Разработка цифрового измерителя кровяного давления на микроконтроллере MC68HC908JL3

1.       Техническое задание

2.       Выбор и обоснование элементной базы

2.1     Выбор микроконтроллера

3.       Структурная схема устройства

3.1     Состав и назначение отдельных элементов

3.2     Анализ ресурсов ввода-вывода

4.       Структура алгоритма программы

4.1     Обобщённая БСА

4.2     Рабочая БСА

4.2.1 БСА основной программы.

4.2.2 БСА обработчика прерывания от таймера

4.2.3 БСА обработчика прерываний от АЦП

4.2.4 БСА подпрограммы табличной перекодировки напряжение в давление

4.2.5 БСА подпрограммы вывода числа на индикацию

4.2.6 БСА подпрограммы перевода числа в BCD формат

5. Принципиальная схема устройства

Заключение        

Список литературы

Приложение

Введение.

С развитием микроэлектронной индустрии, а в частности с развитием микроконтроллеров, появилась возможность делать малогабаритные и сравнительно дешёвые электронные изделия.

На сегодняшний день, в каждой аптеке и специализированных магазинах, можно увидеть в продаже различные медицинские приборы. Например, цифровой термометр, цифровой измеритель давления крови и многое другое.

Появление таких приборов на прилавках магазинов, обусловлено прогрессивным развитием цифровой техники, в том числе и микроконтроллерных систем.

Микроконтроллеры позволяют меньше использовать типовые элементы в разработках, т.к. практически всё можно сделать программными средствами, тем самым электронные изделия сделанные на базе микроконтроллеров являются малогабаритными и стоят сравнительно не дорого.

В настоящее время, большая часть медицинских приборов построенна на цифровой логике, главным элементом которой является микроконтроллер, и индикация происходит на цифровых индикаторах, большую часть из которых составляют ЖКИ.

Поэтому, тема для разработки была выбранна: “Цифровой измеритель кровяного давления”. Этот прибор является наиболее нужным в каждой семье. Ведь если ты чувствуеш себя не важно, то в любой момент можно померить давление и из полученных результатов сделать вывод, надо бежать в больницу или нет.

1.Техническое задание

Устройство – цифровой измеритель кровяного давления.

Основные технические характеристики прибора:

1. Общий диапазон измерения:

а. Систолическое/диастолическое давление: от 0 до 250 мм.рт.ст.

б. Пульс: от 0 до 133 уд. в мин.

2. Минимальный шаг индикации: 1.5 мм.рт.ст.

3. Точность измерения:

а. Статическое давление: 3 мм.рт.ст.

б. Пульс: 5% показаний.

4. Индикатор: ЖКИ-модуль.

Информация о давлении и пульсе отображается на 16-ти разрядном, 2-х строчном ЖКИ-модуле.

Измерение происходит в полуавтоматическом режиме.

2. Выбор и обоснование элементной базы

В данном устройстве, информация о систолическом, диастолическом давлении и пульсе должна выводиться одновременно. С учётом всего этого, был выбран ЖКИ-модуль DV-16210NRB/R, который имеет две строки, по 16 разрядов в каждой строке.

Датчик давления в рассматриваемом устройстве, должен отвечать следующим требованиям:

1. Датчик должен быть со стандартным выходным сигналом, то есть при минимальном значении давления должен иметь выходной сигнал не более 0,3V, а при максимальном давлении не более 4,8V, это обеспечивает непосредственное соединение датчика с микроконтроллером.

2. Датчик должен измерять относительное давление(относительно атмосферы).

3. Максимальное измеряемое давление должно лежать в пределах от 30 кПа до 50 кПа, так как диапазон измерения систолического/диастолического давления составляет от 0 до 250 мм.рт.ст.

Взяв во внимание все эти 3-и пункта был выбран датчик давления фирмы MOTOROLA MPX5050DP.

2.1 Выбор микроконтроллера

Выбор микроконтроллера осуществляется с учётом следующих параметров:

1. Линий ввода-вывода должно быть не менее 13, т.к. 11 линий необходимо для работы с индикатором, а две линии для работы с сигналами поступающими от датчика давления.

2. Микроконтроллер должен иметь встроенный АЦП, для работы с аналоговыми сигналами поступающими от датчика давления MPX5050DP на входы АЦП микроконтроллера.

Поэтому, принимая во внимание, эти два главных параметра, был выбран маловыводной микроконтроллер фирмы MOTOROLA MC68HC908JL3.

3. Структурная схема устройства

3.1 Состав и назначение отдельных элементов

Структурная схема устройства приведена на рис.3.1.1.

Основой устройства является микроконтроллер. Основная функция микроконтроллера, это прием данных от датчика и активного фильтра(АФ), обработка этих данных, т.е. вычисление систолического, диастолического давления и усреднённой частоты пульса. После того, как все измерения будут произведены, микроконтроллер выводит информацию на индикатор.

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.