Курсовая  работа

по “Инженерному проектированию” 
 

студента второго курса группа № 2141 
 
 
 
 
 

Тема: «Малогабаритный  биопульметр» 
 
 

      Руководитель: доцент. 
 
 
 
 
 
 

2008

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

   Обычно  для подсчета пульса нащупывают вену у запястья и с помощью часов  подсчитывают удары за 10, 20 или 30 секунд, затем это число умножают на соответствующий коэффициент. Но ведь гораздо удобнее измерять пульс специальным прибором – пульсометром.

   В курсовом проекте необходимо выполнить  разработку малогабаритного биопульсометра, который по своим характеристикам должен наилучшим образом удовлетворять общество.

   Проектируемое изделие представляет собой измеритель сигнала, а именно измеритель частоты  пульса.

   Характеристиками  стандартного пульсометра являются такие параметры как рабочие  пределы измеряемой частоты, максимальная погрешность измерения, массогабаритные параметры, потребляемая мощность, а также наличие всевозможных дополнительных функций, которые призваны улучшить объект.

   Согласно  заявки, устройство предназначено для работы в умеренном климате, т. е. по климатическому исполнению относятся к виду У (среднегодовое изменение t⁰ = - 450 С … + 400 С).

   Предполагается, что устройство будет эксплуатироваться  в закрытом помещение (с естественной вентиляцией без кондиционирования). Устройство относится к 6-^ой группе исполнения по условиям эксплуатации по ГОСТ 16019 - 78: носимые и портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в не отапливаемых наземных или подземных сооружениях, работающие и неработающие на ходу.

   Особые  требования, предъявляемые изделию, чтобы прибор имел корпус из пластика, а крепеж деталей блока должен осуществляться винтами.

   Следует учесть, что заявка не является окончательным  документом для работы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АНАЛИЗ АНАЛОГОВ  И БАЗОВОГО ВАРИАНТА

   В данном разделе будут приведены  подробные описания аналогов, их характеристики, показатели качества и т.д. Аналоги  будут сравниваться (таблица с  характеристиками каждого из аналогов), и по этим сравнениям будет произведен выбор прототипа.

1.1 Описание аналогов

   В этом подразделе описываются четыре аналога: приводятся СхЭ3, описание и функционирование схемы, приводятся и анализируются основные характеристики каждого из аналогов.

Аналог  № 1 (ж.Радио 4/86)

   Прибор  представляет собой пластмассовую  коробку, на лицевой панели которой размещены микроамперметр, датчик пульса, работающий на инфракрасных (ИК) лучах, и светодиодный индикатор пульса. Если положить палец руки на декоративную крышку, закрывающую датчик, и включить прибор нажатием на кнопку на передней стенке, то через несколько секунд стрелка микроамперметра укажет пульс.

   Прибор  питается от двух батарей «Крона». Одного комплекта батарей хватает в  среднем на 2000 измерений. 

   Основные  технические характеристики:

   Рабочие пределы измеряемой частоты, ударов в минуту 50…200

   Максимальная  погрешность, % 5

   Время одного измерения, с 2…

   Ток потребляемый от источника питания, мА 9…10

   Габариты, мм 110×70×35

   Масса, г 180

   Температурные пределы работоспособности, ^оС -10…+40 

   Сигнал, излучаемый инфракрасным светодиодом датчика Е1, отражается от пальца и в виде импульсов с частотой пульса воздействует на фотодиод, подключенный к входу двуступенного усилителя А1, А2. На выходе второй ступени А2 амплитуда положительных импульсов достигает значения, достаточного для работы формирователя D2.

   Через фильтр низких частот (ФНЧ) Z1 сигнал поступает на вход формирователя D2-трггера Шмитта. Он вырабатывает импульсы, по частоте соответствующие ударам пульса, которые запускают одновибратор D3. На каждый сигнал пульса одновибратор D3 вырабатывает отрицательный импульс, через цепь R1C1 воздействующий на стробирующий вход формирователя D2. В результате импульсы с выхода формирователя D2 по длительности значительно меньше выходных импульсов одновибратора D3.

