体温监护仪设计.docx
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体温监护仪设计.docx
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体温监护仪设计
体温监护仪的设计
小组成员及分工
本小组共有五名成员组成,我们按照各自的特长与兴趣将这次体温监护仪的设计任务分为了三大部分。
在集体讨论并确定了总体思路,明确了任务重点之后,我们投入了大量的精力去查找资料,分析各种影响设计的因素,并运用ppt将设计成果展现了出来。
在这期间,我们还仔细分析讨论了三大部分的接口问题,从而完善了整个设计任务的可行性,最终使我们小组的设计取得了圆满的成功。
以下是小组成员的任务分工:
应用背景
人体体温是人体新陈代谢的一个重要参数,是临床疾病诊断的一个重要生理指标。
人正常的口腔温度为36.2~37.2
肛温比口腔温度高0.5
,腋下温度比口腔温度低0.5
。
许多疾病会引起人体体温的异常。
目前医院临床和家庭保健中常用的是水银体温计,这种体温计价钱便宜,测量准确,但测量等待时间长,读数不便,并且难以对人体体温进行连续的监测。
为此,我们设计了多路数字体温计,该仪器采用高灵敏度的温度传感器作为测温探头,其体积小重量轻,可用胶布将其粘贴在人体体表,采用LED显示器显示测量温度。
本仪器有四个测温探头,可同时测量人体体表的四点体温,所测数据由显示器循环显示,仪器还具有温度报警功能,使用者可根据临床监护需要自行设置报警温度,当所测病人体温超过报警值时,发出音响信号,以示警报。
仪器特色
该体温监护仪的特点鲜明且富有创意,既反映了我们与众不同的设计思路,同时也是我们对用户使用的需求分析实施到位的一种体现。
以下是该仪器的几大特色之处:
▪探头体积小重量轻
▪使用方便
▪等待时间短
▪多路采集
▪读数方便
▪报警温度可自行设置
总体设计简介
下图为本次体温监护仪设计的一个整体框图,包括了整个硬件与软件部分。
从中我们可以大致看出该设计的总体结构与流程。
整个设计包括了温度传感器、放大滤波电路与单片机系统三大部分,在文档以后的内容中,我们将对各个部分进行详尽的介绍。
温度传感器部分
我们从温度传感器的不同类型入手,分析并讨论了各种传感器的选择方案,比较各自优劣,最终确定了温度传感器的选取。
(一)热电偶传感器
1.热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A和B的两个执着点之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应(1821年赛贝克发现)。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
分别代表物体A和B的赛贝克系数(热能或电能系数)
2.由于环境等诸多因素的影响使得冷端的温度不能维持恒定,所以往往要对冷端温度进行补偿,目前有很多温度补偿的方法,既有硬件补偿法也有软件补偿法,由于体温监护仪是一个小型仪器出于两方面的考虑:
一是使线路简洁,二是精度高;所以放弃使用热电偶,热电偶在工业应用中很广泛,常用于测量较高的温度!
(二)热电阻传感器
温度变化改变了半导体和导体的电阻,因为温度变化改变了物体的密度和(或)其体内电荷。
1.金属热电阻:
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
其中铂的线性度最好。
实验表明,许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围内可以用布洛赫-格林爱森公式描述:
由于金属热电阻在德拜温度附近的高温下,金属的电阻率才接近与温度成正比,才有较好的线性度,所以不适合用于测量体温。
2.热敏电阻:
热敏电阻大多由对温度非常敏感的过渡金属氧化物组成:
一些半导体氧化物具有负的温度系数,被称为NTC(negativetemperaturecoefficient)热敏电阻;在掺有压电材料的陶瓷器件对温度正相关,称为PTC(positivetemperaturecoefficient)热敏电阻,它多用于温度自动调节设备,电流限制设备等。
NTC热敏电阻的阻抗-温度特性,可表示为:
