Прибор для измерения пульса

 

За счёт активации  обмена веществ в мышцах увеличивается  теплопродукция (сократительный термогенез). Одновременно усиливается и несократительный термогенез в таких внутренних органах как мозг, печень, лёгкие.

 

Удержание температуры  начинается по достижении установочной точки и может быть кратким (часы, дни) или длительным (недели). При  этом теплопродукция и теплоотдача уравновешивают друг друга, и дальнейшего повышения температуры не происходит, терморегуляция происходит по механизмам, аналогичным норме. Кожные сосуды при этом расширяются, уходит бледность, и кожа становится горячей на ощупь, а дрожь и озноб исчезают. Человек при этом испытывает чувство жара. При этом сохраняются суточные колебания температуры, однако их амплитуда резко превышает нормальную.

 

В зависимости от выраженности подъёма температуры во вторую стадию лихорадку подразделяют на субфебрильную (до 38 °C), слабую (до 38,5 °C), умеренную(фебрильная) (до 39 °C), высокую (пиретическая) (до 41 °C) и чрезмерную (гиперпиретическая) (свыше 41 °C). Гиперпиретическая лихорадка опасна для жизни, особенно у детей.

 

Падение температуры может быть постепенным или резким. Стадия снижения температуры начинается после исчерпания запаса экзогенных пирогенов или прекращения образования эндогенных пирогенов под действием внутренних (естественных) или экзогенных (лекарственных) антипиретических факторов. После прекращения действия пирогенов на центр терморегуляции установочная точка опускается на нормальный уровень, и температура начинает восприниматься гипоталамусом как повышенная. Это приводит к расширению кожных сосудов и избыточное теперь для организма тепло выводится. Происходит обильное потоотделение, усиливается диурез и перспирация. Теплоотдача на данной стадии резко превышает теплопродукцию.

 

Типы лихорадок по характеру колебаний суточной температуры:

Постоянная лихорадка (febris continua) — длительное устойчивое повышение температуры тела, суточные колебания не превышают 1 °C.

Ремитирующая лихорадка (febris remittens) — значительные суточные колебания температуры тела в пределах 1,5-2°С. Но при этом температура не снижается до нормальных цифр.

Перемежающаяся лихорадка (febris intermittis) — характеризуется быстрым, значительным повышением температуры, которое держится несколько часов, а затем сменяется быстрым её падением до нормальных значений.

Гектическая, или изнуряющая лихорадка (febris hectica) — суточные колебания достигают 3-5°С, при этом подъёмы температуры с быстрым спадом могут повторяться несколько раз в течение суток.

Извращенная лихорадка (febris inversa) — для неё характерно изменение  суточного ритма с более высокими подъёмами температуры по утрам.

Неправильная лихорадка (febris athypica) — для которой характерны колебания температуры в течение суток без определенной закономерности.

Возвратная лихорадка (febris recurrens) — характеризуется чередованием периодов повышения температуры с периодами нормальной температуры, которые длятся несколько суток.

На данный момент существуют целый ряд цифровых термометров, например:

Прецизионный термометр  АТТ-2002

Рисунок 1.1 - Прецизионный термометр АТТ-2002

Прецизионный цифровой термометр АТТ-2002 с возможностью передачи данных на компьютер. Имеет высокую точность измерений, возможность работы с термопарами 5-ти типов и термосопротивлением Pt-100, современный дизайн, прочный и удобный портативный корпус. Выбор типа датчика осуществляется нажатием кнопки на лицевой панели. Использование 4-х проводной схемы позволяет по мере необходимости удлинять кабель, связывающий терморезистор Pt-100 c измерительным устройством. Термометр АТТ-2002 снабжен рядом дополнительных функций, среди которых удержание показаний, отображение максимальных и минимальных значений в ходе измерения, режим относительных измерений, индикация разряда батареи.

