Размещено на http://www.allbest.ru/

Перечень принятых сокращений и обозначений

EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ;

USB (англ. Universal Serial Bus) - универсальный последовательный интерфейс;

PIC (англ. Peripheral Interface Controller) - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc.

RAM - оперативная память;

QRS - желудочковый комплекс, который регистрируется во время возбуждения желудочков сердца;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

ВКР - выпускная квалификационная работа;

ЖК-индикатор - жидкокристаллический индикатор;

ИК - инфракрасные;

КМОП (К-МОП) - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник;

МК - микроконтроллер;

НЧ - низкочастотные;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПК - персональный компьютер;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

РЭА - радиоэлектронная аппаратура;

ТЗ - техническое задание;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

ЭКГ - электрокардиограмма;

ЭКС - электрокардиостимуляция;

ЭЛТ - электронно-лучевая трубка;

Введение

Основной причиной качественно нового этапа в развитии вычислительной техники послужило появление и широкое внедрение микропроцессорных комплектов интегральных микросхем и PIC-контроллеров. Они позволили, с одной стороны, резко увеличить скорость обработки информации и объем памяти, с другой - столь же резко уменьшить размеры ЭВМ, их стоимость и энергопотребление.

Измерение частоты пульса занимает особое место в системе самоконтроля при выполнении оздоровительных физических упражнений. По частоте пульса определяют оптимальную физическую нагрузку адекватную возможностям организма. Режим работы сердечной мышцы влияет на состояние сердечно-сосудистой системы и на продолжительность жизни человека. Перегрузки во время занятий спортом или эмоциональных переживаний сказываются на износе нашего «мотора» и могут вызывать различные заболевания. Чтобы не навредить себе во время физических нагрузок или активных игр, применяют пульсометр. Также эти приборы рекомендованы для постоянного использования людям с перебоями работы сердца.

В настоящее время медицинская электроника находиться на этапе своего активного развития. В разработку новой медицинской аппаратуры внедряют все новейшие разработки инженеров-электронщиков, работающих в этом направлении. С помощью современных медицинских приборов значительно повысилось качество диагностики и лечения больных.

Целью выпускной квалификационной работы является разработать прибор для измерения пульса.

1. Анализ поставленной задачи, актуальность

1.1 Анализ поставленной задачи

По условию технического задания выпускной квалификационной работы необходимо разработать прибор для измерения пульса. Разрабатываемый прибор должен удовлетворять следующим параметрам:

- иметь жидкокристаллический дисплей;

- иметь клавиатуру для выбора режимов работы;

- иметь датчик сердечных сокращений;

- иметь USB-интерфейс для передачи показаний на ПЭВМ.

Разрабатываемая схема прибора должна быть построена с применением PIC-контроллера, и иметь минимально возможное энергопотребление. Необходимо также рассмотреть различные методы регистрации пульса.

Несомненно, наиболее значимым для выбора технического решения устройства является наличие в приборе жидкокристаллического дисплея. В частности применение жидкокристаллических индикаторов усложняет схему, но в тоже время дает минимальный ток потребления по сравнению с другими индикаторами. Усложнение схемы при применении ЖК индикаторов связанно с тем, что они требуют переменного напряжения управления.

При разработке этого вопроса возможны два решения это использования ЖК-индикаторов со встроенным контроллером или использовании простых ЖК-индикаторов.

Конечно, применение ЖК-индикаторов с контроллером является более перспективным направлением разработки устройств, так как эти индикаторы управляются в последовательном коде и имеют минимальное количество управляющих выводов. Но на сегодняшний день использование таких индикаторов сильно повысит стоимость прибора.

Если использовать в качестве дисплея простые ЖК-индикаторы, то возникает необходимость ставить дополнительные микросхемы для управления индикаторами. При таком подходе к решению этого вопроса необходимо минимизировать количество управляющих линий ввода вывода. Это конечно приведет к усложнению схемы прибора, но зато снизит его стоимость.

