Прибор для измерения пульса

Прибор для измерения пульса

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Прибор для измерения пульса

Введение

Тема данного курсового проекта является актуальной, т.к.в связи с большой смертностью населения от сердечнососудистых заболеваний существует необходимость постоянно контролировать такой жизненно важный орган, как сердце. Артериальное давление и пульс служат основными показателями состояния сердечнососудистой 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.

. Структурная схема прибора

Структурная схема прибора представлена на рис. 1.

прибор усилитель микроконтроллер патентный

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

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 - 200 нс.

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!

movlw         0x00           ; все выводы PORTC и PORTE как выходы

movwf        TRISD

MOVLW     .7

MOVWF     ADCON1

bcf     STATUS, RP0     ; Возвращаемся к нулевой странице

; - Главный цикл-

          ACP

;         MOVLW    .101   .2       STATUS, C         $+3             ; 0 - преодолен порог          PORTD, 7            ; 1 - не преодален

GOTO         $+2             ; 1

BSF   PORTD, 7            ; 0

          ANALYSE

;-        STATUS, RP0     ; настройка B'00001111'         ; левое выравнивание

MOVWF     ADCON1

BCF  PIE1, ADIE          ; Запрет прерывания от АЦП

BCF  STATUS, RP0     0xC1           ; RC генератор    ADCON0   PIR1, ADIF          ; Сброс флага прерывания от АЦП

;         BSF   INTCON, PEIE    ; прерывание от перифер устройств

;         BCF  INTCON, GIE      ; глобальное прерывание

CLRF          TIME                   ; ждем более 20 мкс

DECFSZ     TIME, 1

GOTO         $-1

BSF   ADCON0,2 ; начало оцифровки

BTFSC       ADCON0,2 ; ждем окончания оцифровки

GOTO         $-1

BCF  PIR1, ADIF          ADRESH, W

;-

END

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.

Рис. 7 Устройство оптического датчика.

Оптические бесконтактные выключатели состоят из 2-х функционально законченных блоков - источника излучения и приемника этого излучения, Источник излучения (передатчик);

. Генератор вырабатывает последовательность электрических импульсов поступающих на излучатель.

. Излучатель светодиод инфракрасного или оптического (красного) диапазона, создающий излучение.

. Индикатор показывает наличие напряжения питания на излучателе. Приемник:

. Фотоприемник (фототранзистор) - воспринимает излучение и преобразует его в электрический сигнал,

. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

. Усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала до необходимого значения, В качестве коммутационных элементов используются мощные транзисторы.

. Светодиодный индикатор показывает включенное / выключенное состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки и ремонта оборудования.

. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из полиамида, комплектуется.

Схема подключения оптического датчика

Рис. 8 Схема подключения оптического датчика (нагрузка отключена)

Выходной транзистор NРN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и общим, плюсовым, проводом. Выполняется функция замыкающего контакта (в исходном состоянии нагрузка отключена). Выпускаются две модификации: кабельное соединение и разъемное соединение.

Рис. 9 Схема подключения оптического датчика (нагрузка подключена)

Выходной транзистор NРN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и общим, плюсовым, проводом. Выполняется функция размыкающего контакта (в исходном состоянии нагрузка подключена). Выпускаются две модификации: кабельное соединение и разъемное соединение.

Для измерения пульса применяют оптические датчики, как работающие «на просвет», так и «отражающие». Недостатком датчика «на просвет» является то, что с помощью него можно измерять пульс только на таких участках, как палец либо мочка уха. В датчике излучатель и приемник расположены друг на против друга, а излучение не может пройти сквозь плотные ткани. Если у пациента на ногтях находится красители, включая лак для ногтей, то они могут спровоцировать заниженное значение пульсации. Дело намного лучше обстоит с «отражающим» датчиком, работающим. Данный датчик можно закрепить с помощью ленты на любом участке тела. Например, у новорожденного ребенка очень маленькие пальчики и использовать прибор для измерения пульса в виде прищепки, где используется датчик «на просвет», крайне не удобно, поскольку его не возможно будет закрепить, часть излучения будет потеряны, поскольку пальчики ребенка маленькие и излучатель будет рассеивать излучение. А прибор, где используется «отражающий» датчик, можно закрепить на ножке новорожденного и снять точные показания частоты сердечных сокращений.

Выбирая «отражающий» датчик, мы выбрали датчик, имеющий расстояние до объекта обеспечивающее максимальную чувствительность 1,02 мм, поскольку большее расстояние для измерения пульса не удобно. Приведена таблица характеристик оптических «отражающих» датчиков фирмы Honeywell.

Таблица 1. Характеристики оптических отражающих датчиков фирмы Honeywell

Операционный усилитель. Фильтры

Операционный усилитель LM 358 фирмы Kingbright изображен на рисунке 10.