   Импульсы  одновибратора поступают на вход итегратора А5, выходное напряжение которого уменьшается линейно и пропоционально времени между двумя смежными ударами пульса. Чем больше это время, или иначе, чем меньше частота пульса, тем ближе к нулевому уровню может стать выходное напряжение интегратора.

   Напряжение  интегратора, которое будет достигнуто в момент прихода очередного импульса, через управляемый ключ S2 поступает на запоминающий конденсатор С3. Напряжение на нем хранится до прихода следующего импульса. С усилителя А6 – буферного повторителя – напряжение, равное напряжению на конденсаторе С3, поступает к микроамперметре РА1, проградуированному в единицах частоты пульса. Для правильной работы интегратора А5 требуется соблюдение определенной временной последовательности – сначала надо передать напряжение на конденсатор С3 через ключ S2, а затем привести интегратор в исходное положение, разрядив конденсатор С2 через ключ S1.

   Ключ  S2 открывается выходным проинвертированным импульсом формирователя D2, а сигнал управления ключом S1 формирует узел совпадения D1. Поскольку в приборе применены ключи, управляемые импульсами отрицательной полярности, предусмотрены два инвертора А3 и А4.

   Принципиальная  схема измерителя пульса изображена на рис.1. Мощность непрерывного излучения  ИК светодиода VD1 равна 2…4 мВт. Светодиод и фотодиод размещены в датчике так, что если на крышку датчика положить палец, фотодиод VD2 начнет воспринимать отраженное от пальца излучение. Степень отражения зависит от наполнения сосудов пальца кровью, пульсирующей в такт с ударами сердца.

   Кроме импульсов отраженного излучения, фотодиод может принимать и посторонние  излучения, проникающие сквозь палец, что приведет к сбоям в работе прибора. Радикальным решением в  борьбе с помехами являются такие  конструкция и размещение датчика, чтобы мешающее излучение не могло попасть на фотодиод ни при каких условиях, но это усложняет изготовление и увеличивает размеры прибора, поэтому в описываемом его варианте влияние помех устранено схемотехническими методами.

   Фотодиод  VD2 датчика работает как источник тока, зависящею от чувствительности фотодиода и интенсивности принимаемого ИК изучения. При значительной освещенности фотодиода ОУ DA1 входит в насыщение и его выходное напряжение достигает максимального значения. Поэтому режим работы ОУ DA1 сильно зависит от рабочего тока светодиода датчика. Правильно изготовленный датчик воспринимает сигналы пульса большинства людей при токе светодиода 1…2 мА.

   Коэффициент усиления ОУ DA2 на частоте не более 7 Гц - около 1000. Необходимый спад частотной характеристики определяется конденсатором С2. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 согласует выход ОУ DA2 с входом цифрового логического элемента DD1.1 ТТЛ. На алиментах DD1.1 и DD1.2 собран триггер Шмитта, который формирует отрицательные импульсы.

   Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют одновибратор, формирующий импульсы длительностью 250 мс, которые поступают на вход интегратора DA5 и через цепь задержки R22C4 на стробируюший вход (вывод 2 элемента DD1.1) триггера Шмитта. В результате триггер Шмитта после прихода рабочего импульса в течение 250 мс не реагирует на входные сигналы, что значительно повышает помехоустойчивость прибора. В такт с ударами пульса мигает светодиод VD5, включенный в коллекторную цепь транзистора VT2.

   Интегратор  связан с узлом выборки и храпения, собранным на коммутаторе DA4 и ОУ DA6. Собственно операции интегрирования подвергается импульсное положительное напряжение выходной последовательности одновибратора, и когда она принимает нулевое значение, происходит перенос напряжения в запоминающий конденсатор С10 и установка интегратора в исходное состояние.

   Под воздействием входного напряжения на выходе интегратора появляется линейно уменьшающееся напряжение. Уменьшение идет от нулевого значения, поэтому чем ниже частота пульса, тем более отрицательным будет выходное напряжение интегратора к моменту прихода импульса записи в запоминающий конденсатор.

   Выходное  напряжение интегратора через резисторы  R48 и R47 суммируется с положительным напряжением питания, а результирующее напряжение через аналоговый коммутатор DA4 заряжает запоминающий конденсатор С10 — таким образом обеспечена необходимая зависимость показаний микроамперметра PA1 от частоты пульса.