Применение PIC-контроллера дает нам возможность расширять сферы применения прибора. То есть, не меняя принципиальной схемы можно строить различные приборы, такие как автомобильные тахометры, частотомеры, шагомеры, электронные рулетки, а использование различных датчиков еще больше расширит сферы применения прибора. Вся задача сводится к написанию управляющей программы для PIC-контроллера.

Один из главных вопросов это методика регистрации пульса. Известны несколько методик обнаружения пульса - это непосредственное измерения биопотенциалов сердца, или изменения состояния капилляров кожного покрова человека при работе сердца. Необходимо разработать несколько датчиков реализующих тот или иной принцип, и создать серию приборов с различными видами датчиков пульса и одинаковой цифровой частью для расширения сферы применения прибора.

Задачей выпускной квалификационной работы является «Разработка прибора для измерения частоты сердечных сокращений».

1.2 Актуальность

Тема данной выпускной квалификационной работы 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.



2. Расчетно-теоретический раздел

Сердце млекопитающих, к которым относится и человек, состоит из 4 камер: двух предсердий, наделенных вспомогательными функциями и имеющих сравнительно тонкие стенки, и двух желудочков, несущих на себе основную нагрузку. Левый и правый отдел сердца также различаются между собой. Обеспечение кровью малого круга менее затруднительно для правого желудочка, чем выталкивание крови в большой круг кровообращения левым. Поэтому левый желудочек более развит, но и страдает больше. Однако не глядя на разницу, оба отдела сердца должны работать равномерно и слаженно. Пример работы сердца и его электрическое отображение приведено на рисунке 1.

Рисунок 1. Работа сердца

Сердце по своей структуре и электрической активности неоднородно, поскольку сократимые элементы (миокард) и несократимые (нервы, сосуды, клапаны, жировая клетчатка) отличаются между собой различной степенью электрического ответа.

Обычно больные, особенно старшего возраста, беспокоятся: нет ли признаков инфаркта миокарда на ЭКГ, что вполне понятно. Однако для этого нужно больше узнать о сердце и кардиограмме. И мы постараемся предоставить такую возможность, рассказав о зубцах, интервалах и отведениях и, конечно, о некоторых распространенных сердечных заболеваниях.

2.1 Способы измерения пульса

2.2.1 Измерение пульса по электрокардиосигналу

После обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца появилась техническая возможность ее зарегистрировать. Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, с помощью своего мегадевайса - струнного гальванометра (string galvanometer). Он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным. На рисунке 2 изображен струнный гальванометр Виллема Эйнтховена.

Рисунок 2. Струнный гальванометр Виллема Эйнтховена

За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии. Именно Эйнтховен в первые получил реальную электрокардиограмму (название он придумал сам), разработал систему отведений - треугольник Эйнтховена и ввел названия сегментов ЭКС. Самым известным является комплекс QRS - момент электрического возбуждения желудочков и, как наиболее выраженный по своим временным и частотным свойствам элемент этого комплекса, зубец R.

На рисунке 3 изображена электрокардиограмма струнного гальванометра.



Рисунок 3. Электрокардиограмма струнного гальванометра.

В современной клинической практике для регистрации ЭКС используют различные системы отведений: отведения с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях, ортогональные отведения (по Франку) и т.п. С точки зрения измерения пульса можно использовать любые отведения, т.к. в нормальном ЭКС R зубец в том или ином виде присутствует на всех отведениях.

2.2.2 Импедансная плетизмография

Импедансная плетизмография - это метод регистрации и исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты. В России часто используется термин реография. Этот способ регистрации ведет свое начала с исследований ученого Манна (Mann, 30-е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40-е годы).

В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и состоит в следующем: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей). Электродная система импедансной плетизмографии приведена на рисунке 4.



Рисунок 4. Электродная система импедансной плетизмографии

Главное условие, предъявляемое к генератору сигнала - это постоянство тока, его значение выбирают обычно не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал, фактически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения. При двухточечной схеме электроды генератора и приемника объединены. Далее сигнал усиливается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается нужная нам дельта. Если прибор откалибровать (для клиники это обязательное условие), то по оси Y можно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот такой сигнал. Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации



Из пульсовой кривой можно получить довольно много информации по состоянию кровообращения исследуемого органа, особенно синхронно с ЭКГ, но нам нужен только пульс. Определить его не сложно - нужно найди два локальных максимума, соответствующих максимальной амплитуде систолической волны, вычислить дельту в секундах ?Tи далее BMP = 60/?T.

Оптическая плетизмография или фотоплетизмография.

Оптический - это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета или отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму. Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии

3. Экспериментальный раздел

3.1 Разработка схемы электрической структурной цифровой части измерителя пульса

Появление микросхем высокого уровня интеграции позволяет с использованием ограниченного их количества решать относительно сложные задачи.

В разрабатываемом приборе основным узлом является PIC-контроллера PIC16F84.

Это достаточно сложное в функциональном отношении устройство, которое содержит в своем составе все узлы, необходимые для работы:

- производительный восьмиразрядный риск процессор;

- 1К электрически перепрограммируемой памяти на кристалле

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- один многорежимный таймер/счетчик;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- четыре источника прерывания:

- 13 линий ввода/вывода

Как отмечалось ранее, все это позволит значительно повысить эффективность использования проектируемой системы и появляется возможность использования данного устройства не только для измерения пульса, но и времени дополнив основную программу работы контроллера.

Следует отметить, однако, что разрядность линий ввода/вывода не достаточно высока для управления ЖК-индикатором.

цифровой частота измеритель пульс



3.2 Разработка структурной схемы аналоговой части прибора для измерения частоты сердечных сокращений

Рассмотрим несколько вариантов измерения пульса у человека. Одним из способов зарегистрировать пульс у человека это непосредственное измерение биопотенциала деятельности сердца, которое имеет следующие особенности.

Каждое сокращение сердца сопровождается серией электрических импульсов, наибольший из которых по амплитуде в кардиологии называется R-импульс. Амплитуда R-импульсов, измеренная между кистями рук, колеблется у разных людей в пределах от 0,2 до 1,5 мВ, а частота следования лежит в интервале от 0,8 до 4 Гц. На теле человека кардиосигнал маскируется частотой 50Гц, амплитуда которой может достигать 1 В. На вход биопульсомера поступают также помехи, вызванные изменением биопотенциала в местах контакта электродов с пальцами из-за непроизвольного колебания рук. Обычно эти помехи, имеют низкую частоту от 0,1 до 0,5 Гц. Входные помехи достаточно резко отличаются по частоте от кардиосигнала, потому усилительная часть датчика пульса представляет собой усилитель с полосой пропускания от 0,5 до 12 Гц. На рисунке 7 предоставлена структурная схема реализации данного принципа.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Как видно из схемы активные электроды подключаются ко входу дифференциального усилителя А1. Основное усиление кардиосигнала происходит во втором каскаде А2. В полосе частот от 0 до 12 Гц его коэффициент усиления составляет 80. Связь между первым и вторым каскадами усиления осуществляется через пассивный фильтр С1, R1 с частотой среза около 0,5 Гц. Далее следует активный фильтр второго порядка. Окончательное очищение кардиосигнала от всякого рода помех происходит после активного полосового фильтра, реализованного на А3. Коэффициент передачи в полосе частот от 6,5 до 12Гц около девяти. Последний каскад датчика является устройством обнаружения максимума в кардиосигнале, т.е., выделяет R-импульсы.

Рассмотрим другой принцип регистрации пульса у человека. Этот датчик состоит из генератора и приемника. Выход зондирующего генератора с помощью активного электрода подключается к любой точке тела. Сигнальный электрод прикладывается к поверхности тела.

Приемник состоит из амплитудного детектора и усилителя. Средой, через которую сигнал передается от зондирующего генератора ко входу приемника, является кровь и другие жидкие среды организма.

