова йде про дорогі малогабаритні комп'ютери або інших портативні пристрої з щільно упакованими електронними компонентами, які розсіюють помітну потужність у вигляді теплової енергії. Знання температури системи можна також використовувати для управління зарядом акумуляторних батарей і для запобігання пошкодженню дорогих мікропроцесорів. Портативне високо споживаюче устаткування часто має охолоджуючий вентилятор для підтримки внутрішньої температури на потрібному рівні. Для того, щоб продовжити життєвий цикл акумуляторних батарей, вентилятор повинен працювати тільки тоді, коли це необхідно. Точне управління роботою вентилятора вимагає знання критичних температур, які вимірюються за допомогою відповідних датчиків температури.
Датчики температури використовуються:
для моніторингу (спостереження);
портативного устаткування;
температури центрального процесора;
температури акумуляторної батареї;
температури навколишнього середовища;
для компенсації;
для компенсації дрейфу генератора в стільникових телефонах;
для компенсації температури холодного спаю термопар;
для керування;
зарядом акумуляторної батареї;
управління процесом утримання температури.
Спектр використання температурних датчиків надзвичайно широкий: від зарядних пристроїв до дорогих портативних приладів. Всюди, де характеристики системи залежать від температурних чинників, застосовуються ці прилади.
Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.
Сучасні напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55С до +150С. Вбудовані підсилювачі можуть масштабувати вихідні сигнали датчика, приводячи їх до зручних величин, як, наприклад, 10 мВ/С. Датчики також досить корисні в ланцюгах компенсації температури холодного спаю для широкодіапазонних термопар.
Датчики температури з цифровим виходом мають ряд переваг над датчиками з аналоговим виходом, особливо у випадку дистанційних застосувань. До того ж, для забезпечення гальванічної розв’язки (ізоляції) між дистанційним датчиком і вимірювальною системою можна використовувати елементи опторазв’язки. Наприклад, функцію пристрою з цифровим виходом виконує датчик температури з напругою на виході, за яким слідує конвертор напруга-частота, хоча існують інші типи мікросхем, що є ефективнішими і дають додаткові переваги в роботі [5].
На рис. 1.3 зображено цифровий датчик температури DS18b20.
Рисунок 1.3 – Температурний датчик DS18b20
1.2 Методи вимірювання артеріального тиску
1.2.1 Загальні відомості про вимірювання артеріального тиску
Артеріальний тиск – один з найважливіших параметрів, що характеризує роботу кровоносної системи. Тиск крові визначається об’ємом крові, що перекачується серцем в одиницю часу та опором сосудистого русла. Розрізняють систолічний та діастолічний артеріальні тиски. Систолічний артеріальний тиск показує тиск в артеріях в момент, коли серце стискається і виштовхує кров в артерії. Діастолічний тиск (мінімаьний тиск в артеріях) показує тиск в артеріях в момент розслаблення серцевого м’яза. Типове значення артеріального тиску здорової людини – 120/80 мм рт. ст. (систолічний/діастолічний). Різниця між систолічним та діастолічним артеріальним тиском в нормі складає 30 – 60 мм рт.ст.
Для вимірювання артеріального тиску (АТ) найчастіше використовуються наступні методи:
аускультативний метод М.С.Короткова;
метод прямого вимірювання АТ;
осцилометричний метод;
пальпаторний метод;
прямий метод.
1.2.2 Аускультативний метод
Аускультативний метод вимірювання АТ був запропонований в 1905 р. Н.С. Коротковим. Типовий прилад для визначення тиску методом Короткова (сфігмоманометр або тонометр) складається з пневмоманжети, груші для нагнітання повітря з клапаном, що регулюється, і пристрою, що вимірює тиск в манжеті. В якості подібного пристрою використовуються ртутні манометри, стрілочні манометри або електронні манометри. Вислуховування проводиться стетоскопом, або мембранним фонендоскопом, з розташуванням чутливої головки у нижнього краю манжети над плечовою артерією без значного тиску на шкіру. Систолічний АТ (САТ) визначають при декомпресії манжети у момент появи першої фази тонів Короткова, а діастолічний АТ (ДАТ) – по моменту їх зникнення.