   Сигналы управления коммутатором поступают  с триггера Шмитта и с элемента совпадения, собранного на резисторе R36 и диодах VD3 и VD4. Отрицательные импульсы записи в запоминающий конденсатор формирует узел, выполненный на транзисторе VT8, на базу которого поданы импульсы длительностью 10 мс. Разрядка конденсатора С9 интегратора происходит через один из ключей коммутатора DA4, управляемый от узла, собранного на транзисторе VT9. Длительность импульса начальной установки интегратора — 240 мс. Напряжение на запоминающем конденсаторе С10, пропорциональное частоте пульса, через высокоомный повторитель DA6 приложено к микроамперметру РА1.

   Стабилизатор  напряжения питания микросхем содержит усилитель постоянного тока на транзисторах VT4, VT5 и регулирующий транзистор VT3. Стабилитрон VD7 вместе с резистором R32 образуют источник образцового напряжения. Такое включение этого источника позволяет получить высокий коэффициент стабилизации и напряжения (более 500) при выходном сопротивлении, не превышающем 0,2 Ом. Регулирующий элемент входит в режим стабилизации при падении напряжения на транзисторе VT3 всего 0,05.. 1 В. Для запуска стабилизатора предусмотрена цепь C6R26VD6R29. В момент включения питания ток зарядки конденсатора С6 протекает через диод VD6, резистор R29 и эмиттерный переход транзистора VT4 и выводит его и регулирующий транзистор VT3 на рабочий режим.

   Узел, собранный на микросхеме DA3 и транзисторах VT6,VT7, формирует двуполярное напряжение 2X5,5 В Ток, потребляемый собственно этим узлом, не превышает 3 мА.

   Все элементы измерителя частоты пульса, кроме батарей питания, смонтированы на печатной плате. Плата (ее чертеж показан на рис. 2) изготовлена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм Резисторы и некоторые конденсаторы установлены вертикально. Подстроечные резисторы СП5-3 (R2 и R14) крепят к плате эпоксидным клеем так, чтобы их регулировочные винты были сверху. Микросхемы DD1 и DD4 распаяны со стороны печатных проводников. Заметим, что выводы некоторых деталей необходимо пропаивать с обеих сторон платы.

   Весьма  важный узел прибора — датчик. Его  конструкция показана на вкладке  В текстолитовом бруске просверлены под углом два канала, в которые вставлены светодиод и фотодиод соответственно. В сборе, когда на дат чик надета защитная крышка, эти элементы должны упираться в нее. Датчик прикрепляют к плате винтом МЗ. Крышка датчика изготовлена из непрозрачного полистирола любого светлого цвета или другой пластмассы, прозрачной для ИК лучей. Тонкую часть крышки не обходимо тщательно отполировать для более плотного прилегания пальца. Небрежности в отделке поверхности крышки резко снизит чувствительность прибора.

   Налаживание прибора начинают с проверки стабилизатора  напряжения, который при этом отключают  от нагрузки. При подаче на вход стабилизатора  напряжения в пределах  12...18 В  его выходное напряжение — между  кол лектором транзистора VT3 и минусовым выводом батареи — должно быть 10...11 В. При необходимости устанавливают выходное напряжение, подбирая стабилитрон VD7. Формирователь двуполярного напряжения обычно в налаживании не нуждается. Ток, потребляемый формирователем в отсутствие нагрузки,  не должен превышать 3 мА.

   Затем восстанавливают соединение блока  питания с прибором и устанавливают  необходимый режим работы датчика  и входного ОУ. Для этого, положив  палец на открытый датчик и подстраивая  резистор R2, устанавливают на выходе ОУ DA1 постоянное положительное напряжение 2...3 В.

   Далее подстроечным резистором R14 устанавливают выходное напряжение ОУ DA2 в пределах 0...+0,3 В. На этом налаживание усилительной части прибора заканчивают.

Аналог  № 2 (ж.Радио 4/94)

   Прибор  предназначен для оперативного обследования спортсменов, людей, занимающихся в оздоровительных группах. Результат измерения частоты пульса в ударах в минуту индицируется трехразрядным цифровым табло в такт с пульсом. В приборе использован фоторезисторный датчик пульса, надеваемый на палец руки. 

