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.