由于随T增加按指数规律减少,所以当热敏电阻通有电流时,流过的电流与温度变化呈非线性关系,这样给温度计的定标带来极大麻烦,为了改善线性,可在热敏电阻两端并联补偿电阻R,如图所示,流过a、b的电流I=IR+IRT由于是流过补偿电阻电流,几乎不随T变化,它与IRT并联相加后,使总电流I随T变化的曲线变得平坦,改善了线性,但也降低了对温度的敏感性,所以并联补偿电阻不能取得过小,一般不能小于
。
为了进一步改善温度传感器的线性,本仪器还采用串联补偿,R'是串联补偿电阻,它与热敏电阻
及其并联补偿电阻相互串联后接在电源
两端,如图所示,其线性补偿原理和计算方法叙述如下:
设当传感器达到上限温度
=45℃时,传感器两端a、b的并联电阻为
。
传感器两端a、b输出电压:
设当传感器达到下限温度
=25℃时,传感器两端a、b的并联电阻为
。
传感器两端a、b输出电压:
设当传感器达到中间温度
=35℃时,
传感器两端a、b的并联电阻为
。
传感器两端a、b输出电压:
由于中点温度为上限温度和下限温度的平均值,要使在这三个点上传感器上的输出电压与温度成线性,中点温度输出电压也应该为上限温度和下限温度输出电压的平均值,即:
将
(1),
(2),(3)代入上式求解可得线性串联补偿电阻:
只要将上限温度、下限温度和中点温度时传感器两点间并联电阻值代入上式,就可算出串联线性补偿电阻,使输出电压与温度更接近线性。
热敏电阻是医学上应用较为广泛的传感器。
(三)PN结温度传感器
1.工作原理:
PN结温度传感器就是利用晶体管基极-发射极的正向压降随温度变化的特性而制成的温度敏感元件。
2.PN结温度传感器有两种形式:
二极管温度传感器和三极管温度传感器。
3.特点:
有较好的线性度、尺寸小、热响应时间短(约为0.2s-2s)、灵敏度高(约为
)。
不足的是测温范围小
、互换性较差。
下面两图分别是二极管和三极管做温度传感器的电子温度计图:
(四)红外温度传感器
1.工作原理:
红外温度传感器是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体的温度。
它的理论依据是斯蒂芬-波尔兹曼定律:
在物体表面的法向比辐射率已知的情况下,只要能测量出物体所辐射的辐射功率,就可以确定物体的温度!
红外温度传感器将被测目标上的辐射用光学系统聚焦后经过调光器输入到红外检测器,红外检测器的任务是将辐射转换成模拟的电信号。
2.热释电红外传感器是最常用的红外检测器之一其工作原理是利用热释电效应,即在钛酸钡一类晶体上、下表面设置电极,在上表面加以黑色膜,若有红外间歇地照射,其表面温度上升
,其晶体内部的原子排列将产生变化,引起自发极化电荷,在上下电极之间产生电压
。
3.特点:
红外温度传感器反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便,尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的红外测温模块、红外测温仪在医疗中得到了广泛应用。
(五)石英晶体传感器
其工作原理为:
石英晶体的固有振荡频率是随温度的变化而变化,即
温度系数是随石英晶体的切割角度改变而变化的。
当切割角度不同时温度系数也明显不同。
几种石英晶体温度计的性能
切型
频率/MHz
频率常数/kHz·mm
泛音
切角
石英片尺寸/mm
直线性/%
+5°Y
10.58631.846
1910
13
+5°0°
8.00.17
±0.25±0.35
LC切
9.57728.669
1730
13
13°8.44°
8.00.18
±0.03±0.02
NL1
11.14918.585
1840
35
12×14.7×0.5
±0.12
-31.5°Y
25.59576.883
2420
13
-31.5°0°
5.00.09
±0.02±0.03
石英晶体温度传感器以高分辨率、高准确度、热响应时间小、频率输出,便于远距离传输、便于测量等特点而著称,主要用于高准确度、高分辨率的温度测量和作为量值传递的标准温度计中。
广泛用于工业、农业、军事、科学、环境等领域的测量,但由于其价格高在普通的医疗仪器中一般不使用。
(六)光纤温度传感器
1.工作原理:
光纤温度传感器就是以光导纤维作为温度敏感元件或用光导纤维传输信号的温度传感器。