Особенности:

• Высококонтрастный жидкокристаллический дисплей, с высотой цифр 13 мм
• Работает с платиновым термосопротивлением АТА-2210 и стандартными термопарами типа K/J/T/E/R
• Расширенный диапазон измерения температуры –100°C...+1370°C
• Погрешность измерения ±(0,1 %±0,2°C)
• Встроенная схема компенсации холодного спая и температурной компенсации линейности
• Четырехпроводная схема подключения терморезистора АТА-2210
• Режим измерения относительной температуры
• Связь с персональным компьютером по RS-232

Стандартная комплектация:

• Термометр АТТ-2002
• Руководство по эксплуатации

Дополнительная комплектация:

• Терморезистор АТА-2210
• Термопары типа АТА-2027, АТА-2102, АТА-2103, АТА-2104, АТА-2032
• Интерфейсный кабель RS-232
• Программное обеспечение под Windows

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Обоснование структурной схемы

 

Структурная схема цифрового термометра представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема цифрового термометра

      Принцип  работы разрабатываемого устройства  следует объяснить по следующей схеме (рисунок 2.1): подаем напряжение питание на устройство. На ЖКИ (4) показывает ноль градусов по Цельсию. Как только мы прикладываем разрабатываемое устройство на тело человека (чаще всего это делают под мышку), то с течением некоторого времени прибор определит температуру тела человека. Это осуществляется с помощью датчика (1), выполненного в виде диода, основанного на p-n переходе. Усилитель сигнала (2) служит для возможности работы микроконтроллера (3), который преобразует аналоговый сигнал в цифровой и ведет пересчет. Усилитель усиливает сигнал до необходимого уровня напряжения, при котором возможна работа микроконтроллера.

       Датчик  подобран с отрицательным температурным  коэффициентом. Это значит: Чем  температура выше, тем сопротивление  термистора ниже. Конструкцию датчика подбирали на заданный диапазон измерений температур от 0 градусов по Цельсию до плюс 50 градусов по Цельсию.\

     Если же  каким то образом температура  будет выходить за пределы  диапазона от нуля до плюс 50 градусов по Цельсию, то для разрабатываемого устройства предусмотрена сигнализация, выполненная в виде блока из светодиода и динамика (5).

      Элементом питания для прибора служит батарея типа «Крона 9 В». Блок питания (6) преобразует напряжение питания из плюс 9 В в плюс 5 В.

 

 

3 Выбор элементной базы, расчет основных элементов и узлов

 

3.1 Датчик

 

         В устройстве установлен специальный датчик 1N4148, имеющий достаточно малую температурную инерционность. Как известно напряжение на переходе полупроводникового диода в прямом включении практически линейно уменьшается при увеличении температуры. Изменение составляет около 0,03% на 1°С, иными словами диод имеет отрицательный температурный коэффициент нестабильности (ТКН) 1мВ на °С.

      В данном  датчике приведены его основные  технические характеристики в  таблице 3.1.1

Таблица 3.1.1 – основные технические характеристики 1N4148

 

 

Таблица 3.1.2 – Технические характеристики 1N4148

Погрешность данного  датчика составляет:  ± 0,06% / °С

Рисунок 3.1 – Чертеж конструктивный датчика 1N4148

Приведем пересчет выходного напряжения датчика на заданный диапазон соответственно:

При температуре 0 °С Uвых = 0 В.

При температуре 50 °С Uвых = 0,05 В.

 

 

3.2 Усилитель

       В след за датчиком необходимо поставить усилитель сигнала (DA1), т.к. сигнал на выходе очень мал. На рисунке 3.3.1 представлена схема включения усилителя AD623.

         Рисунок 3.3.1 – схема включения усилителя в разрабатываемый прибор

Был выбран усилитель AD623 с однополярным источником питания плюс 5В. На рисунке 3.2.2 изображено его схема

          Рисунок 3.2.2 – Схема усилителя AD623

В таблице 3.2.1 приведены  его некоторые технические характеристики

          Таблица 3.2.1 – Технические характеристики AD623

Расчет усилителя выполняется  исходя из следующего (см. рисунок 3.3.1):

Амплитуда сигнала, снимаемая  с датчика, лежит в пределах от 0 В до 0.05 В. Чтобы микроконтроллер мог производить дальнейшую обработку сигнала необходимо его усиливать с коэффициентом усиления 100. Для усилителя AD623 с однополярным источником питания (при R_L = 10кОм) коэффициент усиления задается формулой:

G = (1 + 100кОм/R1)

R1 = 1кОм.

Для проверки полученного  результата был использован программный  продукт Proteus 7.0. На рисунке 3.3.2 приведены экранные формы.

Рисунок 3.3.2 – разработанная  модель

На графике 3.3.1 было проиллюстрировано значение напряжения на входе ОУ, которое соответствует температуре, равной 36,6°C

График 3.3.1 – сигнал на входе ОУ

На графике 3.3.2 было проиллюстрировано  значение того же напряжения, что и  на входе, только усиленного в 100 раз.