   Основные  технические характеристики:

   Рабочие пределы измеряемой частоты, ударов в минуту 30…240

   Максимальная  погрешность, % 3

   Время одного измерения, с 2…3

   Мощность, потребляемая от сети переменного тока, Вт, не более 2

   Габариты, мм 210×160×60

   Масса, г 450 

   Принципиальная  схема прибора показана на рис.1. Фоторезистор R2 датчика пульса преобразует световой поток лампы EL1, модулированный кровенаполнением пальца руки, в электрические им пульсы. Усиленные транзистором VT1, они далее поступают на неинвертирующий вход компаратора DA1, работающего как триггер Шмитта. Для формирования образцового напряжения на входах триггера Шмитта использован резистивный делитель R7—R9. Собственно образцовым служит падение напряжения на резисторе R8 этого делителя.

   Компаратор  формирует импульсы низкого уровня, следующие с частотой пульса. В общем случае длительность этих импульсов зависит от частоты пульса.

   Одновременно  отрицательным перепадом на выходе компаратора запускается одновибратор, собранный на элементах DD2.1 и DD2.2. Калиброванными длительности импульсами одновибратор управляет цифровым делителем частоты DD5, DD6, работающем как счетчик с предварительной установкой кода.

   Число импульсов предварительной установки, прошедших за время действия импульса одновибратора (оно пропорционально частоте измеряемых сигналов), подсчитывает трехразрядный счетчик-дешифратор DD7—DD9 и передает результат счета на табло HG1—HG3. Элементы DD2.3, R23, R24 и С10 формируют импульс обнуления счетчика-дешифратора перед следующим циклом деления,

   а элементы DD3.4, Н26, R25 и С11 — импульс обнуления счетчика DD4  после операции деления, подготавливая его к записи новой информации.

   Показание на цифровом табло должно соответствовать  частоте сердечных сокращений в  ударах в минуту. Исходи из описанного выше принципа измерения, можно записать формулу: , где F1 – частота следования импульсов генератора на элементах DD1.1 – DD1.3, F2 – частота следования импульсов генератора на элементах DD3.1 – DD3.3, t – время деления.

   Время деления исключается из длительности периода измеряемого сигнала, что  вносит некоторую погрешность. Для  обеспечения необходимой точности на верхнем пределе измерения  выбираем t=7,5 мс.

   Из-за небольшого сопротивления времязадающего резистора R19элементы DD1.3 и DD1.4 для повышения нагрузочной способности соединены параллельно. Переключателем SA1 понижают частоту генератора на элементах микросхемы DD1 в 6 раз. Это необходимо для получения отсчета пульса в ударах за 10 с. Конденсатор C1 служит для подавления наводок от электросети, а конденсаторы С5 и С6 гасят паразитные колебания, возникающие в момент переключения компаратора DA1. Светодиод HL1 – индикатор прохождения сигнала пульса.

   С прибором датчик соединяют двупроводным экранированным кабелем длиной 0,5…0,6 м.

   Налаживание прибора начинают с измерения  напряжения на выходе стабилизатора  блока питания. Если оно отличается от указанного на схеме более чем  на 0,3 В, то подбирают стабилитрон  VD5.

   Датчик  можно надевать на любой палец  правой или левой руки, что расширяет круг людей, у которых гарантировано измерение частоты сердечных сокращений.

Аналог  № 3 (ж.Радио 8/94)

   Характерная особенность описываемого здесь  подобного биопульсомера —отсутствие  каких-либо подстроенных элементов  и предельно упрощенная цифровая часть. Он уменьшается в кармане, что позволяет пользоваться им на открытом воздухе во время тренировок. 

