Курсовая работа: Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску
Курсовая работа: 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 доступно елементної бази.
В результат 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 Загальн відомості про вимірювання температури тіла
1.1.2 Вимірювання температури за допомогою термопар
1.1.3 Безконтактна термометрія
1.1.4 Оптоволоконн термодатчики
1.1.5 Напівпровідникові датчики температури
1.2 Методи вимірювання артеріального тиску
1.2.1 Загальн 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 ндикатор;
САТ–систолічний артеріальний тиск;
ФВЧ–фільтр верхніх частот.
ВСТУП
Пристро для вимірювання температури тіла є одними з найстаріших діагностичних пристроїв. Вимірювання температури внутрішніх органів та шкіри дає лікарю важливу нформацію 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. Ц 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 непрям (неінвазивні) методи вимірювання. Для кожного з методів повинні бути оцінен 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, 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 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 ланцюз 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 використову 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 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 точц 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 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 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, наявност дисперсних включень і т. п. Необхідно враховувати також характеристики оптично 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 світлопроводів повинні бути достатньо малими, щоб разом із захисним ковпачком х можна було помістити в точку вимірювання. Один зі світлопроводів переда світло від світлодіода до датчика. Світло проходить через кристал GaAs і потім по другому світлопроводу передається у вимірювальний пристрій. При проходженн 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 заборонено енергетичної зони сильно залежить від температури напівпровідника, тому при підвищенн температури кількість енергії, що поглинається, зростає.
Так 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 портативн 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.
Вс 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 оцифрован 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.
Сучасн напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55°С до +150°С. 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 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 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.