种类不同其工作原理也略有不同。
2.光纤种类:
按光纤的作用分:
(1)全光纤型:
光纤为敏感元件,光在光纤中被温度调制,被调制的光信号由光纤传输到测量仪表中,再被转化为电信号,实现测温。
(2)传光型:
感光功能由非光纤元型敏感件完成,光纤仅起导光作用,将光信号传输到测量仪表中的光敏元件,转化为电信号,实现测温。
(3)拾光型:
光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被反射、散射的光,再由光电器件转换成电信号,实现温度测量。
3.适用范围:
光纤温度传感器的特点是:
电、磁绝缘性好、传送的信息量大,灵敏度高、非侵入性、体积小、重量轻,强度高,可弯曲、传输损耗低,容易实现对被测信号的远距离监测、结构简单灵活,便于安装。
所以常用于:
a)高电压大电流、强电磁场噪声、强辐射等恶劣环境中的温度测量;
b)易燃易爆的危险场所的温度测量;
c)无法直接观察到测温目标的或空间狭小的场合中温度测量;
d)高温介质的温度测量。
因此对于简单的体温测量虽然光纤性能好,但是价格过于昂贵所以没有必要使用光纤温度传感器。
综上所述,我们在考虑了传感器的线性度、灵敏度、大小、稳定性以及性价比之后决定使用PN结温度传感器。
如果希望做到非接触式又有一定经费的情况下可以使用红外温度传感器,对于医生护士来说是用起来更为方便卫生。
放大滤波电路部分
当传感器采集到我们所需要的温度信号以后,接下来要做的就是对该信号进行放大滤波处理,经过整流以后才能最终输入到单片机中完成功能的实现。
在该部分中,我们讨论了两类方案。
一类是简单的设计方案,另一类则是一种对简单方案的补充设计。
简单设计方案
简单设计方案中,我们的设计由前端放大电路、低通滤波器、反相放大器和一个可调式稳压源电路组成。
下面我们就对这四部分分别进行简要的说明:
1.前端放大电路
前端放大电路如图所示:
该部分电路除了能够抑制共模信号以外,还可以实现传感器与后续电路的隔离作用,确保传感器所得的信号线性特征不受后继电路的影响。
2.低通滤波器
由于测量人体体温所得的信号频率范围为dc~0.1Hz,所以接一个低通滤波器,把高频干扰信号去除,保留有用信号。
其电路如图所示:
我们所用的是二阶压控型LPF,目的是使电路在
附近形成正反馈,使该频段上的增益不衰减,甚至提升一点,从而可改善它的通带特性。
而当
时,因C的阻抗明显增大,反馈也大为减弱,故对增益影响不大。
电路中的阻容大小分别为:
3.反相放大器
通过低通滤波器后,我们考虑接一反相放大电路(如下图所示)。
温度电压经
反相放大器放大后,可由原来的随温度递减关系转变为温度递增,这样就可以用电压变化来表示温度的变化了。
反相放大器反相端输入电阻可调,用以调整放大器的放大倍数,反相输入端还输入由分压电位器输入的直流电压,调节分压电位器可以改变放大器的静态直流输入电压.
4.可调式稳压源电路
偏移电压直接耦合到输入端,会使我们产生疑问:
它会不会使高增益放大器饱和,从而完全切断信号呢?
在传感器的输出量值比较微弱的情况下,放大器的噪声电压,测量电路直流放大的温漂和级间耦合现象会不会给测量结果带来严重误差呢?
在体温监护仪用于监护手术或进行导管术的场合,病人对电击危险非常敏感.在做导管术或体内测量时,极小的50Hz泄露电流也能使人有生命危险.简单的设计是否安全呢?
为了解决以上问题,我们又提供了一个补充方案。
补充设计方案
补充设计方案的主要思想是在前置放大器和主放大器之间放置隔离电路(可采用变压器或光电耦合方式),把前置放大器浮置,提高体温监护仪抗干扰能力,起到安全保护作用。
为此,我们提供了几个相关的具体电路图供大家参考:
变压器耦合形式:
同步解调器:
隔离电源的整流滤波电路:
载波振荡器的功率放大电路:
载波振荡器的振荡电路:
最后,我们可以选择将两套方案耦合连接在一起就可以直接完成放大滤波电路的设计。
运放的选择
由于我们处理的是低频的信号,所以我们对运放的温漂、输入失调电压、输入失调电流与输入偏置电流等性能参数要求比较高,从而减少对信号的影响.而对运放的带宽要求并不高,所以我们选择CF3078(CA3078)型运放器.如果要运放的性能在以上几个方面有更高要求的话,可以选择价格更加昂贵的CF7650型运放器.