Поскольку сопротивление перехода кожа - жидкие среды организма при частоте зондирования от 100 до 200 кГц невелико, на поверхности тела индуцируется напряжение, практически равное выходному напряжению зондирующего генератора. Если к телу приложить токопроводящий электрод, изолированный от кожи тонким слоем диэлектрика, то на нем наведается напряжение.

Кровь, обладающая хорошей электропроводимостью, и токопроводящий электрод, изолированный от тела диэлектриком, образуют конденсатор. Его электрическая емкость изменяется в такт с сердечной деятельностью, так как при пульсации эффективная поверхность одной из обкладок этого конденсатора меняется. Таким образом, напряжение, индуцируемое на сигнальном электроде, окажется промодулированным по закону, отражающему изменения пульса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Данный принцип реализован на структурной схеме, изображенной на рисунке 8. “Электрод 1”, который идет от генератора подключается к ладони. “Электрод 2” представляет из себя кольцо из изолированной проволоки и надевается на фалангу пальца. Этот электрод подключается ко входу амплитудного детектора.

На амплитудном детекторе выделяется изменение пульса. Далее включен фильтр, который убирает помехи вызванные колебаниями рук и сетевыми наводками. Усилитель собран на А1 усиливает очищенный кардиосигнал до необходимого уровня. Далее включен формирователь импульсов, который приводит аналоговый сигнал к КМОП уровням и эти импульсы используются для подсчета в цифровой части прибора.

Пульс можно зарегистрировать еще одним способом. Принцип его основан на изменении интенсивности отраженного ИК-луча от прикладываемого пальца.

Датчик пульса состоит из светодиода и фотодиода, работающих в инфракрасном диапазоне. Светодиод излучает непрерывный поток ИК-лучей которые, попадая на палец, отражаются от него и улавливаются фотодиодом. Интенсивность отраженных ИК-лучей зависит от состояния кожного покрова пальца, так и от состояния наполнения капилляров кровью. Поэтому в отраженном луче присутствует информация о пульсации крови. Поскольку амплитуда сигнала с фотодиода составляет всего от 0,5 до 1 мВ то его усиливают в несколько тысяч раз.

Однако, в месте с отраженным ИК-лучом на фотодиод попадает и проходящий сквозь палец видимый свет. От действия ламп накаливания и люминесцентных светильников на выходе фотодиода возникает переменное напряжение с частотой 50 Гц, от которого избавляются, вводя в усилительный тракт НЧ-фильтры.

На рисунке 9 предоставлена структурная схема датчика работающего на этом принципе. Сигнал с фотодиода поступает на предварительный усилитель А1, коэффициент усиления около 10. Далее сигнал поступает на фильтр, который подавляет в сигнале помехи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Окончательное усиление происходит в усилителе А2. Далее сигнал попадает на формирователь импульсов, который приводит аналоговый сигнал к КМОП уровням и эти импульсы уже используются для подсчета в цифровой части прибора.

3.3 Разработка схемы электрической принципиальной измерителя пульса

Анализируя схему электрическую структурную системы и принцип её функционирования, а также задачи, которые должна реализовать система, необходимо выбрать элементную базу.

В настоящее время имеется широкий выбор радиоэлементов и компонентов, с помощью которых можно реализовать различные схемотехнические решения. К основным требованиям при выборе радиоэлементов относят надежность и практичность в сочетании с низкой стоимостью.

Схема электрическая принципиальная разрабатываемого устройства представлена в Приложение С.

3.3.1 Разработка схемы процессорного узла

В настоящее время существует множество микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, потреблением энергии, производительностью и рядом других параметров. Разница между ними может быть столь большой, что выбор той или иной микросхемы может в корне изменить технические характеристики всего прибора в целом. Наиболее перспективным направлением будет использование PIC контроллеров. Основным требованиям, предъявляемым к прибору, является низкая потребляемая мощность и малогабаритность.

