Курсовая работа: Разработка цифрового измерителя кровяного давления на микроконтроллере MC68HC908JL3
Датчик предназначен для перевода давления в манжете, в электрический сигнал, т.е. напряжение.
АФ высокой частоты предназначен для выделения и усиления сигнала, пульсирующего с частотой 1Гц, наложенного на медленно изменяющийся сигнал 0.04Гц. Выделение сигнала необходимо, потому что давление распознаётся по производной сигнала, пульсирующего с частотой 1Гц, а значение давления смотрится по медленно изменяющемуся сигналу (0,04Гц). Поэтому у микроконтроллера задействованы 2-а входа АЦП.
При разработке данного устройства существовала сложность в том, что датчик при неинвазивных применениях(без проникновения во внутренние полости организма) не может быть расположен непосредственно внутри системы, в которой измеряется давление. Поэтому пришлось разработать нестандартную систему измерений, в которой датчик помещается внутри манжеты, на которое наложены небольшие по амплитуде и более быстрые пульсации, соответствующее изменению давления в кровеносной системе.
С внешней стороной этого метода измерения давления крови, называемого осциллометрическим, знакомы практически все. При этом рука сжимается кольцевой надувной манжетой, накачиваемой вручную. Затем вентиль манжеты слегка приоткрывается, и давление в манжете постепенно падает, и, когда оно становится близким к артериальному давлению, амплитуда пульсации давления возрастает. Пульсации давления определяются работой сердца.
Когда давление в манжете изменяется от систолического до диастолического, пульсации давления достаточно велики, за границей этого диапазона они резко снижаются. Определить этот диапазон можно, прослушивая манжету с помощью стетоскопа, но, имея датчик давления, лучше превратить пульсации давления в электрический сигнал и далее анализировать его с помощью микропроцессорного устройства.
Такой электрический сигнал на протяжении всего времени измерения представлен на рис.3.1.2.а. Сначала идёт этап ручной подкачки манжеты(на рис.3.1.2.а. видны повышения давления при каждом нажатии груши), затем в момент t1 прекращается подкачка и открывается вентиль. Давление, которое в момент t1 превышает систолическое, постепенно понижается.
В то же время, как это видно из рис.3.1.2.а. на определённом участке пульсации давления растут, но относительная величина этих пульсаций очень невелика по сравнению с усреднённой величиной давления. Чтобы было удобно работать с сигналом пульсаций, необходимо отфильтровать низкочастотную усреднённую составляющую и усилить сигнал пульсаций. Это можно сделать с помощью активного фильтра на базе операционного усилителя (на структурной схеме АФ). Такой отфильтрованный и усиленный сигнал представлен на рис.3.1.2.б в диапазоне выделенном на рис.3.1.2.а прямоугольником.
Диаграммы рис.3.1.2. хорошо иллюстрируют основную идею измерения давления крови, которая сводится в получении и анализе данных, приходящих с датчика и активного фильтра.
Структурная схема устройства.
| |
| |
| |
 |
11
 |
 |
Рис.3.1.1.
Диаграммы измерения кровяного давления
Рис.3.1.2.
3.2 Анализ ресурсов ввода-вывода
Микроконтроллеры семейства HC08 фирмы MOTOROLA имеют закрытую архитектуру, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса микроконтроллера. Микроконтроллер представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание памяти или периферийных устройств с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается. Поэтому анализ ресурсов ввода-вывода, должен происходить в самом начале разработки, т.к. в противном случае может возникнуть ситуация нехватки линий ввода-вывода.
На принципиальной схеме изображённой на рис.5.1. можно подсчитать, что у микроконтроллера должно быть не менее 13 линий ввода-вывода(11 линий для работы с ЖКИ-модулем и две линии для работы с датчиком давления).
В данном случае был выбран микроконтроллер MC68HC908JL3, который имеет 22 линии ввода-вывода. То есть, по сути дела у нас остаётся свободными, 9-ть линий ввода-вывода, которые можно использовать для различных усовершенствований прибора. Например, можно дополнительно в приборе сделать часы, также можно сделать, чтобы прибор измерял давление в автоматическом режиме, для этого необходим компрессор, который будет нагнетать давление в манжету. Все эти доработки непосредственно повлекут за собой, задействование дополнительных линий ввода-вывода.
4. Структура алгоритма программы
4.1 Обобщённая БСА
Обобщённая БСА программы, управляющей системой, приведена на рис.4.1.2. После включения питания происходит инициализация всей системы. После этого микроконтроллер ждёт накачки манжеты, осуществляя циклическую проверку окончания накачки. Когда сигнал датчика уменьшается в течении более чем 0,75 секунд, это свидетельствует, что пользователь больше не накачивает манжету, и микроконтроллер начинает анализировать сигнал колебания. Анализ сигнала колебания сводится к идентификации амплитуды пульса и осуществляется в блоках 3 и 4.
Пороговый уровень для измерения частоты импульсов установлен равным 1,75V, чтобы устранить шумы или всплески. Как только амплитуда пульса идентифицирована, микроконтроллер игнорирует сигнал в течении 450 мS, чтобы предотвратить ложную идентификацию из-за наличия промежуточного максимума колебания. После чего в блоке 5 происходит вычисление производной амплитуды пульса. Именно по производной амплитуды пульса определяется давление крови, блок 6.
Из графика показанного на рис.4.1.1., можно увидеть, что основной принцип измерения основан на сравнении производной с 2-мя порогами, Порог1 и Порог2. Более подробно, это будет рассмотрено в пункте 4.2.
График производной амплитуды пульса.
 |
 |
Порог2
 |
 |
Порог1
 |
Рис.4.1.1.
После того как устройство определит давление и пульс, оно проверяет, есть ошибки в измерении или нет. Если ошибки есть, то микроконтроллер выводит сообщение об ошибки, после чего, если манжета спущена, т.е. давление внутри манжеты равно атмосферному давлению, то устройство начинает измерение по новому. Если ошибок нет, то информация о давлении и пульсе выводится на индикатор, после чего система опять смотрит, если манжета спущена, то измерение давления происходит по новому, если манжета не спущена, то программа зациклевается и ждёт спуска манжеты.
 | ||
 | ||
|
 |
YN
 |