Метод не зазнав серйозних змін за 95 років практичного використання. Змінилася класифікація тонів, що отримали назву тонів Короткова. Перша фаза тонів – їх поява, друга – ослаблення (аж до зникнення, що спостерігається при так званому аускультативному провалі) із заміщенням їх компресійними шумами, третя – посилення тонів, четверта – різке ослаблення, п'ята - повне припинення (іноді відсутній при явищі "нескінченного тону").
Аускультативна методика визнана як референтний метод неінвазивного визначення АТ, не зважаючи на дещо занижені значення для САТ і завищені – для ДАТ в порівнянні з цифрами, отриманими при інвазивному вимірюванні.
Важливими перевагами методу є вища стійкість до порушень ритму серця і рухів руки під час вимірювання. Проте метод має ряд істотних недоліків, пов'язаних з високою чутливістю до шумів в приміщенні, перешкод, що виникають при терті манжети об одяг, а також необхідності точного розташування мікрофону над артерією. Точність реєстрації АТ істотно знижується при низькій інтенсивності тонів, наявності "аускультативного провалу" або "нескінченного тону". Похибка вимірювання АТ цим методом складається з похибки самого методу, манометра і точності визначення моменту прочитування показників, і складає 7-14 мм рт. Ст [3].
1.2.3 Пальпаторний метод
Пальпаторний метод передбачає поступову компресію або декомпресію кінцівки в області артерії і пальпацію її нижче місця здавлення. Компресійна манжета і зручний варіант вертикального ртутного манометра для пальпаторного методу були запропоновані італійцем Ріва Роччі (1896).Тиск в манжеті піднімався до повного припинення пульсу, а потім поступово знижувався. Систолічний АТ визначається тиском в манжеті, при якому з'являється пульс, діастолічний – моментами, коли наповнення пульсу помітно знижується, або виникає "хибне" прискорення пульсу (pulsus celer) [3].
1.2.4 Осцилометричний метод
Оригінальна осцилометрична методика Е. Марея (1876) припускала розміщення кінцівки людини у водний плетизмограф, що дозволяє створювати навколо неї регульований тиск здавлення і одночасно реєструвати невеликі пульсації об'єму кінцівки, пов'язані з пульсовим кровонаповненням артерій. Проаналізувавши характер залежності амплітуди цих пульсацій від тиску здавлення, автор запропонував наступні критерії для оцінки АТ. Згідно з осцилометричним методом зниження тиску в оклюзійній манжеті здійснюється ступінчасто і на кожному ступені аналізується амплітуда мікропульсацій тиску в манжеті, що виникає при передачі на неї пульсації артерій. Здавлюючий тиск (при декомпресії), при якому пульсації починають різко рости, відповідає САТ, максимальні пульсації – середньому АТ, починають різко знижуватися – ДАТ.
Осцилометричний метод використовується приблизно в 80% всіх автоматичних і напівавтоматичних приладів, що вимірюють АТ. В порівнянні з аускультативним, осцилометричний метод стійкіший до шумової дії і переміщення манжети по руці, дозволяє проводити вимірювання через тонкий одяг, а також за наявності вираженого "аускультативного провалу" і слабких тонах Короткова.
Використання осцилометричного методу дозволяє оцінити рівень тиску не тільки на рівні плечової і підколінної артерій, але і на інших артеріях кінцівок. Це послужило причиною створення цілої серії професійних і побутових вимірювальних приладів з їх фіксацією на плечі, зап'ясті і спростило вимірювання рівня АТ в амбулаторних умовах, в дорозі, і т.п. Застосування осцилометричного методу дає можливість зменшити вплив людського чинника на процес реєстрації тиску, що дозволяє понизити похибка вимірювання[3].
1.2.5 Прямий метод
Інвазивний (прямий) метод вимірювання АТ застосовується тільки в стаціонарних умовах при хірургічних втручаннях, коли введення в артерію пацієнта зонда з датчиком тиску необхідне для безперервного контролю рівня тиску. Перевагою цього методу є точність (в тому числі при аритміях), можливість реєстрації АТ при кожному серцевому скороченні. Проте пацієнти з інвазивним моніторингом АТ вимагають спостереження через небезпеки розвитку важкої кровотечі у разі від'єднання зонда, утворення гематоми або тромбозу в місці пункції, інфекційних ускладнень[3].
