СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

       Инструментальное  исследование состояния сердечно сосудистой системы насчитывает чуть более  ста лет. Открытие закона Фарадея, положившее начало конструированию различных  электрических механизмов, породило проблему использования достижений технического прогресса в диагностике и лечении человека. Особенности работы сердца, как уникального природного механизма, издавна возбуждали исследовательский интерес у многих учёных, начиная с античного мира. Но возможность более подробно начать исследовать принципы его деятельности стала реальной только при открытии законов движения заряженных частиц в электрических цепях. Первая регистрация электрокардиосигнала, прототипа современной электрокардиограммы (ЭКГ), была предпринята В. Эйнтховеном в 1912 году в г. Кембридже. После этого методика регистрации ЭКГ интенсивно совершенствовалась. Одновременно начали появляться новые методы исследования сердечно – сосудистой системы. В первую очередь была внедрена фонокардиография, основанная на регистрации звуковых шумов сердца при его работе. Она явилась развитием аускультации тела, которая использовалась с очень давних времён. Также был изобретён первый измеритель артериального давления, основанный на косвенном методе измерения.

       Изобретение электропроводных материалов, позволило  использовать их при регистрации  биопотенциалов тела, а также его  механических параметров. Так, на смену  первым датчикам для регистрации  ЭКГ, предложенными В. Эйнтховеном, которые были не что иное, как вёдра наполненные водой, в которые погружали руки и ноги, а вёдра соединяли в гальваническую цепь, были предложены в 1917 году металлические пластинчатые электроды . Аналогичные электроды используются и сегодня в ряде клиник. Они выполнялись из металла, который покрывался тонким слоем хлорного серебра. Такое напыление позволяло делать более стабильным контактную разность потенциалов, возникающую на границе металл – кожа.

         В послевоенный период, после  1945 года, когда началась развиваться  радиоэлектроника, стали появляться различные специализированные диагностические приборы, сконструированные на электронно – механической элементной базе. Это в первую очередь измерители артериального давления . Предложенный косвенный метод измерения, конструктивно основанный на регистрации врачом значений артериального давления по шкале механического манометра, этот метод сохранился в практике до настоящего времени.

       Уже начиная с 1960 года, в медицинских  приборах начала увеличиваться доля электронных компонентов. В серийном производстве стали выпускать сложные приборы, к которым без сомнения можно отнести электрокардиографы. В них использовалась фильтрация регистрируемых кардиосигналов, осуществляемая с помощью электронных фильтров. Специальные механические самописцы, позволяли на специальной бумаге записывать ЭКГ.

       Однако  измерение только артериального  давления и регистрация ЭКГ, были недостаточны для установления достоверного диагноза. В это же время начинается использование многоканальных регистраций  ЭКГ. Одновременно появляются поликардиографические методы исследования сердечно – сосудистой системы . Они основывались на регистрации нескольких физических характеристик сердца, как правило, синхронно с электрокадиосигналом, регистрировались реограмма , отражающая кровенаполнение сосудов и характеризующая изменение артериального давления крови, механические колебания – кинетокардиограмма , или баллистокардиограмма , как более сложная при регистрации из –за использования особого датчика. [ссылка 1]

Рисунок 1. Синхронная запись реограммы (РЕО), кинетокардиограммы (ККГ) и электрокардиограммы (ЭКГ), использующиеся при поликардиографическом методе.

       В данном курсовом проекте будет разработан микропроцессорный блок управления для пульсотахометра. В качестве базовой схемы была взята схема пульсотахометра модели 084, выпускавшегося Ленинградским ПО «Красногвардеец».

 

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

       1.1 Обзор паспорта базового устройства

       1.1.1 Назначение изделия

       Пульсотахометр  предназначен для длительной непрерывной  индикации частоты пульса человек в операционных, в послеоперационных палатах, в травматических пунктах.

