Прибор для измерения пульса

 

 

Министерство образования  Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный  университет»

Кафедра Биомедицинской инженерии

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Конструирование и технология производства приборов и   аппаратов»

на тему «Прибор для измерения пульса»

Автор работы  

(подпись,  дата)

Направление 200000 «____________________________», специальность 200401 «______________________________________________________»

Группа _БМ-91_

 

Руководитель  работы________________________            

(подпись,  дата)

Работа защищена     Оценка 

(дата)

Члены комиссии  

                                  (подпись, дата)                         (инициалы, фамилия)

(подпись, дата)   (инициалы, фамилия)

(подпись, дата)   (инициалы, фамилия)

 

 

 

 

 

 

Курск, 2013г. 

 

 

Содержание

Задание на курсовой проект       3

Введение          4

1 Патентный поиск        5

2 Назначение прибора        7

3 Структурная схема прибора       7

4 Разработка схемы электрической принципиальной 9

4.1 Характеристика микроконтроллера    10

4.2 Выбор датчика       13

4.3 Операционный усилитель.  Фильтры    18

4.4 Выбор светодиода  для индикации    19

4.5 Блок питания        20

5 Энергетическое обеспечение прибора     21

6 Анализ и расчет погрешностей разрабатываемого прибора  22

 Заключение         27

 Список используемой литературы      28

 

Министерство образования  Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет» 
Кафедра Биомедицинской инженерии

 

Задание на курсовой проект

Студент ___________, шифр ________, группа ______

 

1 Тема «Цифровой термометр»

2 Срок представления  работы (проекта) к защите «____» _____ 2013г.

3 Исходные данные (для проектирования, для научного исследования):

3.1 Прибор для измерения пульса должен реагировать на частоту биения сердца.

3.2 Устройство должно обеспечивать звуковую сигнализацию при выходе параметра из дозволенного.

4 Содержание пояснительной записки курсового проекта:

4.1 Анализ проблемы и существующие решения  

4.2 Обоснование структурной схемы прибора   

4.3 Выбор элементной базы      

4.4 Выбор элементной базы, расчет основных элементов и узлов

5 Перечень графического материала:

5.1 Структурная схема  устройства

5.2 Схема электрическая  принципиальная устройства

 

Руководитель работы (проекта)        ____________

(подпись,  дата) 

 

Задание принял к исполнению __________.

(подпись,  дата)

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

Тема данного курсового проекта является актуальной, т.к.в  связи с большой смертностью населения от сердечно-сосудистых заболеваний существует необходимость постоянно контролировать такой жизненно важный орган, как сердце. Артериальное давление и пульс служат основными показателями состояния сердечно-сосудистой системы. Но для правильной оценки нужно знать точно какое давление нормальное, а какие цифры будут говорить о его повышении или понижении. Научно-технический прогресс не оставил без внимания медицинскую технику, появилась возможность измерять давления и пульс в домашних условиях с помощью портативных приборов.

Целью курсовой работы является разработать прибор для измерения пульса, первичный преобразователь – фотоэлемент, вид индикации –  светодиод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Патентный поиск.

В рамках курсовой работы был произведен патентный поиск на тему “Прибор для измерения пульса”. В литературе последних лет большое внимание уделяется изучению этого вопроса.

В результате работы с патентами были найдены прототипы данного прибора.

          В патенте №2118119 был описан способ измерения частоты сердечных сокращений, который лег в основу данного прибора.

         Известно устройство, реализующее измерение частоты пульса, выходным сигналом которого служат биопотенциалы сердца, снимаемые с помощью чашечных электродов. Они закрепляются на левой стороне груди человека так, чтобы R-зубец ЭКГ имел максимальную амплитуду, а все другие биопотенциалы - минимальную. Сигнал от датчиков усиливается биоусилителем с регулируемым коэффициентом усиления до уровня, достаточного для работы порогового устройства – триггера Шмитта. Для повышения помехозащищенности измерительной схемы включен ждущий мультивибратор, сигнал которого и является счетным. Параметры этого сигнала постоянны, а частота следования определяется частотой пульса. Дальнейшая схема обработки является обычной схемой счетчика частоты. Недостатком устройства является необходимость ручной регулировки коэффициента усиления биоусилителя, так как значение R- зубца ЭКГ в процессе измерения может изменяться: увеличиваться или уменьшаться.