   Основные  технические характеристики:

   Рабочие пределы измеряемой частоты, ударов в минуту 40…195

   Максимальная  погрешность, ударов в минуту ±5

   Время одного измерения, с 12

   Ток потребляемый от источника питания, мА 2

   Температурные пределы работоспособности, ^оС +10…+40 

   Принципиальная  схема предлагаемого измерителя частоты пульса изображена на рис.1. Электроды Е1—ЕЗ, служащие для снятия биопотенциалов, подключены ко входу OУ DA1.1. Электрод Е2, называемый индефферентным, ослабляет наводку на входе первого каскада усилителя, подавляющего синфазные наводки. Степень ослабления наводок зависит от согласования пар резисторов R2, R3 и R4, R5. Если разброс их сопротивлений не превышает 0,1%, то ослабление помех определяется параметрами ОУ DА1.1. Его коэффициент усиления полезного сигнала — около 18.

   Основное  усиление кардиосигнала происходит во втором каскаде, собранном на ОУ DА1.2. В полосе частот до 12 Гц его коэффициент усиления составляет 160. Этот каскад усилителя является и фильтром НЧ первого порядка, необходимый спад частотной характеристики которого определяется конденсатором С2.

   Связь между первым и вторым каскадами  усилительной части прибора осуществляется через пассивный фильтр С1R6 с частотой среза около 0,5 Гц.

   Окончательно  кардиосигнал очищается от всякого  рода помех после активного полосового фильтра, собранного на OУ DA1.3. Его параметры определяются элементами С3, С4, R1O, R12. Коэффициент передачи в полосе частот 0,5...12 Гц — около 9, поэтому амплитуда R-импульсов на выходе ОУ DA1.3 обычно превышает 2 В.

   Четвертый каскад на ОУ DA1.4 обнаруживает максимумы в кардиосигнале, т.е. выделяет R-импульсы. Его основой служит амплитудный детектор с обратной связью, в исходном состоянии у которого на выходе отрицательное напряжение. Исследуемый сигнал через диоды VD1 и VD2 поступает на оба входа ОУ DA1.4. А так как его инвертирующий вход шунтирует конденсатор С5, то положительное напряжение на нем оказывается равным среднему значению входного сигнала, которое и переключает ОУ DA1.4 в состояние, когда на его выходе появляется отрицательное напряжение. Как только амплитуда R-импульса на неинвертирующем входе превысит это напряжение, на выходе ОУ появится положительное напряжение, которое будет сохраняться в течение 2...3 мс — пока заряжается конденсатор С7. После зарядки этого конденсатора диод VD3 закрывается, разрывается обратная связь выхода с инвертирующим входом ОУ, и он принимает начальное состояние.

   Длительность  выходного импульса ОУ DA1.4 составляет 2...3 мс, а амплитуда достигает 3 В. Очередной R-импульс кардиосигнала может вызвать срабатывание OУ DA1.4 только после того, как конденсатор С7 разрядится через резисторы R16, R15. Время же его разрядки — 280..300.

   С выхода ОУ DA1.4 импульсы через дифференцирующую цепь С6R17, диод VD9 и конденсатор С8 поступают на S-вход одновибратора DD2/1 цифровой части, построенной на микросхемах DD2—DD6. На выходе одновибратора формируются импульсы длительностью 280 мс, которые через диод VD5 закрывают диод VD9 и в течение этого времени не пропускают сигналы на вход одновибратора, что еще больше повышает помехозащищенность пульсомера.

   Время измерения, равное 12 с, задает второй одновибратор, выполненный, как и первый, на D-триггере DD2.2 той же микросхемы. Он срабатывает после нажатия на кнопку SB1 -Счет*. За время измерения импульсы  одновибратора DD2.1 через узел совпадения (диоды VD6, VD7, резистор R22) поступают на вход следующей части пульсомера — счетной.

   Эта часть прибора, состоящая из триггеров  DD3.1 и DD3.2, счетчика-дешифратора DD5 и элементов DD4.1 — DD4.4, обеспечивает жидко-кристаллический индикатор (ЖКИ) HG1 парафазным питанием. Триггер DD3-1, срабатывая, индицирует на ЖКИ цифры единиц — 0 или 5, счетчик-дешифратор DD5 — десятки от 0 до 9, а триггер DD3.2 — значение сотен числа, равного частоте пульса в минуту. Эти числа на индикаторе высвечиваются в течение 12 с, последнее из которых, например 60, соответствует частоте пульса в ударах в минуту (рис.2).