单片机部分
关于CPU的讨论
软件是多路数字体温监护计中极为重要的组成部分。
软件设计仔细考虑了对整个系统的严格管理,灵活运用了中断、查表、定时等处理手段。
充分利用了计时、查询、存贮等功能。
软件设计采用了模块化结构。
可读性、通用性强。
主程序的主要功能是实时、循环测温以及有条不紊的控制,并进行数据处理、存贮、显示、判断报警等。
流程图如下所示:
本仪器采用80C31低功耗8位单片机作为控制和数据处理系统,80C31功能与8031相同,但功耗比8031低,这是我们选择它的主要原因。
其P0口和P2口可外接RAM62256数据存储器和EPROM27512作为程序存储器,其基本功能如下所述:
(1)控制和选择模拟开关的通道地址,使各路温度电压信号轮流通过模拟开关进入A/D采样。
(2)启动A/D进行模数转换,每当查询到转换完成后,分两次从P0口读出所转换的低8位和高4位数据。
(3)将重复采样中读得数据进行平均计算,换算成对应的温度,并送LED显示器显示通道地址和所测温度。
(4)完成报警和预置功能。
80C31简介
80C31是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。
80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
但80C31片内并无程序存储器,需外接ROM。
此外,80C31还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
80C31的主要功能特性有:
*标准MCS-51内核和指令系统;
*32个可编程双向I/O口;
*2个16位可编程定时/计数器
*5个中断源
*全双工串行通信口
*2层优先级中断结构
*PDIP(40)和PLCC(44)封装形式
*外部程序存储器ROM地址空间64kB
*128x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)
*时钟频率3.5-16MHz
*5.0V工作电压
*布尔处理器
*兼容TTL和CMOS逻辑电平
*空闲和掉电模式
下图就是80C31的引脚图。
EPROM(可擦可编程只读存储器)是一种掉电后信息不会丢失的存储器电路。
因而可作单片机应用系统的外部程序存储器。
本系统中使用的是EPROM27512,容量为64K,对EPROM的操作方式有:
编程方式:
把程序代码(机器指令码或常数)固化到EPROM中;
编程校验方式:
读出EPROM中的内容,校对编程操作的正确性;
读出方式:
CPU从EPROM中读出指令和常数;
维持方式:
数据端呈高阻;
编程禁止方式:
用于多片EPROM并行编程。
因为EPROM价格低廉、性能可靠且灵活方便,因此使用最为普遍。
虽然MCS-51单片机芯片内部有128个字节RAM,但是某些应用场合往往是不够用的,考虑体温计处理的数据比较多,需要进行数据存储器扩展设计。
扩展RAM容量可达64K字节,在此系统中采用的就是RAM62256(64K)。
74LS373是常用的8位地址锁存器,是一种带有输出三态门的8D锁存器。
74LS373的引脚图74LS373的结构原理图
其工作原理是:
当控制端
为低电平时,三态门是导通的,三态门的输出
与8D锁存器的
是对应相同的。
当控制端
为高电平时,三态门输出
处于高阻状态。
当控制端G为高电平时,8D锁存器的输出端
与输入端
的状态是相同的;当G由高电平变为低电平时(下降沿)将跳变前输入端
的状态锁入
中。
利用单片机的监控程序测试扩充以上两个部分(存储器)的所有硬件。
例如,将完好的单片机监控程序芯片拔下,插到仪器系统的0000~07FFH区的EPROM插座上,使用单片机的MEM键抽查部分存储器单元的内容,并对0800~0FFFH,3800~3FFFH等区域的RAM的部分单元进行读/写修改,从数码显示器上观察地址及其相应内容是否正常,可键入下列的试验程序来检验I/O口及外设器件的硬件是否完好。
ORG2000H
LDA,4FH;输入方式控制字
OUT(A6H),A;送2#PIOA口
OUT(A7H),A;送2#PIOB口
OUT(AAH),A;送3#PIOA口
OUT(ABH),A;送3#PIOB口
LDA,0FH;输出方式控制字
OUT(AEH),A;送4#PIOA口
OUT(AFH),A;送4#PIOB口
OUT(B2H),A;送5#PIOA口
OUT(B3H),A;送5#PIOB口
OUT(B6H),A;送6#PIOA口
OUT(B7H),A;送6#PIOB口
OUT(BAH),A;送7#PIOA口
OUT(BBH),A;送7#PIOB口
LDA,01H;取通道1输出
OUT(AD),A;送4#PIOB口显数字高位
INA,(A4H);读入通道1数据
OUT(ACH),A;送4#PIOA口的数码低2位
LDA,02H;取床号2输出
OUT(B1H),A;送5#PIOB口显数字高位
INA,(A5H);读入通道2数据