Рис. 10 Операционный усилитель LM 358 фирмы Kingbright

Не инвертирующий усилитель собран на LM 358 фирмы Kingbright. Это сдвоенный операционный усилитель общего назначения. Коэффициент усиления схемы задается резисторами R6 и R5 и равен 42. Вполне достаточно чтобы получить сигнал с размахом амплитуды до 0,5 - 1,5 Вольт. Коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

С2, R3, R4 и C5, R7, R8 - пассивные фильтры ВЧ для отсечки постоянной составляющей. Частота среза 0,2 Гц. Конденсатор С4 ослабляет коэффициент усиления схемы на высоких частотах вместе с резистором R6 образует фильтр НЧ с частотой среза 26 Гц. Конденсатор С3 обрезает постоянную составляющую и вместе с резистором R9 образует ВЧ фильтр с частотой среза 0,15 Гц.

Выбор светодиода для индикации

Рис. 11 Светодиод Green Led LLC 5300E17

Таблица 2. Электрические характеристики диода Green Led LLC 5300E17, Chicago Miniature Lighing.

Расчет сопротивления для светодиода, осуществляется по следующей формуле:

= (V _S - V _L) / I

_S - напряжение питания _L - прямое напряжение, расчётное для каждого типа диодов (5 В) = ток светодиода (10мA)

Мы получили, что сопротивление R =290 Ом

Блок питания

Рис. 12. Блок питания.

Источник питания батарейка «Крона 9В». Так как наша схема питается от напряжения питания 5В, то мы стабилизировали напряжение с помощью стабилизатора DD3 и двух конденсаторов С8 и С9, которые равны 20пФ. За счет этого мы получаем на выходе напряжение питания 5В.

. Энергетическое обеспечение прибора

Таблица 3. Электрические характеристики компонентов прибора

Потребляемый ток проектируемого прибора при максимальной нагрузке составляет 0,390 А. Потребляемая мощность составляет 1,887 Вт.

. Анализ и расчет погрешностей разрабатываемого прибора

При определении суммарной погрешности измерительного устройства необходимо руководствоваться следующими правилами:

Для определения значения оценки результирующей погрешности всего измерительного устройства должны учитываться взаимные корреляционные связи различных составляющих погрешности отдельных функциональных блоков, поэтому исходными данными для расчета являются значения соответствующих оценок отдельных составляющих, а не оценки суммарных погрешностей отдельных функциональных узлов.

Эти составляющие прежде всего разделяются на аддитивные и мультипликативные, для их последующего раздельного суммирования.

Так как суммировать с учетом корреляционных связей можно лишь средние квадратические значения составляющих, то для каждой составляющей должны быть по исходным данным найдены ее средние квадратические значения.

Далее должны быть выделены группы сильно коррелированных между собой составляющих погрешности и внутри этих групп произведено алгебраическое суммирование. К ним, как правило, относят погрешности, вызванные одной общей причиной (общий источник питания, одинаковые температурные условия и т.д.), когда тесные корреляционные связи определяются логически, и для них принимают rr равным +1 или -1.

Погрешности же, между которыми такие взаимосвязи не обнаруживаются, относят к некоррелированным и для них принимают rr=0.

Значение погрешности с 90%-ной доверительной вероятностью определяем согласно рекомендациям, приведенным в, как

Пример расчетного определения погрешности прибора по известным погрешностям его отдельных функциональных блоков

Пусть необходимо определить погрешность прибора, структурная схема которого показана, по известным составляющим погрешностей входящих в него функциональных блоков. Прибор состоит из фотооптического датчика Д, усилителя У и индикатора И в виде светодиода. Датчик имеет аддитивную погрешность, ноpмиpованную предельным значением . Датчик питается через стабилизатор от общего с усилителем блока питания БП.

Прежде всего, как указывалось выше, все оставшиеся погрешности необходимо подразделить на аддитивные и мультипликативные, приписать каждой из них соответствующий закон распределения и найти с.к.о. Все расчеты будем вести в относительных приведенных значениях и сохранять при промежуточных округлениях один лишь недостоверный десятичный знак в их значениях.

Пусть аддитивная погрешность прибора обусловлена аддитивными погрешностями датчика и индикатора, а мультипликативная - колебаниями напряжения питания датчика и усилителя и зависимостью от чувствительностей усилителя и индикатора.

Закон распределения погрешности фотооптического датчика можно принять равномерным, а так как чаще всего погрешности датчиков нормируются без существенного запаса на старение, то  можно считать половиной ширины распределения. Отсюда с.к.о.

.

Погрешность электроизмерительных приборов по стандарту указывается с запасом на старение. Поэтому предельную погрешность индикатора можно оценить как , где  - основная погрешность, соответствующая классу точности. Отсюда . Закон распределения погрешностей электромеханических приборов близок к трапецеидальному с контрэксцессом cc=0,7 и энтропийным коэффициентом k=1,9. Доверительное значение погрешности с РД=0,9 для такого распределения равно приблизительно . Поэтому . Отсюда .

