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课程设计 February 2011 melab BME 联系方式 Email melab Tel 83272339Address 实验606 613 melab BME 时间安排 第一 二 三周 2月24 3月3 10日 上课第二周 3月3日 交分组名单交所选课题第三周 3月10日 交元器件清单2月24日 3月10日查资料 melab BME 时间安排 第四周 3月17日 进入实验室 10 30 11 502 00 5 00 注 请每一小组自备剪刀 镍子和万用表进实验室 第十三周 5月19日 总结交流 10 30 12 002 00 4 20 第十四周 5月26日 交课程设计报告 melab BME 目的 让学生对大学期间所学的电子专业基础知识和专业知识进行一次综合运用 为下一步毕业实习和毕业设计做好准备 学生通过本课程设计可以进一步理解电子技术 电路理论 微机等方面的相关知识 正确认识系统设计的基本原则 掌握简单任务分析的一般流程 尝试自己制定方案 对模块能独立编程实现 并可综合运用这些知识解决一定的实际问题 使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题 解决问题能力上得到一定的提高 melab BME 内容及进行方式 内容上要涉及到电子线路 微型计算机或可编程控制器的应用等知识 时间上要求64学时之内能够完成一个具体的设计题目 学生先要理解题目要求 然后查询资料 在此基础上设计并绘制出系统电路原理图 随后在实验板上进行系统实现和调试 在此过程中进一步对原理图进行修改和完善 调试通过后 绘制出制版图 从中选取优秀作品进行制版和焊接 最后完成硬件 软件系统的调试和制作 并且要求提交包括设计 分析和总结的完整报告 melab BME 交流与考核 在完成实验课题的过程中 组织学生进行交流 锻炼可学生正确 条理地讲述清楚技术问题的能力 考核方式 结合学生课程设计过程中的动手能力 交流情况 平时考勤 及报告的书写等几方面 伴以适当提问给出最后成绩 melab BME 应用系统设计流程 melab BME 设计前的准备工作 提出合理而可行的技术指标 编写出设计任务书 从而完成系统总体方案设计 分析完成这个项目的可能性 将该项目细化 即需明确哪些部分用硬件来完成 哪些部分用软件来完成 可行性调研 系统总体方案设计 设计方案细化 确定软硬件功能 melab BME 硬件和软件如何分工 用硬件实现速度比较快 节省CPU的时间 但系统的硬件接线复杂 系统成本较高 用软件实现则较为经济 但要更多地占用CPU的时间 原则上 能够由软件实现的任务就尽量用软件来实现 以降低成本 简化硬件结构 如果系统回路多 实时性要求强 则要考虑用硬件完成 同时 还要求大致规定各接口电路的地址 软件的结构和功能 上下位机的通信协议 程序的驻留区域及工作缓冲区等 总体方案一旦确定 系统的大致规模及软件的基本框架就确定了 melab BME 应用系统的硬件设计 在进行应用系统的硬件设计时 首要问题是确定电路的总体方案 并需进行详细的技术论证 所谓硬件电路的总体设计 即是为实现该项目全部功能所需要的所有硬件的电气连线原理图 melab BME 单元电路设计 在进行单元电路设计时 必须明确对各单元电路的具体要求 详细拟定出单元电路的性能指标 认真考虑各单元之间的相互联系 注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配 尽量少用或不用电平转换之类的接口电路 并考虑到各单元电路的供电电源尽可能统一 以便使整个电子系统简单可靠 另外 尽量选择现有的 成熟的电路来实现单元电路的功能 有时找不到完全满足要求的现成电路 可在与设计要求比较接近的某电路基础上适当改进 或自己进行创造性设计 为了使电子系统的体积小 可靠性高 电路单元尽可能用集成电路组成 melab BME 参数计算 在进行电子电路设计时 应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数 例如根据电压放大倍数的大小 可决定反馈电阻的取值 根据振荡器要求的振荡频率 利用公式 可计算出决定振荡频率的电阻和电容之值等等 但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是惟一的 设计者应根据元器件性能 价格 体积 通用性和货源等方面灵活选择 计算电路参数时应注意以下几点 melab BME 