1.2.6 Вимірювання артеріального тиску за допомогою датчиків тиску
Датчики тиску мають досить широке застосування. Принцип реєстрації тиску служить основою для багатьох інших типів датчиків, наприклад датчиків маси, положення, рівня, витрат рідини та ін. В переважній більшості випадків індикація тиску здійснюється завдяки деформації пружних тіл, наприклад діафрагми, трубки Прудона, гофрованої мембрани. Такі датчики мають достатню міцність, малу вартість, але в них ускладнено отримання електричних сигналів. Потенціалометрочні (реостатні), ємнісні, індукційні, магнітострикційні, ультразвукові датчики тиску мають на виході електричний сигнал, але порівняно складні у виготовленні.
На даний момент в якості датчиків тиску все ширше використовуються тензометри. Особливо перспективними представляються напівпровідникові тензометри дифузійного типу. Дифузійні тензометри на кремнієвій підкладці мають високу чутливість, малі розміри і легко інтегруються з необхідними периферійними схемами.
Резистивний тензодатчик представляє собою основу із закріпленим на ньому резистивним елементом. Під дією сили основа із закріпленим елементом змінює свої розміри (стискається або розтягується), отже, резистивний елемент також змінює свій опір. Тензодатчик є найбільш відомим перетворювачем сили в електричну величину.
На рис. 1.4 зображено ненаклеюваний тензодатчик, що складається з дрота, натягнутого між двома стійками. Сила, впливаючи на дріт (площею перетину = А, завдовжки = L, з питомим опором = р) спричиняє подовження або стиснення останнього, що призводить до пропорційного збільшення або зменшення її опору:
де, GF характеризує тензочувствітельность (значення 2,0…4,5 – для металів і більше 150 для напівпровідників).
Безрозмірна величина AL/L є мірою сили, прикладеної до дрота, і виражається в мікрострейнах (1 με = 10-6 см/см), що є тим же самим, що і мільйонна частина (ppm) (у вітчизняній літературі застосовується термін овд – одиниці відносної деформації, чисельно рівний кількості мікрострейн). З рівності виходить, що чим більша тензочувствітельность, тим більша величина зміни опору і, отже, вища чутливість датчика.
Рисунок 1.4 – Ненаклеюваний дротяний тензодатчик
Наклеюваний тензодатчик (рис. 1.5) складається з тонкого дроту або провідної фольги, закріпленої на плоскій пластині. Ця конструкція приклеюється на основу. Датчик зазвичай встановлюється так, щоб його найбільш довга сторона була орієнтована у напрямі вимірюваної сили. Зазвичай наклеювані датчики використовуються набагато частіше ненаклеюваних.
Рисунок 1.5 – Наклеюваний дротяний тензодатчик
Фольгові датчики (рис. 1.6) є найбільш популярною версією наклеюваних тензодатчиків. Вони виготовляються методом фототравління і використовують ті ж метали, що і дротяні датчики (константан, нихром, сплав нікелю із залізом і т.д.). Дротяні датчики мають малу поверхню зв'язку з зразком основою, щозменшує струми витоку при високих температурах і дає більшу напругу ізоляції між чутливим елементом і основою. З іншого боку, фольгові чутливі елементи мають велике значення відношення площі поверхні до площі поперечного перерізу (чутливість) і стабільніші при критичних температурах і тривалих навантаженнях. Велика площа поверхні і малий поперечний переріз також забезпечують хороший температурний контакт чутливого елементу із основою, що зменшує саморозігрів датчика.
Рисунок 1.6 – Металофольговий тензодатчик
Напівпровідникові тензодатчики використовують п'єзорезистивний ефект, що виникає в деяких напівпровідникових матеріалах, таких як кремній і германій, і використовуються для отримання більшої чутливості пристрою і його вихідного сигналу. Можна зробити так, щоб напівпровідникові датчики мали при їх деформації або позитивний, або негативний сигнал. Їх можна зробити достатньо малими за розмірами при збереженні високого номіналу опорів. Напівпровідникові тензомости мають в 30 разів більшу чутливість, ніж металофольгові, але вони залежать від температури і важко піддаються компенсації. Зміна їх опору від деформації також нелінійна. Для прецизійних вимірювань їх не використовують так само широко, як стабільніші металофольгові, проте, в додатках, де варіації температури малі, а величина чутливості важлива, вони можуть мати певні переваги.
Напівпровідникові датчики тиску дифузійного типу широко використовується для вимірювання артеріального тиску крові, в автомобільній електроніці, в компресорах. Основні проблеми, які характерні для цих датчиків і які ймовірно будуть вирішені в найближчому майбутньому, – це усунення температурної залежності, підвищення стійкості до зовнішнього середовища і збільшення терміну служби [6].
1.3 Мікропроцесори та мікроконтролери
В приладі, призначеному для вимірювання температури та артеріального тиску, для обробки сигналу і організації інтерфейсу застосовуються мікропроцесори або мікроконтролери. Основними характеристиками контролерів є: число розрядів, тактова частота ядра, тактова частота шини, об'єм кеш-пам'яті і оперативної пам'яті, функції. Універсальні процесори застосовуються для вирішення різних обчислювальних завдань і зазвичай мають повний набір команд CISC. Спеціалізовані мікроконтролери мають вужчий діапазон застосування і зазвичай призначені для керування певним. Вони мають обмежений набір команд RISC, простішу структуру і відповідно низьку ціну. До окремого класу слід віднести цифрові сигнальні процесори, спроектовані спеціально для обробки сигналів в реальному часі (звук, зображення, вимірювальні сигнали).
Архітектура сигнальних процесорів має помітні особливості:
швидке виконання операцій, характерних для цифрової обробки сигналів (наприклад, операція "множення з накопиченням" зазвичай виконується за один такт);
цикли із заздалегідь відомою довжиною;
більшість сигнальних процесорів мають вбудовану оперативну пам'ять, з якої може здійснюватися вибірка декількох машинних слів одночасно;
детермінована робота з відомими тривалостями виконання команд, що дозволяє виконувати планування роботи в реальному часі;
досить велика довжина конвеєра;
в порівнянні з мікроконтролерами, обмежений набір периферійних пристроїв;
значно менше споживання потужності, ніж у еквівалентних за продуктивністю процесорів загального призначення.
2. ОБҐРУНТУВАННЯ СПОСОБУ ПОБУДОВИ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ
Пристрій призначений для вимірювання температури тіла та артеріального тиску людини зі збереженням інформації на картку пам’яті ММС. Функціональна схема пристрою зображена на рис. 2.1.
Рисунок 2.1 – Функціональна схема пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску
Пристрій складається з мікроконтролера МК, блоку вимірювання тиску, датчика температури, клавіатури, картки пам’яті, РК дисплею та блоку живлення.
При вимірювання температури тіла датчик температури знаходиться в безпосередньому контакті зі шкірою людини. Виміряний сигнал з датчика поступає на порт Р0 МК. МК обробляє сигнал і за допомогою драйвера керування передає його на РК дисплей.
Блок вимірювання тиску складається з датчика тиску, манжети, насоса, клапана, ФВЧ. При вимірюванні тиску на руку людини вдягається еластична манжета. Повітря накачується в манжету за допомогою насоса. Після встановлення в манжеті високого тиску насос вимикається і повітря випускається з манжети через клапан, що призводить до плавного зниження тиску в манжеті. Формування сигналів керування двигунами насоса та клапана здійснює МК.