Аддитивная погрешность прибора будет образована суммой двух рассмотренных составляющих. Поэтому с.к.о. погрешности нуля прибора составит

Переходя к суммированию мультипликативных составляющих погрешности, примем следующие исходные данные. Пусть коэффициент влияния на чувствительность индикатора равен YYои=-0,2%/10К и усилителя YYОУ=-0,1%/10К. Если усилитель и индикатор располагаются в одном корпусе, то оба они находятся всегда при одной и той же температуре и, следовательно, их температурные погрешности достаточно жестко коррелированы между собой и должны суммироваться не геометрически, а алгебраически. Отсюда результирующий коэффициент влияния температуры равен YYО=-0,2 + 0,1=-0,1%/10К. Тогда температурная составляющая мультипликативной погрешности имеет равномерное распределение с

.

Пусть колебания напряжения в сети, от которой питается рассматриваемый прибор, находиться в пределах ±±10% и имеют треугольный закон распределения вероятности. Датчик Д питается через стабилизатор с коэффициентом стабилизации k=25. Тогда колебания напряжения питания датчика, а следовательно, и мультипликативная погрешность его выходного напряжения имеет также треугольное распределение в пределах

 с с.к.о.: .

Усилитель У питается нестабилизированным напряжением. Коэффициент усиления ОУ по напряжению без ООС меняется в зависимости от напряжения питания от 1 дБ/В до 150 дБ/В (конкретное значение этого числа необходимо взять из справочника по ОУ для используемого Вами усилителя). Но благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние нестабильности питания ОУ на коэффициент усиления усилителя снижено до значения

У=0,3% /В.

Полагаем, что усилитель питается от источника напряжения 10В, тогда колебания напряжения питания, вызванные нестабильностью напряжения сети, составят 1В. Поэтому мультипликативная погрешность прибора, вызванная случайными колебаниями напряжения питания, будет распределена также по треугольному закону в пределах:

.

Так как обе погрешности от колебания напряжения вызываются одной и той же причиной, то они коррелированы между собой и складываются алгебраически, а не геометрически, хотя каждая из них случайна. Поэтому

Суммарные погрешности от колебаний температуры и колебаний напряжения независимы и поэтому складываются геометрически, то есть с.к.о. мультипликативной составляющей

.

Результирующая погрешность в конце шкалы прибора складывается из аддитивной и мультипликативной погрешностей по правилам суммирования независимых погрешностей:

.

В нашем примере приведенные погрешности определяем согласно (2):

.

Если результирующее распределение близко к нормальному, то подобным же образом могут быть определены погрешности не только с РД=0,9, но и с РД=0,95 согласно соотношениям:

Таким образом, при испытаниях такого прибора следует ожидать изменения погрешности от ggН=0,33% в начале шкалы до ggК=0,58% в конце шкалы. Однако при нормировании погрешности такого прибора по стандарту необходимо иметь запас на старение не менее 25% фактической погрешности, а нормируемые значения погрешности в начале и конце шкалы должны быть выбраны из ряда предпочтительных чисел, предусмотренных ГОСТ 8.401-80, то есть должны быть указаны, т.е. класс прибора указан как 1,0/0,5.

Заключение

В ходе курсового проектирования мною был разработан прибор для быстрой и достоверной индикации пульса. Данный прибор является портативным, прост в обращении и может быть использован в домашних условиях. Основным преимуществом этого прибора является хорошо подобранный датчик, за счет этого прибор приобрел универсальность. Т.е. возможность снимать показания о частоте сердцебиения не только с подушечки пальцев, но и на других частях тела. Так же этот прибор можно использовать в научных лабораториях, где ставят эксперименты над животными.

Список используемой литературы

прибор усилитель микроконтроллер патентный

1.   Новицкий П.В., Гитис Э.И., Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств, М. - Л., 1977;

2.       Нуберт Г.П., Измерительные преобразователи неэлектрических величин, пер. с англ., Л., 1990;

.         Патент РФ автор Царев О.А., Способ определения вязкости крови; опубликовано 20.01.1999 г. G01N33/49;

.         Како Н., Яманэ Я., Датчики и микро - ЭВМ/ пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986. - 120 с.

.         Новиков Ю.Н., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. - М: БИНОМ, 2006 г. - 358 с.

.         Хилл С. Искусство схемотехники /перев. С англ. - Лондон, 1987 г. - 2 тома;

.         Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 2001. - 325 с.

.         Левшина Е.С., Новицкая П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. Отделение, 1983. - 320 с.

.         Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.:Белорусь, 1994. - 591 с.

.         ГОСТ 12.2.025-76. Изделия медицинской техники. Электробезопасность.

Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. - Мир, 1994. - 196 с.