  В патенте №2118615 описано устройство для контроля пульса. Известно устройство для контроля сердечной деятельности при спортивной тренировке, содержащее последовательно соединенные преобразователь входного сигнала, преобразователь временной интервал код, блок формирования сигналов лидирования и блок индикации, оперативной запоминающее устройство, регистр, счетчик адреса, блок управления, блок управления режимом и блок регистрации, причем вход оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) соединен с выходом преобразователя временной интервал код, выход ОЗУ с входом регистра, выход которого соединен с входом блока регистрации, адресной вход ОЗУ соединен с выходом счетчика адреса, а в блоке управления первый и второй сигнальные входы соединены соответственно с выходом преобразователя входного сигнала и с выходом переполнения счетчика адреса, первый и второй управляющие входы соединены соответственно с тактовым входом и выходом выбора режима блока управления режимом, первый вход соединен с входом останова преобразователя временной интервал код и входами разрешения записи ОЗУ, регистра и блока формирования сигналов лидирования, второй выход соединен с входом запуска преобразователя временной интервал код и счетным входом датчика адреса, а третий и четвертый выходы соединены соответственно с входом блокирования счетчика адреса и входом разрешения считывания ОЗУ, при этом блок формирования сигналов лидирования выполнен в виде формирователя с выходом индикации и входами сигнала разрешения записи, а к тактовым входам формирователя подключены выходы генератора, к управляющим входам выходы схемы сравнения, входы которой соединены соответственно с выходом формирователя и выходом блока задания порогов.

           Недостатком указанных известных устройств для измерения пульса является сложность конструкции и недостаточно высокая надежность работы.

          Разработанное устройство в рамках курсового проекта не имеет этих недостатков, является простым в обращении и обладает высокой надежностью и  достоверностью результатов.

 

 

 

 

 

 

 

2. Назначение прибора.

Разработанный прибор относится  к медицинской технике и может  быть использован дня измерения  частоты сердечных сокращений.

 Разработанный прибор  обладает рядом преимуществ, среди которых малое энергопотребление, простота конструкции, удобное использование, износоустойчивость, портативность. В связи с этим разработанный прибор можно использовать не только в медицинских учреждениях, но и в домашних условиях.

Глава 3. Структурная схема прибора.

Структурная схема прибора  представлена на рис.1.

 

Рис.1. Структурная схема  прибора для пульса.

На данной блок-схеме на блоке 1 изображен фотооптический датчик, работающий «на просвет». ИК-излучение от излучателя попадает в кровеносный сосуд, отражается от него и попадает на приемник. После сигнал проходит через фильтр верхних частот (блок 2) с частотой среза 0,2 Гц. Далее сигнал усиливается операционным усилителем с коэффицентом усиления равном 42 и срезается фильтром низких частот  (блок 3) с частотой среза 26 Гц. После усиления сигнал еще раз проходит фильтр верхних частот (блок 4) с частотой среза 0,2 Гц для лучшей фильтрации. После фильтра сигнал попадает на микроконтроллер (блок 5) и обрабатывает сигнал. После сигнал идет на индикатор (блок 6), который представляет собой светодиод. На блоке 7 изображен источник питание +5В.

Коэффициент усиления операционного  усилителя равного 42 вполне достаточно, чтобы получить сигнал с размахом амплитуды до 0,5 – 1,5 Вольт. Значения частот среза фильтров рассчитывалось исходя из того что диапазон сердечных сокращений (пульса) от 40 до 199. И мы получили результирующую АЧХ всей схемы, представленную на рисунке 2.

Рис. 2. Результирующая АЧХ  всей схемы

   Закрепленный  на пальце датчик уверенно снимает пульс даже при тряске.

 

 

 

 

 

 

4. Разработка схемы электрической принципиальной

Принципиальная схема разработанного прибора представлена на рис.3

Рис.3. Принципиальная схема  прибора для измерения пульса

 

4.1 Характеристика микроконтроллера.

Рис. 4  Микроконтроллер PIC16F877

 

- PIC16F877 имеет 35 инструкций, позволяющих выполнять различные действия с данными

- Все команды выполняются  за один цикл, кроме инструкций  переходов, выполняемых за два цикла

- При тактовой частоте  - 20МГц, время одного машинный  цикл - 200нс.

