Разработка медицинского цифрового термометра

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 = R_X x C = m x T_K (при U₁ = U₂), то измеряемое сопротивление будет вычисляться по формуле:

R_X = m x T_K/C = k_R 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:

R_X = R₀ x δt_X/ δt_O

где R_X - измеряемое сопротивление;
R_O - образцовое сопротивление;
δt_X - интервал времени для измеряемого резистора R_X;
δt_O - интервал времени для образцового резистора R_O.

РАЗРАБОТКА СХЕМЫ

1.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

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

• Микроконтроллер (служит для управления всеми блоками данной схемы)

• Датчик температуры

• Источник тока (необходим для измерения температуры, так как на термометр сопротивления необходимо подавать постоянный ток)

• Источник опорного напряжения (для создания опорного напряжения в АЦП)

• Последовательный интерфейс для связи с ПК (необходим для передачи полученных данных в персональный компьютер)

• Дисплей (предназначен для отображения измеряемых данных)

• Клавиатуру ( по нажатию какой либо кнопки мы можем измерять температуру или просмотреть уже измеренную)

• Супервизор напряжения (вырабатывает общий сигнал сброса)

На рис.4. представлена структурная схема данного устройства.

Рис. 4.

1.2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИАНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Разработку функциональной схемы начнем с последовательного описания каждого блока схемы.

1) Стабилизатор напряжения. На вход данной микросхемы подается напряжение 10-30В с выхода получаем постоянное напряжение 5В. Напряжение 5в необходимо для питания микросхем.

2. Микроконтроллер. На данную микросхему также подается земля и питание. Сигнал сброса и на его входы также поступают сигналы от различных устройств таких как датчик температуры, последовательный интерфейс обмена, клавиатура, устройство отображения и др. т.е данная микросхема управляет всеми остальными.

3. Датчик температуры. Представлен в виде термометра сопротивления и через должен него протекает постоянный ток, чтобы с выводов снимать изменяющееся напряжение. Напряжение будет изменяться в зависимости от температуры.

4. Источник тока. С выхода данной микросхемы снимаем постоянный ток, на вход подается земля и питание.

5. Источник опорного напряжения. На вход земля и питание, с выхода получаем постоянное напряжение 2,5В. Опорное напряжение для встроенного АЦП.

6. Последовательный интерфейс. Он управляется от микроконтроллера, т.е. на его входы кроме питания и земли, подаются сигналы (RE,R0,DE,DO) по которым происходит считывание или запись данных в компьютер по последовательному порту.

7. Клавиатура. С выхода идет код в микроконтроллер, который там обрабатывается и по нему выполняется какая либо операция, на вход подается земля.

8. Дисплей. Предназначен для вывода измерений. Выводом данных на экран управляет микроконтроллер, поэтому на входы данного блока также поступают сигналы управления и сами данные с микроконтроллера. На вход также подается земля и питание.

9. Супервизор напряжения. На выходе данного блока формируется общий сигнал сброса, на вход подаются земля и питание.

Разрисовка структурной схемы представлена на рис.5.

10–30В

Блок

питания

Супервизор

напряжения

Дисплей

RESET

Vcc

D0-D7

GND

GND

E

R/W

8

RS

GND

МК

Датчик

температуры

AIN1

AIN1

Vcc

Последовательный интерфейс для связи с ПК

R2

A

AVCC

Vcc

R0

Источник

тока

B

RS

RE

DE

GND

GND

C2

AGND