参数计算 Cont 1 在计算元器件工作电流 电压和功率等参数时 应考虑工作条件最不利的情况 并留有适当的余量 2 对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量 一般取1 5 2倍的额定值 3 对于电阻 电容参数的取值 应选计算值附近的标称值 电阻值一般在1MW内选择 非电解电容器一般在100pF 0 47 F选择 电解电容一般在1 F 2000 F范围内选用 4 在保证电路达到功能指标要求的前提下 尽量减少元器件的品种 价格 体积等 melab BME 元器件选择 电子电路的设计就是选择最合适的元器件 并把它们有机地组合起来 在确定电子元件时 应根据电路处理信号的频率范围 环境温度 空间大小 成本高低等诸多因素全面考虑 具体表现为 melab BME 元器件选择 Cont 一般优先选择集成电路 由于集成电路体积小 功能强 可使电子电路可靠性增强 安装调试方便 可大大简化电子电路的设计 如随着模拟集成技术的不断发展 适用于各种场合下的集成运算放大器层出不穷 只要外加极少量的元器件 利用运算放大器就可构成性能良好的放大器 同样 目前我们在进行直流稳压电源设计时 已很少采用分立元器件进行设计了 取而代之的是性能更稳定 工作更可靠 成本更价廉的集成稳压器 电阻器和电容器是两种最常用的元器件 它们的种类很多 性能相差也比较大 应用的场合也不同 因此 对于设计者来说 应该熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点 以便根据电路要求 对元件作出正确的选择 分立半导体元件的选择 首先要熟悉它们的功能 掌握它们的应用范围 根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件 如通过的最大电流 最大反向工作电压 最高工作频率 最大消耗的功率等 确定元器件型号 melab BME 系统电路综合 在各单元电路模块和控制电路达到预期要求以后 可把各个部分电路连接起来 构成整个电路系统 并对该系统进行功能测试 测试主要包含三部分工作 系统故障诊断与排除 系统功能测试 系统性能指标测试 若系统有一项不符合要求 则必须修改电路设计 melab BME 计算机模拟仿真 随着计算机技术的飞速发展 电子系统的设计方法发生了很大变化 目前 EDA 电子设计自动化 技术已成为现代电子系统设计的必要手段 在计算机工作平台上 利用EDA软件 可对各种电子电路进行调试 测量 修改 大大提高了电子设计的效率和精确度 同时节约了设计费用 目前常用的电子电路辅助分析 设计的常用软件有PSPICE PROTEL EWB 电子工作台 现在称为MULTISIM 等 melab BME 实验 电子设计要考虑的因素和问题相当多 由于电路在计算机上进行模拟时采用元器件的参数和模型与实际器件有差别 所以对经计算机仿真过的电路 还要进行实际实验 通过实验可以发现问题 解决问题 若性能指标达不到要求 应深入分析问题出在哪些单元或元件上 再对它们重新设计和选择 直到完全满足性能指标为止 melab BME 绘总体电路图 总体电路图是在总框图 单元电路设计 参数计算和元器件选择的基础上绘制的 它是组装 调试 印刷电路板设计和维修的依据 目前绘电路图一般是在计算机上利用绘图软件完成 绘制电路图时主要注意以下几点 melab BME 绘总体电路图 Cont 总体电路图尽可能画在同一张图纸上 同时注意信号的流向 一般从输入端画起 由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路 对于电路图比较复杂的 应将主电路图画在一张图上 而将其余的单元电路画在一张或数张图纸上 并在各图所有端口两端标注上标号 依次说明各图纸之间的连线关系 注意总体电路图的紧凑和协调 要求布局合理 排列均匀 图中元器件的符号应标准化 元件符号旁边应标出型号和参数 集成电路通常用方框表示 在方框内标出它的型号 在方框的边线两侧标出每根连线的功能和管脚号 连线一般画成水平线和垂直线 并尽可能减少交叉和拐弯 对于相互交叉的线 应在交叉处用圆点标出 对于连接电源负极的连线 一般用接地符号表示 对于连接电源正极的连线 仅需标出电源的电压值即可 melab BME 电路图 melab BME 电路设计应注意以下几个方面 选择标准化 模块化的典型电路选择通用性强 市场货源充足的元器件适当留有余地以备将来修改 扩展之需设计时应尽可能地作些调研 采用最新的技术在电路设计时 要考虑应用系统各部分的驱动能力工艺设计系统的抗干扰设计 