График 3.3.2 – напряжение на выходе ОУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Микроконтроллер

-PIC16F876 имеет 25  задействованных ножек, 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 (при тактовой частоте равной 4 МГц ток потребления составляет менее 0,6 мА, напряжение потребления меньше 3 В.

 

В режимах тактового  генератора XT, LP и HS кварцевый или  керамический резонатор подключается к выводам OSC1/CLKIN, OSC2/CLKOUT микроконтроллера PIC16F876. Нужно использовать резонаторы с параллельным резонансом. Использование резонаторов с последовательным резонансом может привести к получению тактовой частоты, не соответствующей параметрам резонатора.

 

         Рис. 3.3.1 - Расположение выводов.

Для частоты в 20 МГц выберем емкость в 10 пФ, и кварцевый резонатор HC-49U 20.000 МГц.

В таблице 3.3.1 приведены параметры микроконтроллера.

          Таблица 3.3.1 – параметры МК

Модуль 10-разрядного АЦП имеет 5 каналов у 28-выводных микросхем и восемь каналов у 40/44-выводных микросхем. Входной аналоговой сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор АЦП C_HOLD. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе C_HOLD в соответствующий 10-разрядный цифровой код методом последовательного приближения. Источник верхнего и нижнего опорного напряжения может быть программно выбран с вывода RA2 и RA.

   Для управления  АЦП в микроконтроллере используется 4 регистра:

• Регистр результата ADRESH (старший бит);
• Регистр результата ADRESL (младший бит);
• Регистр управления ADCON0;
• Регистр управления ADCON1.

Регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля с АЦП, а с помощью регистра ADCON1 устанавливаются какие входы МК будут использоваться модулем АЦП и в каком режиме.

На рисунке 3.3.2 приведена структурная схема модуля АЦП

            Рисунок 3.3.2 – Структурная схема модуля АЦП

Аналого-цифровое преобразование: сброс бита GO/-DONE в 0 во время преобразования приведет к его прекращению. При этом регистры результата ADRESH и ADRESL не изменяют своего содержимого. После досрочного завершения преобразования необходимо обеспечить временную задержку 2T_AD. Выдержав требуемую паузу, можно начать новое преобразования установкой бита GO/-DONE в 1.

На рисунке 3.3.3 показана последовательность получения результата после установки бита GO/-DONE 1

       Рисунок 3.3.3 – Последовательность получения результата в модуле АЦП

10-разрядный результат  преобразования сохраняется в  спаренном 16-разрядном регистре ADRESH и ADRESL. Запись результата преобразования может выполняться с правым и левым выравниванием, в зависимости от значения бита ADFM (см. рисунок 3.3.4). Не задействованные биты регистра ADRESH и ADRESL читаются как 0. Если модуль АЦП выключен, то 8-разряднын регистры ADRESH и ADRESL могут использоваться как регистры общего назначения.

         Рисунок 3.3.4 – Выравнивание результатов аналого-цифрового преобразования

         На рисунке 3.3.5 приведены структурная схема МК

         Рисунок 3.3.5 – структурная схема PIC16F876.

 

Операции, выполняемые  микроконтроллером, можно проиллюстрировать следующим алгоритмом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4 Динамик и светодиоды

 

Рисунок 3.4.1 – Внешний вид светодиода L-13ID

R8 = 2.5 / 0.02 = 125 Ом

        Рисунок 3.4.2 – Внешний вид микродинамика KPDR-157BH.

Импеданс 150±15% Ом, мощность 0.25 Вт, частота 700 Гц.

3.5 ЖКИ

Отображение значения температуры в градусах по Цельсию происходит на ЖКИ.

Схема включения ЖКИ  в разрабатываемый прибор показана на рисунке 3.5.1

 

        Рисунок 3.5.1 – Схема включения  ЖКИ DV16100 в разрабатываемый прибор

Питается ЖКИ однополярным напряжением в плюс 5В. В таблице 3.5.1 приведены технические характеристики DV16100.

            Таблица 3.5.1 – Технические характеристики DV16100

Жидкокристаллический  модуль DV16100 состоит из БИС контроллера KS0066U и ЖК панели. Модуль позволяет отображать графическое поле 80х36 точек. Каждой светящейся точке на ЖК панели соответствует 1 в ОЗУ контроллера. Габаритные размеры дисплея 80х39х3. Модуль позволяет: