Разработка медицинского цифрового термометра (MPSKUR1)

Посмотреть архив целиком

АННОТАЦИЯ


В данной курсовой работе произведена разработка медицинского цифрового термометра на основе AVR микроконтроллера ATmega103 с характеристиками, согласно заданию. Выполнена разработка функциональной и структурной схем. Приведена подробная информация о выбранных элементах структурной схемы.

СОДЕРЖАНИЕ


Введение………………………………………………………………………5

Обзор существующих решений …………………………………………… 6

1. Разработка схемы

    1. Разработка структурной схемы ………………………………………8

    2. Разработка функциональной схемы …………………………………9

    3. Разработка принципиальной схемы…………………………………11

2. Разработка программного обеспечения

2.1 Разработка структуры программного обеспечения изделия ………..12

2.2 Разработка алгоритма

одной из составных частей программного обеспечения …………….14.

2.3 Программа ……………………………………………………………....16

Заключение …………………………………………………………………...19.

Список использованной литературы ………………………………………..20

Приложение 1 …………………………………………………………………21

Приложение 2 (перечень элементов)……………………………………..…23



ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработка медицинского цифрового термометра на базе контроллера AVR AТmega103

  • Тип датчика температуры (термометр сопротивления 100П)

- диапазон +35 С° до +50 С°.

- точность ±0,1

  • Связь с ПК через RS485

  • Дисплей ЖКИ

  • Память на 5 измерений

  • Преобразователь напряжения питания 10-30 В.






ВВЕДЕНИЕ

В медицине и бытовой сфере проблема эффективного использования тепловой энергии - одна из важнейших. Ее решение возможно только при комплексной автоматизации всего теплотехнического оборудования с помощью различных цифровых приборов локального учета, контроля и управления (с возможностью соединения таких приборов в локальную вычислительную сеть для создания систем глобального регулирования всего объекта).

AVR-микроконтроллеры в сочетании с датчиками позволяют создавать эффективные системы контроля в бытовой и промышленной, а также в медицинской технике. Их главные достоинства - универсальность, программная гибкость, возможность цифровой обработки данных и реализации сложных алгоритмов управления. Интеграция в одном корпусе большого количества периферийных устройств обеспечивает компактность и низкую стоимость приборов в условиях сжатых сроков разработки и постановки изделий на производство.

Однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер) представляет собой, построенную вокруг микропроцессора вычислительную систему, которая выполнена на одном кристалле вместе с микропроцессором.

В данной работе используется микроконтроллер AТmega103 фирмы Atmel. Микросхема выполнена в 40-выводном корпусе, что дает безусловный выигрыш. Таким образом, микроконтроллер имеет (4 внешних порта РА ,РВ,РС и РD). Прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МГц. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языке ассемблер. Микроконтроллер AТmega103 содержит: 4Кбайта загружаемого ПЗУ, 256 байтов СОЗУ дает возможность наращивать память данных, программируемый последовательный UART, программируемый сторожевой таймер и многое другое.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Передо мною стояла задача разработать дешевый и компактный цифровой медицинский термометр с сетевыми возможностями.

Стандартное решение такой конструкторской задачи - построение схемы, выполняющей следующую последовательность действий:

  • преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;

  • преобразование напряжения в код при помощи встроенного в контроллер аналогово-цифрового преобразователя (АЦП);

  • подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается дальше.

Сегодня некоторые зарубежные фирмы выпускают АЦП, выполняющие описанную выше цепочку преобразований. Например, фирма Analog Devices производит аналого-цифровые преобразователи AD7710, AD7711 и AD7713 со встроенными операционным усилителем (с программируемым коэффициентом усиления), источниками тока и последовательным интерфейсом. Эти микросхемы адаптированы для применения в измерительных системах (где датчиками могут служить термометр сопротивления, термопара или тензорезистивный мост), и датчики подключаются непосредственно к АЦП при минимуме дополнительных компонентов. Применять такие АЦП в небольших приборах дорого (цена специализированных АЦП превышает стоимость всех остальных компонентов, вместе взятых), а использование обычных АЦП значительно увеличивает число компонентов в схеме (и отрицательно сказывается на стоимости, габаритах и надежности прибора).

Еще один путь решения поставленной задачи - преобразование сопротивления непосредственно в код. Имеется множество различных схем, реализующих такое преобразование. Принцип их действия основан на измерении (электронно-счетным методом) временного интервала, равного постоянной времени цепи разряда конденсатора через измеряемое сопротивление.

Рассмотрим одну из схем со средними характеристиками точности измерения. Упрощенная структурная схема такого измерителя сопротивления представлена на рис. 1, а временные диаграммы его работы на рис. 2.