Этому требованию отвечает PIC16F84, выполненный по КМОП-технологии и имеющий следующие параметры:

- только 35 простых команд;

- рабочая частота 4 МГц;

- 1024 х 14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- 64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

- три источника прерывания:

· внешний вход INT;

· переполнение таймера RTCC;

· прерывание при изменении сигналов на линиях порта PORTB;

Архитектура PIC-контроллеров основана на концепции разделения шин областей памяти данных и памяти команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14-битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл.

Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16C84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Порты PORTА и PORTВ, являются двунаправленными портами ввода-вывода с побитовой индивидуальной настройкой на ввод или на вывод и предназначены для обеспечения обмена информации между контроллером и внешними устройствами, образуя 13 линии ввода-вывода.

Порт РORTА - это порт шириной 5 бит. Адрес регистра порта РORTА - 05h. Относящийся к порту РORTА управляющий регистр TRISA находится по адресу 85h. Если бит управляющего TRISA регистра имеет значение единица, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки.

Порт РORTВ - это двунаправленный порт, шириной в восемь бит (адрес регистра 06h). Относящийся к порту РORTВ управляющий регистр TRISB расположен по адресу 86h. Если бит управляющего TRISB регистра имеет значение единица, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки.

У каждой ножки порта РORTВ имеется небольшая активная нагрузка (около 100 мкА) на линию питания. Она автоматически отключается, если эта ножка запрограммирована как вывод. Более того, управляющий бит RBPU OPTION может отключить все нагрузки. Сброс при включении питания также отключает все нагрузки.

Четыре линии порта РORTВ (RB <7:4>) имеют способность вызвать прерывание при изменении значения сигнала на любой из них. Если эти линии настроены на ввод, то они опрашиваются и защелкиваются в цикле чтения. Новая величина входного сигнала сравнивается со старой в каждом командном цикле. При несовпадении значения сигнала на ножке и в защелке, генерируется высокий уровень. Выходы детекторов "несовпадений" RB4, RB5, RB6, RB7 объединяются по ИЛИ и генерируют прерывание RBIF (запоминаемое в INTCON <0>). Любая линия, настроенная как вывод, не участвует в этом сравнении. Прерывание может вывести кристалл из режима SLEEP. В подпрограмме обработки прерывания следует сбросить запрос на прерывания.

Ножка RB0 совмещена с входом внешнего прерывания INT.

Контроллер PIC16F84 могут работать с четырьмя типами встроенных генераторов. Пользователь может запрограммировать два конфигурационных бита (FOSC1 и FOSC0) для выбора одного из четырех режимов: RC, LP, XT, HS. Кристаллы PIC16XXX могут также тактироваться и от внешних источников.

Генератор, построенный на кварцевых или керамических резонаторах, требует периода стабилизации после включения питания. Для этого, встроенный таймер запуска генератора держит устройство в состоянии сброса примерно 18 мс после того, как сигнал на /MCLR ножке кристалла достигнет уровня логической единицы.

В разрабатываемом приборе контроллер будет тактироваться от внешнего источника построенном на микросхеме К176ИЕ12. Выбор пал на использование именно эту микросхему потому, что в приборе нужен ряд служебных частот.

Микросхема К176ИЕ12 имеет в своем составе кварцевый генератор G с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц и два делителя частоты:

СТ2 на 32768 и СТ60 на 60. При подключении к микросхеме кварцевого резонатора она обеспечивает получение частот 32768, 1024, 128, 2, 1.

Импульсы с частотой 128 Гц формируются на выходах микросхемы Т1 - Т4, их скважность равна четырем, сдвинуты они между собой на четверть периода. Эти импульсы предназначены для подключения к жидкокристаллическому индикатору. Частота 1024 Гц предназначена для звукового сигнала будильника.

Принципиальная схема процессорного ядра предоставлена на рисунке 10. К выводу OSC1 подключен выход генератора с частотой колебания 32768 Гц для тактирования. К выводам RB4-RB6 подключена клавиатура. Чтобы она функционировала надо подтянуть эти выводы к высокому уровню. Что означает подключение небольших нагрузок к этим выводам внутри контроллера.