При стисканні руки пацієнта манжетою можна спостерігати невеликі пульсації тиску (шум) в манжеті (рис. 2.2, пунктир). Це відбувається внаслідок зміни тиску при циркуляції крові в організмі пацієнта. Сигнал з виходу датчика тиску фільтрується за допомогою ФВЧ, який спроектовано на частоту 1 Гц, і посилюється. Так отримується сигнал серцебиття. Він показує зміну в сигналі тиску і є графічним зображенням серцевого ритму пацієнта (рис. 2.2, суцільна лінія).З виходу ФВЧ сигнал поступає на вхід "+" компаратора. На вхід "-" компаратора подається еталонна напруга. Імпульси, що перевищують рівень еталонної напруги, призводять до появи сигналу на виході компаратора. Таким чином, компаратор починає працювати при появі тонів Короткова . Тиск, що фіксується за допомогою АЦП МК в момент появи тонів Короткова, відповідає значенню САТ, а тиск, що фіксується в момент їх зникнення – ДАТ. САТ і ДАТ визначаються за допомогою простого осцилометричного способу. При пониженні тиску в манжеті, амплітуда сигналу серцевих скорочень зростає, як тільки тиск в манжеті опуститься до значення тиску систоли пацієнта. При подальшому пониженні тиску в манжеті амплітуда пульсацій збільшується, поки не досягає максимального значення в точці так званого середнього артеріального тиску, а потім швидко знижується, поки не досягне точки тиску діастоли. Виміри тиску, які відповідають САТ і ДАТ зберігаються в пам’яті МК і виводяться на РК дисплей після закінчення циклу вимірювання.
Одночасно результати вимірювань зберігаються на КП типу ММС. Занесення данних до КП здійснюється за допомогою інтерфейсу SPI, який входить до складу МК. Виводи SPI інтерфейсу програмно скомутовані на порт Р2 МК. За допомогою клавіатури можна зберегти результати вимірювання, очистити пам’ять, вивести на РК дисплей попередні результати вимірювань, збережені на картці.
Клавіатура містить 4 кнопки: "Старт ", "Меню", "Далі", "ОК". Кнопка "Старт " ініціює початок процесу вимірювання. Натискання кнопки "Меню" призводить до висвітлення на дисплеї функцій пристрою ("Вимірювання температури", "Вимірювання температури і тиску", "Перегляд результатів попереднього вимірювання", "Збереження результатів вимірювання", "Очистка картки пам’яті"). Натискання кнопки "Далі" дозволяє циклічно перебирати всі можливі функції пристрою, зупиняючись на потрібній. Натискання кнопки "ОК" дозволяє активувати потрібну функцію.
DC-DC перетворювач дозволяє забезпечувати стабільне живлення МК. Напруга на вході DC-DC перетворювача може змінюватися в межах 4,5 – 9 В. При
цьому на виході пертворювача напруга стабільна – 5 В.
Супервізор забезпечує утримання МК в режимі RST (скидання). Це відбувається у двох випадках. В першому випадку, при включенні живлення сигнал RST видається на МК, коли робоча напруга не пеервищила порогової напруги супервізора. В другому випадку, якщо в процесі роботи пристрою робоча напруга зменшилася нижче порогової напруги, супервізор видає імпульс скидання на МК. МК знаходитиметьмя в режимі RST до тих пір, поки напруга живлення не перевищить порогову напругу супервізора. Загорання діода VD1 свідчить про те, що супервізор видає сигнал внаслідок проблем з живленням.
Рисунок 2.2 – Тиск в манжеті (пунктир) та серцевий ритм (суцільна лінія)
3. РОЗРАХУНКИ, ЩО ПІДТВЕРДЖУЮТЬ ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ ПРИСТРОЮ
3.1 Вибір номіналу обмежуючого резистора
Світлодіоди загального призначення (для індикації) задовільно працюють при струмах від 3 мА до 20 мА. Вихідна напруга U>с> супервізора МАХ811 становить 0,4 В при вихідному струмі 3,2 мА.
Для розрахунку обмежуючого резистора розглянемо фрагмент принципової схеми пристрою, на якому зображено супервізор DD6, світлодіод VD1 і резистор R10, що розраховується (рис. 3.1).
Рисунок 3.1 – Підключення світлодіода до супервізора
Типове значення напруги на світлодіоді, що горить, дорівнює 1,5 В. Тоді падіння напруги на обмежуючому резисторі U>R10> складе
,
В
при мінімальному струмі I = 5 мА. Номінал резистора визначається за законом Ома:
,
Ом.