   Следующее измерение возможно только после  нажатия на кнопку SB1. В этот момент импульс, сформированный цепью С16R24, устанавливает счетную часть в исходное состояние (на индикаторе появляются нули) и запускает одновибратор DD2.2.

   Для нормальной работы ЖКИ на него подается импульсное парофазное напряжение питания от генератора, собранного на элементах микросхемы DD1. Частота следований генерируемых им импульсов — 500 Гц. Такое же напряжение действует на общем выводе ЖКИ и на входе С счетчика ^дешифратора DD5. Выходное напряжение микросхемы DD5 также становится импульсным. Когда с какого-либо выхода дешифратора сигнал приходит на ЖКИ в противофазе с напряжением на его общем выводе, то соответствующий элемент знакоместа становится видимым. А если сигналы синфазные, то этот элемент невиден.

   Единица сотен на индикаторе высвечивается  сигналами триггера DD3.2 и элемента DD4.4. Если частота пульса превышает 100 ударов в минуту, на выходе Р микросхемы DD5 появляется сигнал низкого уровня, который через инвертор DD6.3 устанавливает триггер DD3.2 в единичное состояние. Выходной же сигнал триггера управляет элементом DD4.4: если, например, на прямом выходе триггера напряжение низкого уровня, то импульс с входа 9 элемента DD4.4 на выход 10 проходит без изменения, а высокого уровня — сигнал инвертируется. Таким образом, при срабатывании триггера DD3.2 на индикаторе появляется единица сотен.

   Элементы  DD4.1 и DD4.2 предназначены для индикации значения единиц — 0 или 5. Кроме цифр, индицирующих частоту пульса на ЖКИ, с помощью элемента DD4.3 высвечиваются буквы П и С, мигая в такт с ударами сердца.

   Источником  постоянного тока напряжением 3 В  служит батарея GB1 из двух элементов 316, соединенных последовательно. Ее положительное напряжение через выключатель SA1 подается на вывод 11 цепи питания всех ОУ микросхемы DA1. А отрицательное напряжение (—1,2 В) питания ОУ вырабатывает диодноемкостный преобразователь, выполненный на элементах DD1.5 и DD1.6, диодах VD12, VD13 и конденсаторах С13, С15.

   Источником  питания микросхем DD2—DD6 цифровой части биопульсомера является диодно-емкостный умножитель напряжения (элементы DD1.3, DD1.4, VD10, VD11, С12, С14) генератора, собранного на элементах DD1.1 — DD1.4. Согласование выходных уровней сигнала микросхемы DD1, питающейся напряжением +3 В, и микросхем цифровой части, питающихся напряжением +5 В, осуществляется инверторами DD6.1 и DD6.2.

   Для измерения частоты сердечных  сокращений биопульсомер берут в  руки, положив большие пальцы на электроды передней стенки корпуса, а указательные и средние — на электроды задней стенки. При уверенном восприятии прибором сигналов пульса буквы П и С мигают равномерно.

Аналог  № 4 (с сайта http://vksn.narod.ru/help/vrl90pl.html)

   Для самоконтроля пульса будет полезен  предлагаемый небольшой цифровой прибор, к датчику которого достаточно приложить палец и через 12 с светодиодное табло покажет результат. 

   Основные  технические характеристики:

   Диапазон  измерений, ударов в минуту 40...199

   Максимальная  погрешность измерения, ударов в  минуту ±5

   Время измерения, с 12

   Габариты, мм 147×57×50

   Масса, г 300

   Напряжение  источников питания, В 18 и 9

   Ток, потребляемый от источника питания  с напряжением 18 В, мА 18

   Диапазон  рабочих температур, °С - 10...+40 

   Питание прибора осуществляется от 3 батарей  “Крона-ВЦ”, энергии которых хватает для работы в течение 4 месяцев при 25 ежедневных замерах пульса. За интервал времени, равный 12 с, подсчитывается число ударов сердца, затем это число умножается на 5 и результат появляется на светодиодных индикаторах. Результат не всегда получается кратным 5, так как хотя каждый импульс, соответствующий удару сердца, заменяется 5 импульсами, которые заносятся в счетчики, но при отсутствии жесткой синхронизации такой способ подсчета импульсов обеспечивает выдачу на индикаторы практически всех чисел от 40 до 199.