Для реализации хода часов к выводу RB7 подключен выход генератора с частотой колебания 1 Гц.

К выводу RB0 подключается датчик пульса, сигналы с него используются при расчете пульса человека. Для управления дисплеем, который состоит из четырех семи сегментных индикаторов и четырех точек используются семь выводов контроллера это RA0-RA4 и RB1-RB3.



4. Технико-экономический раздел

4.1 Экономическое обоснование разработки

Таблица 1. Сравнительные характеристики мобильных пульсоксиметров

№ п.п.	Наименование	Диапазон измерений, ударов/мин	Погрешность измерений	Питание	Наличие памяти, интерфейса	Цена, руб.
1	Спортивные часы Beurer PM15	25…200	±2 уд/мин	Литиевая батарея CR2025		3400
2	Пульсоксиметр MD300 C1C	30-254	±2 уд/мин	Элемент питания размера AAA - 2шт.	нет	5100
3	Пульсоксиметр МЛ-320	25…200	± 3 уд/мин	Питание от сети переменного тока, 220±22/50 В/Гц	нет	21 500
4	Разрабатываемое устройство	25-254	±3 уд/мин	1xCR2032 3V литиевая батарейка	USB	1400

Выбор PIC16 при разработке прибора для измерения частоты сердечных сокращений является оптимальным как по техническим показателям:

· Имеющиеся в PIC16 количество портов достаточно для разработки и реализации всех заявленных функций прибора;

· Тактовая частота работы PIC16 и его скорость обработки данных достаточны для снятия показаний с датчиков, их обработки и отображения на индикаторную панель;

· Использование простых компонентов положительно сказывается на надежности и безотказности прибора;

Таблица 2. Оценка затрат на закупку аппаратной части прибора измерения частоты сердечных сокращений.

№ п.п.	Наименование	Цена, руб
1	Микроконтроллер	200
2	Дисплей	350
3	Корпус	180
4	Сборка	50
Итого:	780

4.2 Характеристика качества прибора для измерения частоты сердечных сокращений

Предлагаемый прибор имеет следующие функции:

· индикация частоты сердечных сокращений;

· тренировочный режим (введение персональных данных);

· в тренировочном режиме на дисплее показываются:

- процентное соотношение текущего пульса к максимальному;

- общее время тренировки;

- средний пульс;

· можно задавать максимальное и минимальное значение пульса;

· при выходе из установленных пределов дисплей мерцает и издается звуковой сигнал;

· часы (индикация времени/индикация даты);

· Простота в использовании/управление при помощи 3 кнопок;

· Удобный для чтения значений измерений ЖК-дисплей;

· Размеры ЖК-дисплея 250*300 мм;

· Интерфейс USB.



5. Общие требования потребителей к качеству продукции

Прибор для измерения частоты сердечных сокращений предназначен для измерения частоты пульса пациента. По условиям эксплуатации и категории размещения прибор относится к наземной профессиональной РЭА, группе 7 (портативная аппаратура, предназначенная для длительной переноски людьми на открытом воздухе при облегченных внешних воздействиях или в отапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающая и неработающая на ходу) по ГОСТ 15150-69.

Климатическое исполнение прибора У (для районов с умеренно холодным климатом со среднегодовыми экстремумами температуры -40?С…+45?С).

Прибор выполнен на микроэлектронной базе и не содержит специализированных узлов, в его состав входят только стандартные изделия (электрорадиоэлементы).

Общие технические условия на прибор соответствуют ГОСТ 20790-82 «Приборы, аппараты и оборудование медицинские».