melab BME 应用系统的软件设计 在进行应用系统的总体设计时 软件设计和硬件设计应同时考虑 相结合进行 当系统的电路设计定型后 软件的任务也就明确了 系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的 一般地讲 将软件的功能可分为二大类 一类是执行软件 另一类是监控软件进行应用系统的总体设计时 软件设计和硬件设计应同时考虑 相结合进行 当系统的电路设计定型后 软件的任务也就明确了 系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的 一般地讲 将软件的功能可分为二大类 一类是执行软件 另一类是监控软件 melab BME 程序设计时应从以下几个方面加以考虑 根据软件功能要求 将系统软件分成若干各相对独立的部分培养结构化程序设计风格 各功能程序实行模块化 子程序化建立正确的数学模型为提高软件设计的总体效率 以简明 直观的方法对任务进行描述 在编写应用软件之前 应绘制出程序流程图 melab BME 程序设计时应从以下几个方面加以考虑 Cont 要合理分配系统资源注意在程序的有关位置处写上功能注释 提高程序的可读性加强软件抗干扰设计 它是提高计算机应用系统可靠性的有力措施 melab BME 系统调试 硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障 包括设计性错误和工艺性故障 软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试 除发现和解决程序错误外 也可以发现硬件故障 程序调试一般是一个模块一个模块地进行 一个子程序一个子程序地调试 最后联起来统调 在调试过程中 要不断调整 修改系统的硬件和软件 直到其正确为止 联机调试运行正常后 将软件固化到EPROM中 脱机运行 并到生产现场投入实际工作 检验其可靠性和抗干扰能力 直到完全满足要求 系统才算研制成功 melab BME 硬件设计 绘制硬件原理图绘制印制板图配置元器件硬件功能分调 样机联调 在样机中运行软件软硬件修改与完善反复调试以达设计要求 考机定型 现场运行样机组装定型 软件固化编写技术报告及说明书 melab BME 课题 课题五 青少年视力保护仪 课题四 智能人体温度测试系统 课题三 心音遥测器 课题二 简易心电监护仪 课题一 智能理疗仪的设计 melab BME 课题 Cont 课题八 便携式电子血压设计 课题七 基于DDS技术的函数发生器的设计 课题六 智能呼救器 melab BME 课题一 智能理疗仪的设计 设计要求 设计制作电刺激器 包括波形发生器 整形电路 放大器等 产生密波 疏波 断续波 单次脉冲宽度约5 s 幅值 脉冲宽度 重复频率和治疗时间可调 在数码管上显示治疗时间 重复频率 0 100HZ 工作时间 0 60分钟 melab BME 电流的生理效应 电流对人体组织的基本作用 热效应刺激效应化学效应 影响电流生理效应与损伤程度的因素 影响电流生理效应与损伤程度的因素有电流强度 通电时间 电流频率 电流途径及人的适应性 melab BME 应用 康复性的训练 减肥 镇痛 消除疲劳等 智能理疗仪的设计原理 melab BME 电流强度 melab BME 通电时间 通电时间越长 人体损伤越严重 这是因为皮肤电阻随着通电时间的延长而下降 从而使通过人体的电流增大 melab BME 电流频率 电流频率与人体阻抗的关系人体模型可等效为电阻和电容的组合 因此 人体的阻抗与电流的频率有关 频率越高 阻抗越低 流入人体的电流就越大 直流电大约每6 5cm2约1 2mA 高频电流可高达75 100mA melab BME 电流频率 Cont 电流频率与刺激持续时间的关系刺激的持续时间随着电流频率增加而缩短 实验证明 当频率高于100Hz时 刺激效应随着电流频率增加而减弱 当频率高于1MHz时 刺激效应完全消失 只有生热作用 刺激效应最强的是50 60Hz的交流电 比50Hz更低的频率其刺激效应也减弱 melab BME 电流途径 同样的电流流过人体不同的部位和不同的器官 其生理效应与损伤程度大不一样 即电流的途径不同 引起的危险性也不同 melab BME 电流途径 Cont 电流的路径接近心脏 肺 大脑等重要器官 就可能使心跳 呼吸停止 从而致人于死地 当电流加在体表上的两个点时 总电流中只有很小一部分流过心脏 这些加在体表上的宏大电流称为宏电击 当电流加载体表时 使心脏纤颤所需的电流值 远比直接加到心脏上的电流大得多 melab