Рис. 1. Структурная схема измерителя сопротивления


Рис. 2. Временные диаграммы измерителя сопротивления


Перед началом измерения сопротивления RX образцовый конденсатор C контактами реле К1 подключается к источнику U0 и полностью заряжается до этого напряжения. Затем управляющее устройство переключает контакты реле К1, и конденсатор С начинает разряжаться через резистор RX. Одновременно с началом разряда (момент t0) управляющее устройство выдает импульс, которым триггер переводится в состояние 1.

При этом открывается временной селектор, и на вход электронного счетчика начинают поступать импульсы от генератора счетных импульсов.

В момент t1 напряжение U1 на конденсаторе станет равным напряжению U2, сравнивающее устройство выдаст импульс, который вернет триггер в состояние 0, и счет импульсов прекратится. За время δt = t1 - t0 счетчик подсчитывает m импульсов, следовавших с периодом TK. Так как δt = RX x C = m x TK (при U1 = U2), то измеряемое сопротивление будет вычисляться по формуле:

RX = m x TK/C = kR x m.

Основные недостатки такого прибора: большое количество компонентов и зависимость точности измерения от стабильности значения образцовой емкости.

Появление на рынке электронных компонентов недорогих микроконтроллеров (МК) со встроенным аналоговым компаратором позволило решить поставленную задачу, минимизировав описанную схему измерения.

После анализа существующих микроконтроллеров (имеющих аналоговый компаратор) была выбрана серия AVR, к которой относятся AT89C2313 и AT89C8515. Микросхемы данной серии имеют следующие особенности:

  • достаточно высокую производительность (как показали расчеты, МК типа AT89C1051, AT89C2051 и PIC16CE625 для предложенной схемы измерения не подходят из-за низкой производительности, а высокая частота МК типа SX18AC не позволяет увеличить разрядность схемы измерения, т.к. на высокой частоте проявляется влияние аналоговых параметров схемы);

  • асинхронный последовательный порт UART (в SX18AC и PIC16CE625 его нет);

  • сторожевой таймер, что особенно важно для автономных приборов;

  • электрически стираемая перезаписываемая память данных EEPROM для хранения калибровочной характеристики и различных коэффициентов (отсутствует в SX18AC);

  • широкая номенклатура микроконтроллеров, совмещающих на одном кристалле различные виды периферийных устройств и имеющих встроенный аналоговый компаратор.

Схема цифрового измерителя температуры (рис. 3) разработана на основе описанной выше схемы измерения (рис. 1) с применением МК серии AVR. Отличие от оригинала в том, что параллельно цепи разряда конденсатора через измеряемое сопротивление RX добавлена цепь разряда на образцовое сопротивление RО. Сравнение происходит в каждом такте измерения. Это позволяет исключить влияние других параметров схемы (например, стабильности характеристик конденсатора) на точность измерения. Применение в схеме электронных ключей с низким сопротивлением в открытом состоянии (например, полевых транзисторов) позволило уменьшить нижний порог измерения сопротивления почти до нуля.




Рис. 3. Структурная схема измерителя температуры на МК типа AT90SXXXX


Для сравнения со схемой измерения на рис. 1 рассмотрим принцип работы полученной схемы цифрового измерителя температуры (рис. 3), временная диаграмма для которого совпадает с диаграммой, приведенной на рис. 2. Перед началом измерения ключевые элементы К1 и К2 находятся в разомкнутом состоянии. Под управлением программы МК (в дальнейшем МК) происходит заряд конденсатора C через резистор R1. Когда напряжение достигает уровня UО, МК включает К2, и начинается разряд конденсатора C через образцовый резистор RО.

Одновременно с началом разряда МК начинает отсчет интервала времени δt = t1 - t0 (рис. 2). В момент времени t2 напряжение U1 на конденсаторе C сравнивается с напряжением U2, и МК заканчивает отсчет времени. Этот процесс повторяется с измеряемым резистором RX. После того, как получены два значения интервалов времени (DtO для образцового резистора RO и DtX для измеряемого резистора RX), величина измеряемого резистора RX МК вычисляется по следующей формуле:

RX = R0 x δtX/ δtO

где RX - измеряемое сопротивление;
R
O - образцовое сопротивление;
δt
X - интервал времени для измеряемого резистора RX;
δt
O - интервал времени для образцового резистора RO.




РАЗРАБОТКА СХЕМЫ


1.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ


Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

  • Стабилизатор напряжения (необходим для преобразования напряжения 10-30В, в 5В )


Случайные файлы

Файл
10181.rtf
14978-1.rtf
145310.rtf
29165-1.rtf
37355.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.