5.1 Безопасность и экологичность

5.1.1 Общие положения и область применения

Приборы с внешним питанием в зависимости от способа защиты пациента и обслуживающего персонала от поражения электрическим током подразделяются на четыре класса:

I - приборы, которые в дополнение к основной изоляции имеют приспособление, представляющее собой зажим у изделий с постоянным присоединением к сети или контакт у изделий с сетевым шнуром с вилкой и служащее для присоединения доступных для прикосновения металлических частей к внешнему заземляющему устройству;

0I - приборы, которые имеют для подключения к сети сетевой шнур (или кабель) с вилкой без заземляющих контактов и которые в дополнение к основной изоляции имеют зажим для присоединения доступных для прикосновения металлических частей к внешнему заземляющему устройству;

II - приборы, которые, кроме основной изоляции, имеют и дополнительную;

III - приборы, которые рассчитаны для питания от изолированного источника тока с переменным напряжением не более 24 В или с постоянным напряжением не более 50 В и не имеют внешних или внутренних цепей с более высоким напряжением.

Приборы в зависимости от степени защиты от поражения электрическим током подразделяются на четыре типа:

- Н - имеющие нормальную степень защиты;

- В - имеющие повышенную степень защиты;

- BF - имеющие повышенную степень защиты и изолированную рабочую часть;

- CF - имеющие наивысшую степень защиты и изолированную рабочую часть.

Приборы в зависимости от характера связи с пациентом подразделяются на:

- приборы без рабочей части;

- приборы с рабочей частью, не имеющей электрического контакта с сердцем;

- приборы с рабочей частью, имеющей электрический контакт с сердцем;

- приборы без рабочей части, предназначенные для подключения к изделиям с рабочей частью.

5.1.2 Технические требования

Прибор должен быть так сконструирован и изготовлен, чтобы не возникало опасности поражения электрическим током, как в нормальном его состоянии, так и при единичном нарушении.

Сетевая цепь прибора с внешним питанием должна быть снабжена, кроме основной изоляции, также дополнительным средством защиты по классам I, 0I, II или III.

Доступные для прикосновения металлические части приборов классов I или 0I должны быть соединены с зажимом или контактом защитного заземления.

Требование не распространяется на:

- рабочую часть;

- части, имеющие двойную или усиленную изоляцию;

- части, отделенные от находящихся под напряжением частей металлической заземленной деталью;

- части, которые при нарушении основной изоляции могут оказаться под переменным напряжением не более 24 В или постоянным напряжением не более 50 В, источник которых изолирован от сетевой цепи не менее, чем двойной или усиленной изоляцией.

Доступные для прикосновения части приборов класса II должны иметь двойную или усиленную изоляцию по отношению к сетевой цепи.

Приборы класса III должны быть рассчитаны на питание от внешнего источника с переменным напряжением, не превышающим 24В, или с постоянным напряжением, не превышающим 50 В, и не должны иметь внешних или внутренних цепей с более высоким напряжением.

Приборы типов BF и CF должны иметь рабочую часть, изолированную от доступных для прикосновения металлических частей.

Приборы с внешним питанием, рассчитанные для использования в помещениях, не предназначенных для медицинских целей, и имеющие рабочую часть, предназначенную для электрического контакта с телом пациента, должны изготавливаться по классу II или III.

Приборы без рабочей части должны изготавливаться по типу Н или В.

Прибор с рабочей частью, не имеющей электрического контакта с сердцем, а также подключаемые к ним изделия, должны изготавливаться по типу В, BF или CF.

Приборы с рабочей частью, не имеющей электрического контакта с сердцем, предназначенные для лечебного воздействия на пациента постоянным электрическим током или током низкой частоты должны изготавливаться по типу BF или CF.

Приборы с рабочей частью, имеющей электрический контакт с сердцем, а также подключаемые к ним изделия, должны изготавливаться по типу CF.

Рабочая часть приборов должна быть электрически изолирована от неотносящихся к ней находящихся под напряжением частей.