BME 电流途径 Cont 交流电和直流电在通过人体时不一定走通两电极间的最短路线 而是沿其间的血管和淋巴管流动 直流电总是沿电阻小的路径流动 而对于高频电流 只要电阻不太大 它就会沿着最短路程流动 melab BME 电流途径 Cont 交流电和直流电在通过人体时不一定走通两电极间的最短路线 而是沿其间的血管和淋巴管流动 直流电总是沿电阻小的路径流动 而对于高频电流 只要电阻不太大 它就会沿着最短路程流动 melab BME 人的适应性 对电刺激的适应能力因人而异 通常 男人比女人强 大人比小孩强 强壮的人比虚弱的人强 即使是同一个人 在电流变化率较小时适应性较强 因此危险性减小 电流变化率增加时 适应性减弱 危险性就增大 melab BME 流程图 调制信号 放大电路 控制信号 波形发生电路 整形电路 melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME 课题二 简易心电监护仪 melab BME 心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化的曲线图形 melab BME 标准导联 亦称双极肢体导联 反映两个肢体之间的电位差 melab BME 位置 导联 左上肢电极与心电图机的正极端相连 右上肢电极与负极端相连 melab BME 位置 导联 左下肢电极与心电图机的正极端相连 右上肢电极与负极端相连 melab BME 位置 导联 将左下肢与心电图机的正极端相连 左上肢电极与负极端相联 melab BME 图形 melab BME 设计要求 设计制作心电放大器 要求能较好地去除干扰 对心电信号的放大不失真 对所采集的心电信号进行滤波 计算等处理 实时显示心率及相关信息 对心动过速 心动过缓等作出报警 报警方式可以采用多种方式 如语音报警 音乐报警 指示灯报警等 通过串口实时传输心电信号数据到pc机 并显示心电波形 melab BME 几种设计思路 由前置差分放大电路对心电信号进行放大 再经隔离放大电路处理后 通过滤波将心电信号送至单片机系统进行数据采集 将心电信号进行放大 隔离 滤波等处理后 再进行整形处理以方便单片机系统 melab BME 单片机系统的处理方法 方法一 采集15秒内的心电信号经A D转换存入数据的缓冲区 以一定的频率 以输出波形不发生闪烁为准 读出缓冲区中的数据进行D A转换输出至示波器显示 与此同时检测数据是否大于定值 如果连续多次满足 则在其后第一次下降至定值以下后 认为是一次心跳 心跳数加一 将心跳数换算成心率送LED显示 melab BME 单片机系统的处理方法 Cont 方法二 定时将心电信号整形成脉冲信号送8031之计数器T0或T1计数 进行心率换算并送显 报警等 方法三 定时采集心电信号经A D转换存入数据的缓冲区 通过232通讯口将数据送至计算机进行数据的处理和心电波形的显示 melab BME 前置放大器 人体为一容积导体 心电信号可由体表电极检出 同时人体又是干扰源 要求具有良好的抗干扰能力 即要具有高的KCMR值 高的输入阻抗和高的信噪比 一般用三运放组成的仪用放大器作为前置放大器 melab BME melab BME 心电信号的频率范围为 0 05 100Hz max 250 幅值为 成人 0 5 4mV胎儿 10 V经过放大后的心电信号 杂合了50Hz的工频干扰和高频干扰 锯齿状 为改善波形必须进行滤波 可以采用低通滤波器和50Hz带阻滤波器 滤波 melab BME melab BME 课题三 心音遥测器 设计制作一心音遥测器设计要求 振荡频率 88 108Mhz将心音或语音信号加载到载波信号传播出去 发射距离 30m利用普通收录机 调到FM波段 监测心音或语音信号 完成监测记录任务 melab BME 课题四 智能人体温度测试系统 任务与要求 设计一个数字温度计 具体设计要求如下 测量温度的范围为 0 50 测量温度精度为 0 2 利用八段数码管显示温度语音读出温度值温度超过设定值时报警温度值可通过串口传输到pc机上 并绘出趋势图 melab BME 温度传感器 AD590是电流输出的温度传感器 电流输出温度传感器的主要特点是输出阻抗高 输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响 且对电源电压的脉动和漂移具有很强的抑制能力 电流输出温度传感器欲与微处理器接口时 一般需将电流变成电压 然后再用A D转换器转换成微处理器可以处理的信号 melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME 课题五 青少年视力保护仪 系统要求 看书或作业超过一定时间后 蜂鸣器发声 语音提示阅读时间过长的指示灯亮 光线较弱 不适合阅读时 蜂鸣器发声 语音提示光线不足的指示灯亮 阅读姿势不正确 即眼离书本太近时 蜂鸣器发声 语音提示坐姿错误的指示灯亮 melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME melab BME 课题六 智能呼救器 呼救器适用于老年人特别是患有冠心病 高血压等需要紧急救助的病人 它由CPU电路 倾斜式水银开关 检测延时电路 发光蜂鸣警报电路 语音求救电路及无线发射电路组成 将电路印制板装在塑料盒 盒上可标明家中电话号码和 药在盒内 等字样 内 置于上衣口袋里 当携带者发病跌倒超过一定时间还未得到救助时电路会自动示警 向路人发出语音求助信号 同时发出FM无线电求救信号 持有普通FM收音机的患者家属在收到信号后 就可及时前去抢救 melab BME 系统要求 用水银开关实现电路的自动接通通过软件完成一分钟的检测过程实现蜂鸣器和发光二极管同时工作的报警电路使用语音芯片完成分段录音和放音功能完成语音信号的无线发射 使用FM收音机接收到语音信号 melab BME 课题七 基于DDS技术的函数发生器设计 直接数字合成技术 DireetDigitalSynthesis 简称DDS 是建立在采样定理基础上 首先对需要产生的波形进行采样 将采样值数字化后存入存储器作为查找表 然后通过查表读取数据 再经D A转换器转换为模拟量 将保存的波形重新合成出来 DDS基本原理框图如图1所示 melab BME 工作原理 melab BME 系统要求 melab BME 系统要求 Cont melab BME 发挥部分 melab BME 课题八 便携式电子血压计设计 随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高 医疗检测设备的家庭化逐渐成为了趋势 其中家用电子血压计就是典型的家庭医疗检测设备之一 血压计大致上可分为两种 一是水银式血压计 其优点为数值稳定 其缺点为 无法一人自行操作 且必须专业医护人员操作 肉眼观察误差极大主观性强 体积较大不易携带 二是电子式血压计其优点为 使用简易 可一人独自操作 测量值便于记录 体积轻巧便于携带 电子式血压计具备了诸多优点 越来越受到普通家庭的欢迎 melab BME 系统要求 完成对血压计硬件模块的控制 包括马达 电源等 根据压力传感器得到的数据 利用示波法的原理 得到高压 低压 判断血压过高 过低等结果 要求 算法优化 CPU资源消耗小 速度快 准确性高 5mmHg 完成数字滤波器的算法实现 比较各种算法的优劣 根据需要选择滤波算法 要求 算法尽量优化 CPU资源消耗小 速度快 主程序的健壮性 实时性 melab BME 电子血压计工作原理 melab BME 血压交直流信号及收缩压和舒张压位置 melab BME 特点 优点 缺点 解决方案 电阻压力传感器 交直流分离 提高了交流分量的分辨率 所需器件较多 成本高 信号质量不高 使用集成度高的芯片 melab BME 利尔达 melab BME 特点 优点 缺点 解决方案 与传统方案类似 采用电阻压力传感器 交直流分离 交直流分离 提高了交流分量的分辨率 用Vref代替恒流源 硬件实现简单 信号噪声较大 在交流和直流分离之后各增加一个无源低通滤波器 melab BME 九安 分辨率 特点 优点 缺点 直流 4000交流1 100 将电阻压力传感器输出的压力值转换为方波的脉宽值 方波周期可以由用户决定 传感器输出电压经过差分放大 无源低通滤波与积分电路比较产生方波信号 无需AD避免了高频噪声影响 所需运放少 硬件上容易实现 有样板 交直流没有分开 需要用软件处理分离 对数字滤波要求较高 由于交流分量没有经过放大 分辨率较低 melab BME Freescale melab BME 特点 优点 缺点 解决方案 与传统方案类似 采用电阻压力传感器 交直流分离 交流直流分离 提高了交流分量的分辨率 传感器线性好 器件少 只用到一个运放 信号噪声较大 传感器漂移较大 在交流和直流分离之后各增加一个无源低通滤波器 melab BME 康人 melab BME 特点 优点 缺点 解决方案 电容压力传感器 电容随着压力不同而改变 从而改变振荡电路的频率 无需AD 电路简单 电容压力传感器一致性不理想导致振荡电路的频率难调整 对数字滤波要求较高 效率高简单的算法 melab BME 课