Найближчий номінал зі стандартного ряду Е24 складає 620 Ом.
3.2 Розрахунок резистора підствітки РК дисплею
Розрахуємо резистор підсвітки РК дисплею R14 (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Включення підсвітки РК дисплею
Згідно з довідниковими даними підсвітка РК дисплею ВС2004В1 для задовільної роботи потребує струм 100 мА. При цьому падіння напруги на світлодіодах підсвітки U>п >дорівнює 4,2 В.
В проектованому пристрої живлення підсвітки здійснюється безпосередньо від блоку з 4 батарейок, загальна напруга U>живл >яких становить 6 В. Тоді падіння напруги на обмежуючому резисторі U>R14> складе
,
В.
Отже, за законом Ома:
,
Ом.
Номінал зі стандартного ряду Е24 складає 18 Ом.
3.3 Розрахунок дільника напруги
Розрахуємо дільник напруги, за допомогою якого формується еталонна напруга на вхід "-" компаратора (рис. 3.3).
Рисунок 3.3 – Дільник напруги
На дільник R8R9 подається напруга U>живл >= 3,3 В. Максимальний вхідний струм І>вх> компаратора становить 1 нА.
Щоб запобігти впливу вхідного струму компаратора на джерело еталонної напруги, в якості якої виступає дільник, необхідно, щоб струм дільника значно перевищував вхідний струм компаратора.
Приймемо струм дільника І>д> = 1 мА. Тоді сумарний опір резисторів R8 та R9 становить
,
кОм.
Згідно з рис. 2.2 визначення САТ і ДАТ здійснються тоді, коли значення напруги U>е> з виходу ФВЧ перевищує 1,5 В. Отже, за законом Ома опір резистора R9
,
кОм.
Тоді
опір резистора R8 становить
кОм.
Номінал зі стандартного ряду Е24 складає 1,8 кОм для резистора R8 і 1,5 кОм для резистора R9.
ЛІТЕРАТУРА
Медицинские приборы. Разработка и применение. / Ред. Л.Г. Меркурьева, С.В. Ревенко. – М.: Медицинская книга, 2004. – 720с.
Спектрально-статистический подход к бесконтактному измерению температуры. / Б. П. Ионов, А. Б. Ионов. Датчики и системы. Номер 2, 2009.
http://www.monitorad.ru/index.aspx?pg=3. Методы измерения артериального давления.
http://invent-systems.narod.ru/DS18B20.htm. DS18B20 русское описание работы с датчиком температуры.
Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: Пер. с япон. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. – 120 с. (6)
http://autexspb.da.ru. Методы практического конструирования при нормировании сигналов c датчиков.
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/310104/FREESCALE/MPXV5050.
html. Datasheet. MPXV5050 – Integrated Silicon Pressure Sensor On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated - Freescale Semiconductor, Inc.
Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения: Пер. с англ. / Л. Кромвелл, М. Ардитти; Пер. под ред. Р.И. Утямышева. – М.: Радио и связь, 1981. – 344 с.
ДОДАТКИ
Додаток А
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
на курсовий проект на тему
"ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТА АРТЕРІАЛЬНОГО ТИСКУ"
1 Найменування та область використання
Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску
Область використання: медицина, побут.
2 Основа для виконання
Робота проводиться на основі завдання керівника на курсове проектування.
3 Мета та актуальність роботи
Метою роботи є розробка пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску, функціональної та принципової схем, розрахунок його основних вузлів, оволодіння методикою проектування електронної апаратури та правилами оформлення технічної документації на пристрій, що проектується.
4 Основні технічні характеристики пристрою для вимірювання температури та артеріальног тиску
4.1 Діапазон вимірюваних температур -5,5…+125 С.
4.2 Похибка вимірювання температури – 1%.
4.3 Роздільна здатність датчика температури – 0,05 С.
4.4 Діапазон вимірюваного тиску 0…50 кПа.
4.5 Похибка вимірювання тиску – 2,5%.
4.6 Живлення – 6 В (4 батарейки по 1,5 В).
4.7 Тип індикатора – символьний рідкокристалічний.