5.1.3 Ток утечки

Ток утечки прибора не должен превышать значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1. Допустимые токи утечки, мА

Ток утечки	Тип изделия
	Н	В, BF	CF
	В нормальном состоянии	При единичном нарушении	В нормальном состоянии	При единичном нарушении	В нормальном состоянии	При единичном нарушении
На корпус	0,25	0,5	0,1	0,5	0,1	0,5
На пациента	-	-	0,1	0,5	0,01	0,05

5.2 Электрическая прочность и электрическое сопротивление изоляции

Электрическая прочность и электрическое сопротивление изоляции между доступными для прикосновения частями и изолированной рабочей частью прибора с внутренним источником питания не должны быть меньше значений, указанных в таблице 2.



Таблица 2. Испытательные напряжения и минимальные электрические сопротивления изоляции

Изоляция между частями	Испытательное напряжение, В	Минимальное сопротивление изоляции, МОм, изделий типов
	Рабочее напряжение U, В
	до 50	св. 50 до 150	св. 150 до 250	св. 250 до 1000	св. 1000 до 10000	Н, В, BF	CF
Сетевая цепь - доступные для прикосновения части	500	1000	1500	2U + 1000	-	2	2
Сетевая цепь - изолированная (незаземленная) рабочая часть	500	3000	4000	2 (2U + 1500)	2 (U + 2500)	7	70
Доступные для прикосновения части - изолированная (незаземленная) рабочая часть	500	1000	1500	2U + 1000	U + 2000	5	50

5.3 Пути тока утечки и воздушные зазоры

Пути тока утечки и воздушные зазоры между частями, в зависимости от рабочего напряжения должны быть не менее значений, указанных в таблице 3.

Таблица 3. Минимальные значения путей тока утечки и воздушных зазоров

Рабочее напряжение, В	Путь тока утечки, мм	Воздушный зазор, мм
переменного тока	постоянного тока
До 12	До 15	1,7	0,8
Св. 12 до 30	Св. 15 до 36	2,0	1,0
» 30 » 60	» 36 » 75	2,3	1,2
Св. 60 до 125	» 75 » 150	3,0	1,6
» 125 » 250	» 150 » 300	4,0	2,5
» 250 » 380	» 300 » 450	6,0	3,5
» 380 » 500	» 450 » 600	8,0	4,5
» 500 » 660	» 600 » 800	10,5	6,0
» 660 » 750	» 800 » 900	12,0	6,5
» 750 » 1000	» 900 »1200	16,0	9,0

5.4 Измерение путей тока утечки и воздушных зазоров

Измерение путей тока утечки и воздушных зазоров необходимо производить с учетом правил измерения, показанных на рисунке 1. При измерениях части прибора, конструкция которого не предусматривает защиты от смещения или проворачивания, следует устанавливать в самом неблагоприятном положении. При определении зазора, состоящего из нескольких участков, зазоры менее 1 мм не учитываются.

Требование следует считать выполненным, если измеренное значение не менее соответствующего значения, приведенного в таблице 3.

воздушный зазор; - путь тока утечки;

А, Б - части, между которыми измеряется путь тока утечки или воздушный зазор.

Рисунок 1. Схемы измерения путей тока утечки и воздушных зазоров

5.5 Хранение прибора и уход за ним

- Прибор содержит много высокоточных компонентов. Необходимо использовать его при комнатной температуре и оберегать от загрязнений, резкого перепада температур, повышенной влажности, попадания прямых солнечных лучей, ударов, тряски и пыли.

- Необходимо протирать корпус прибора сухой мягкой тканью. Не допускать применение растворителей, спирта, бензина и влажной ткани.

- Необходимо избегать сильного сворачивания и скручивания соединительных проводов. Необходимо оберегать провода от острых предметов.

5.6 Утилизация

По окончании срока службы прибор подлежит отдельной утилизации. Для утилизации данного электронного устройства необходимо обратится к производителю, либо к фирмам, утилизирующим электрооборудование. Нельзя уничтожать прибор вместе с неотсортированными бытовыми отходами.



Заключение

В ходе выполнения ВКР 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.



Библиографический список

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;

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

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

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

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

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

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

9. 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.

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

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

Размещено на Allbest.ur

...