- До 256 x 8 байт EEPROM памяти данных

- Система прерываний (до 14 источников)

- 8-уровневый аппаратный  стек

- Программируемая защита  памяти программ

- Режим энергосбережения SLEEP

- Выбор параметров  тактового генератора

- Широкий диапазон  напряжений питания от 2.0В до 5.5В

- Повышенная нагрузочная  способность портов ввода/вывода (25мА)

- Малое энергопотребление.

Эти и другие показатели делают микроконтроллеры семейства PIC16F7X удобными в использовании.

Микроконтроллеры PIC16F87X могут работать в одном из четырех режимов тактового генератора. Указать режим тактового генератора можно при программировании микроконтроллера в битах конфигурации (FOSC1:FOSC0):

• LP - низкочастотный резонатор;

• XT - обычный резонатор;

• HS - высокочастотный  резонатор;

• RC - внешняя RC цепочка.

В режимах тактового  генератора XT, LP и HS кварцевый или  керамический резонатор подключается к выводам OSC1/CLKIN, OSC2/CLKOUT (см. рис 3.4). Для микроконтроллеров PIC16F87X нужно использовать резонаторы с параллельным резонансом. Использование резонаторов с последовательным резонансом может привести к получению тактовой частоты, не соответствующей параметрам резонатора.

 

Рис. Подключение кварцевого/керамического резонатора в HS, XT и LP режиме тактового генератора

 

 

 

 

 

Алгоритм работы микроконтроллера:

list p=16f877

#include p16f877.inc

;------------------------------------------------

;Определение  переменных

 

TIME EQU 0X2A

;-------------- --------------------------------

org 0x00

nop   ;Первая операция - nop

;для внутрисхемных  отладчиков

goto start ;"Стандартное" начало

;(для программ  без прерываний 

org 0x8  ;можно и пропустить этот оператор)

start

;-------Инициализация-----------------------------

BSF STATUS,RP0 ;Регистр TRISB не в нулевой странице!

BCF OPTION_REG,7 ;подтягивабщие резисторы в порту В

movlw 0x00  ;все выводы PORTC и PORTE как выходы

movwf TRISD

MOVLW .7

MOVWF ADCON1

bcf STATUS,RP0 ;Возвращаемся к нулевой странице

;------Главный  цикл-----------------------------

 

ANALYSE

CALL ACP

; MOVLW .101

SUBLW .2

BTFSS STATUS,C

GOTO $+3  ;0 - преодолен порог

BCF PORTD,7  ;1 - не преодален

GOTO $+2  ;1

BSF PORTD,7  ;0

 

GOTO ANALYSE

 

;-------------------------------------------------------------------------

ACP

BSF STATUS,RP0 ;настройка

MOVLW B'00001111' ;левое выравнивание

MOVWF ADCON1

BCF PIE1,ADIE ;Запрет прерывания от АЦП

BCF STATUS,RP0

MOVLW 0xC1  ;RC генератор

MOVWF ADCON0

BCF PIR1,ADIF ;Сброс флага прерывания от АЦП

; BSF INTCON,PEIE ;прерывание от перифер устройств

; BCF INTCON,GIE ;глобальное прерывание

 

CLRF TIME  ;ждем более 20мкс

DECFSZ TIME,1

GOTO $-1

 

BSF ADCON0,2 ;начало оцифровки

 

BTFSC ADCON0,2 ;ждем окончания оцифровки

GOTO $-1

BCF PIR1,ADIF

MOVF ADRESH,W

RETURN

;-------------------------------------------------------------------------

 

END

 

4.2 Выбор датчика.

Рис. Датчик

Анализ современного состояния проблемы пульсовой диагностики  ССС привел к выводу о предпочтительности и перспективности использования  оптического  датчиков для непосредственной регистрации сердечных сокращений (пульса). В своей курсовой работе я применила оптический датчик работающий «на просвет» фирмы Honeywell HLC 1395-002 NPN-типа, который состоит из инфракрасного светодиода и фототранзистора, которые размещены в одном корпусе. Ток светодиода задается резистором R1 и равен 10 мА. Коллектор фототранзистора через резистор R2 подтянут к питанию. Номинал резисторов подобран экспериментально, чтобы потенциал коллектора был где-то в середине напряжения питания. С1- сглаживающий конденсатор.