OUT(B0H),A;送5#PIOA口的数码低2位
LDA,03H;取通道3输出
OUT(B5H),A;送6#PIOA口的数码低2位
INA,(A8H);取通道4输出
OUT(B4H),A;送7#PIOB口显数字高位
LDA,04H;读入通道4数据
OUT(B9H),A;送7#PIOB口显数字高位
INA,(A9H);读入通道4数据
OUT(B8H),A;送7#PIOA口的数码低2位
LDB,0CCH;延时
lOOP1:
CALLD20ms
DJNZLOOP1
JPLOOP;循环
这是一个由键盘送入部分立即数、同时又用程序从A/D采集数据送显示,以便检验I/O口及其它所有连接的实验程序。
A/D转换电路
为了提高精度,本电路采用MAX19112位模数转换电路。
MAX191是高速A/D转换芯片,内置参考电压和内部时钟,本电路的A/D转换受单片机控制,单片机通过片选口和读写口启动A/D进行转换,转换完毕向单片机送出高电平,经单片机查询后,分两次读出转换数据的低8位和高4位。
MAX191简介:
MAX191是MAXIM公司新推出的一种CMOS型模数转换器(ADC)。
主要特性如下:
*12位分辨率,1/2LSB线性度;
*差分输入;
*内置采样/保持器(T/H)、4.096V电压基准源和时钟电路;
*A/D转换时间为7.5ms,采样保持时间为2ms,采样速度达100ksps;
*可采用单电源+5V或双电源±5V供电;
*功耗低,转换期间耗电3mA,节电模式下仅为20mA;
*24脚窄DIP和宽SO两种封装形式。
MAX191可以串行或8位并行接口方式与微处理器接口。
低速存储器模式和ROM模式,ROM模式又有2种不同的工作时序可供选择,使用者只需根据需要选用一种工作方式即可。
MAX191内部结构图
LED显示
采用4位高亮度LED作为显示器,首位用来显示通道地址,后三位显示测量温度,最小分度为0.1度。
每位LED受一个CD4511BCD码驱动器驱动,单片机P1口低四位向各驱动器提供数据,高四位提供位选择信号,每路温度数据静态显示5秒钟,再循环显示下一路温度数据。
但是由经验得到用CD4511驱动LED数码管显示数字时,字形69分别显示为“Ьq”,较之常见的“69”字形有差异。
为了使CD4511显示的字形与常见的一致,可以将CD4511换成CD4543,但比较麻烦。
所以采用以下方法来改进CD4511。
研究CD4511BCD码的输入端A、B、C、D与输出字形笔段a、b、c、d、e、f、g的关系,可以发现,当输入B端为高电平时,对应显示的数字2、3、6、7除6外均有a段输出,因此,只要从B端取出高电平信号再补上6的a段输出即可;当D端为高电平时,只有8、9两个数字,但d段在显示9时却不输出高电平,也需补上。
要补上这两个笔段的输出,仅需两只简单的二极管门电路即可实现。
如图1
所示。
二极管可用1N4148、2CK等。
同时,a、d笔段对应限流电阻应适当减小,使各段通过的电流一致。
当然,如要求不高,电阻也可不动。
做法是,找到CD4511的(10)脚,切断通向该脚限流电阻的铜箔,串入一只二极管,再从{6}脚接一只二极管到该电阻,对{13}脚也重复上述步骤,改进工作就完成了。
如果A、B、C、D端输出驱动电流不够,可改用三极管构成射随器,电路如图1
所示,其中三极管可用任何型号的硅NPN小功率管。
如果电源电压超出三极管的发射结击穿电压,则两只三极管发射极均应串入隔离二极管。
这样做之后6、9形状的失真得到了解决。
图1
报警电路和开关稳压电源
为了便于临床监护,本仪器具有报警预置、报警和报警解除功能,单片机INT0口外接按钮开关构成报警预置电路,当按钮被按下时,单片机系统产生中断进入预置状态,数码显示器闪烁显示预置初值,按钮每按一下预置值增1,当预置数值达到测量上限45.0℃时,预置数返回25℃,从该值开始单向循环递增。
停止5秒不按钮,默认置数完毕,系统返回测量状态。
当仪器所测温度超过预置温度时,即通过T0口向蜂鸣器送出音响信号,以示报警,当需要解除报警的话,只要按一下与单片机T0口所连接的按钮,就可中断音响,停止报警。
如果再按一下该钮,系统又返回报警状态。
图2显示了报警系统的基本电路。
三极管就相当于是一个开关,其开断与否受T0的高低电平控制。
这一功能主要由单片机通过软件编程进行数值比较来实现。
蜂鸣器两端的二极管主要是起保护的作用,确保了报警器的正常运行。
图2
为了保持本仪器工作电源稳定,采用了MAX744低功耗脉宽调制式开关稳压电源,其转换效率达到90%。
MAX744是一款常用于轻便型仪器的低功耗脉宽调制式开关稳压电源。
它可以负载6-16伏的电压输入以及750mA的电流负荷,且能够提供稳定的输出与优质的传输响应。
由线性度、负载以及温度变化所带来的最大误差为
5%
MAX744的主要特性有:
*750mA负载电流。
*高频率,电流模式脉宽调制方式,为系统
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