5 Вимоги до технологічності
Пристрій повинен бути виконаний на елементній базі широкого застосування і містити мінімум спеціалізованих елементів. Конструкція пристрою повинна передбачати можливість багатократної заміни елементів і забезпечувати високу механічну міцність друкарського монтажу.
6 Вимоги до рівня уніфікацї
В конструкції, що розробляється, необхідно прагнути максимального використання стандартних компонентів і уніфікованих виробів, а також запозичених складальних одиниць і деталей.
7 Вимоги до безпеки
Відносно безпеки розроблений пристрій повинен відповідати вимогам ГОСТ 12.2.006 і забезпечувати електробезпеку, пожежобезпеку, механічну міцність та інші вимоги при монтажі, експлуатації, обслуговуванні і ремонті.
8 Економічні показники
Пристрій, що розробляється, повинен бути ефективним відносно його виробництва з економічної точки зору. Схемні рішення повинні мати мінімальну вартість реалізації.
9 Стадії та етапи розробки
Розробка виконується в один етап
Додаток Б
Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску
Перелік елементів
-
Зона
Позиційне
позначення
Найменування
Кільк.
Примітка
Конденсатори К10-17 ОЖО.460.107ТУ
Конденсатори К50-35 ОЖО.464.214ТУ
C1
К10-17 -1 мкФ ±10%-16-В
1
C2
К50-35-4,7 мкФ ±10%-10-В
1
C3
К10-17-2б-Н50-0,01 мкФ±10%-5-В
1
С4
К10-17-2б- М75-470 пФ ±10%-5-В
1
C5
К10-17-2б-Н50-0,1 мкФ±10%-5-В
1
С6
К50-35-47 мкФ ±10%-10-В
1
C7
К10-17-2б-Н50-0,33 мкФ±10%-5-В
1
C8
К10-17-2б-Н50-0,1 мкФ±10%-5-В
1
C9
К50-35-220 мкФ ±10%-10-В
1
C10
К50-35-10 мкФ ±10%-10-В
1
C11
К50-35-33 мкФ ±10%-10-В
1
C12…С14
К10-17 -1 мкФ ±10%-16-В
3
C15, С16
К10-17-2б-Н50-0,1 мкФ±10%-5-В
2
C17, С18
К10-17-2б-П33-15 пФ±10%-5-В
2
C19
К10-17-2б-Н50-0,1 мкФ±10%-5-В
1
Мікросхеми
DA1
MPXV5050GP
1
DA2
RSO-0505S
1
DA3
LM324ADR2G
1
DD1
C8051F340
1
Silabs
DD2
DS12887A
1
Dallas Sem.
DD3
MAX811
1
Maxim
DD4
1554ЛА3
1
DD5
BC2004B1
1
Bolymin
DD6
DS1820
1
Dallas Sem.
Резистори С2-23 ОЖ0.467.104ТУ
R1
C2-23-0,125-24 кОм5%-А-В-В
1
R2
C2-23-0,125-5,1 кОм5%-А-В-В
1
R3
C2-23-0,125-10 Ом5%-А-В-В
1
R4
C2-23-0,125-1 МОм5%-А-В-В
1
R5
C2-23-0,125-10 кОм5%-А-В-В
1
R6
C2-23-0,125-150 кОм5%-А-В-В
1
R7
C2-23-0,125-1 кОм5%-А-В-В
1
R8
C2-23-0,125-1,8 кОм5%-А-В-В
1
R9
C2-23-0,125-1,5 кОм5%-А-В-В
1
R10
C2-23-0,125- 620 Ом5%-А-В-В
1
R11
C2-23-0,125-10 кОм5%-А-В-В
1
R12, R13
C2-23-0,125-1 кОм5%-А-В-В
2
R14
C2-23-0,125-18 Ом5%-А-В-В
1
Діоди
VD1
АЛ307
1
VD2, VD3
BAT54HT1
2
Транзистори
VT1, VT2
MJD122T4
2
Роз’єми
Х1
PLS-2
1
X2
PS-94352-001
1
MOLEX
X3, X4
PLS-2
2
Кварцевий резонатор
Q1
MTF 12 МГц
1