       1.1.2 Технические характеристики

       Погрешность индикации частоты пульса – не более 6%. Пределы индикации частоты пульса – от 30 до 240 ударов в минуту. Пульсотахометр работает от сигналов пальцевого  датчика , датчика отраженного света и от электрокардиосигнала, снимаемого с выхода электрокардиографа. Каждый пульсовый удар сопровождается световым и звуковым сигналом, а отсчет частоты пульса производится по шкале стрелочного индикатора. Питание - от сети переменного тока 50 Гц 220 В. Мощность потребляемая от сети 15 Вт.

       1.1.3 Устройство и принцип  работы.

       Индикация частоты пульса основана на принципе подсчета импульсов ключевым интегратором. Напряжение на конденсаторе интегратора определяется количеством импульсов, поступающих на интегратор в единицу времени.

       Рассмотрим  электрическую схему устройства.

       

       Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная пульсотахометра.

       Электрическая схема  пульсотахометра (рисунок 1) состоит  из следующих основных узлов: усилителя, формирующих каскадов, считывающей измерительной схемы, схем звуковой и световой индикации пульсовых ударов, преобразователя постоянного напряжения, стабилизированного источника питания.

       На вход прибора подается сигнал с фотодатчика, выполненного на фоторезисторе ФСД-1а. Сигнал через конденсатор С19 поступает на эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT1. Далее пульсовые импульсы усиливаются примерно на 40 дБ двухкаскадным усилителем, выполненным на транзисторах VT2, VT3. Усиленные импульсы поступают на формирующий каскад, представляющий собой триггер с эмиттерной связью на транзисторах VT4, VT5. Потенциометр R10 служит для регулировки чувствительности пульсотахометра. Импульсы триггера через дифференцирующую цепочку С13, R35 запускают формирователь пилообразного напряжения, выполненный на транзисторе VT15.

       Пилообразное напряжение поступает на интегратор УД8, УД9, R37, R38 и С17. Во время каждого пульсового удара конденсатор С17 интегратора получает заряд, пропорциональный частоте пульса.

       Схема, собранная на транзисторе VT16 и микроамперметре РА1, шкала которого отградуирована в ударах в минуту, позволяет измерять напряжение на конденсаторе С17.

       Потенциометры R37 и R39 служат для установки стрелки индикатора частоты пульса на начальную и конечную отметки шкалы.

       Лампа световой индикации H1 получает питание от преобразователя, выполненного на транзисторе VT6 и трансформаторе Т1.

       Преобразователь включается ключом, работающим от импульсов триггера, синхронно с пульсовыми ударами. Роль ключа выполняет транзистор VT7.

       Звуковое сопровождение пульсовых ударов осуществляется схемой, выполненной на транзисторах VT9, VT10 и громкоговорителе В1. Схема срабатывает от дифференцированных импульсов, поступающих по цепи С5, R22. Переменным сопротивлением R44 регулируется сила звука.

       Питание от преобразователя VT12, Т2 поступает на фотосопротивление ФСД-1а. На транзисторах VТ13 и VT14 собран стабилизатор напряжения для питания схемы прибора напряжением минус 22 В. Стабилизатор, собранный на транзисторе VT11, служит для питания лампы датчика напряжением 5 В и схемы прибора напряжением минус 8 В.

       Силовой трансформатор TЗ имеет три обмотки: одну сетевую и две вторичных.

       Выпрямители и фильтры источника питания выполнены па диодах УД2 и УДЗ и конденсаторах С8 и С9.

 

        1.1.4 Устройство пальцевого датчика

       Рассмотрим  электрическую схему пальцевого датчика (рисунок 2)

       Рисунок 3. Схема электрическая принципиальная пальцевого датчика.

       Датчик  питается от напряжения -5В. Светоизлучатели H1, H2 и фоторезистор В1 работают на просвет. [ссылка 2]

       1.2 Обзор документации  к микроконтроллеру  С8051F330

       1.2.1 Краткий обзор  микроконтроллера  C8051F330

       Микроконтроллеры (МК) C8051F330/1/2/3/4/5 представляют собой  полностью интегрированные на одном кристалле системы для обработки смешанных (аналого-цифровых) сигналов. Отличительные особенности данного семейства МК перечислены ниже.

• Высокопроизводительное микропроцессорное ядро CIP-51 с конвейерной архитектурой, совместимое со стандартом 8051 (максимальная производительность – 25 MIPS).
• Встроенные средства отладки, обеспечивающие внутрисистемную, «неразрушающую» отладку в режиме реального времени.
• 10-разрядный 16-канальный АЦП (макс. производительность – 200 тыс. преобразований в секунду) с аналоговым мультиплексором, поддерживающий однофазный и дифференциальный режимы работы.
• Прецизионный программируемый внутренний генератор 25 МГц.
• До 8 Кб встроенной Flash-памяти – 512 байт зарезервированы.
• 768 байт встроенного ОЗУ.
• Аппаратно реализованные последовательные интерфейсы SMBus/I2C, расширенный SPI и расширенный UART.
• Четыре 16-разрядных таймера общего назначения.
• Программируемый массив счетчиков/таймеров (ПМС) с тремя модулями захвата/сравнения и функцией сторожевого таймера.
• Встроенные схема сброса по включению питания, монитор питания и датчик температуры.
• Встроенный компаратор напряжения.
• 17 портов ввода/вывода (совместимые с 5В логикой).

       Все МК семейства C8051F33x имеют встроенные схему сброса по включению питания, монитор питания, сторожевой таймер, тактовый генератор и представляют собой, таким образом, функционально законченную систему на кристалле. Имеется возможность внутрисхемного перепрограммирования Flash-памяти, что обеспечивает долговременное (энергонезависимое) хранение данных, а также позволяет осуществлять обновление программного обеспечения в готовых изделиях. Программа пользователя может полностью управлять всеми периферийными модулями, а также может отключать их индивидуально или все сразу с целью уменьшения энергопотребления.

       Встроенный  двухпроводный Silicon Labs Development Interface (интерфейс С2) позволяет производить «неразрушающую» (не используются внутренние ресурсы) внутрисхемную отладку в режиме реального времени, используя МК, установленный в конечное изделие. Средства отладки обеспечивают проверку и модификацию памяти и регистров, расстановку точек останова, пошаговое выполнение программы, а также поддерживают команды запуска и остановки. В процессе отладки с использованием интерфейса С2 все аналоговые и цифровые периферийные модули полностью сохраняют свою работоспособность. Два вывода интерфейса С2 могут использоваться для других пользовательских функций, что позволяет осуществлять внутрисистемную отладку, не занимая для этого отдельные выводы корпуса.

       Каждый  МК предназначен для работы в промышленном температурном диапазоне (– 40…+ 85 .С) при напряжении питания 2,7В…3,6В. На порты ввода/вывода и вывод /RST могут быть поданы входные сигналы напряжением до 5В. МК C8051F300/1/2/3/4/5 выпускаются в 20-выводных корпусах типа QFN (обозначаемые также как MLP или MLF); МК C8051F330 также выпускаются в 20-выводных корпусах типа PDIP. Кроме того, все МК доступны в RoHS-совместимых (Lead-Free) корпусах.

 

Рисунок 4. Структурная схема МК C8051F330

       1.2.2 10-разрядный АЦП

       В состав модуля АЦП0 в МК C8051F330/2/4 входят: два аналоговых мультиплексора (обозначаемые далее как AMUX0) с 16 внешними входами на каждом, собственно 10-разрядный АЦП последовательного приближения (максимальная производительность − 200 тыс. преобразований в секунду) с интегрированным устройством выборки/хранения и программируемый детектор диапазона. Настройка AMUX0 и детектора диапазона, а также выбор режима преобразования данных осуществляются полностью программно с помощью регистров специального назначения, показанных на рисунке 5.1. АЦП0 поддерживает как однофазный, так и дифференциальный режимы работы, и может быть настроен для измерения напряжения на любом выводе портов 0-1, выходного сигнала датчика температуры или напряжения питания VDD относительно любого из портов 0-1 или GND. АЦП0 включен, когда бит AD0EN в регистре управления ADC0CN установлен в 1. АЦП0 отключен (переведен в режим пониженного энергопотребления), когда бит AD0EN сброшен в 0.