电子听诊器完整版

河南工程学院 课程设计 电子听诊器的设计与制作电子听诊器的设计与制作 学生姓名 吴倩文 201310711250 学 院 电气信息工程学院 专业班级 电子科学与技术 1342 专业课程 自动检测课程设计 指导教师 张秋慧 201 6 年 6 月 3 日 课程设计成绩评定标准及成绩课程设计成绩评定标准及成绩 序号评审项目指 标满分评分 1工作态度 遵守纪律 学习认真 作风严谨 踏实肯 干 5 分 2工作量 按期圆满完成规定的任务 难易程度和工 作量符合要求 20 分 全勤 得 10 分 有迟到 早退 请假现象 得 8 分 旷课 1 天 得 5 分 旷课 2 天 得 2 分 3出勤情况 旷课超过 2 天 得 0 分 10 分 4 设计 实验 方案 能灵活运用相关专业知识 有较强的创新 意识 有独特见解 设计有一定应用价值 30 分 5实验技能 动手能力强 能独立完成安装 调试等实 际操作 能解决设计及实验过程中出现的 问题 10 分 6小组表现 注重团队合作 在小组中表现突出 对设 计方案的制定及选取起主要作用 在实验 操作过程中 承担主要执行者 5 分 7 设计报告质 量 报告结构严谨合理 文理通顺 技术用语 准确 符合规范 图表完备 正确 绘图 准确 符合国家标准 20 分 合 计 评语 等等 级 级 优秀 良好 中等 及格 不及格 优秀 良好 中等 及格 不及格 评阅人 评阅人 职称 职称 日日 期 期 年年 月月 日日 目目 录录 1 引言 4 1 1 课题目的与意义 4 1 2 电子听诊器基本原理 4 1 3 本设计的主要工作 4 2 设计方案 5 2 1 方案一 5 2 2 方案二 5 3 硬件设计 5 3 1 前置放大电路 5 3 2 滤波电路 6 3 3 主要元器件的介绍 7 3 3 1 STC89C51 的引脚图和功能 7 3 3 2 LM358N 引脚图及特点 8 3 3 3 LM393P 引脚及功能 8 3 3 4 原器件清单 9 4 软件设计 9 4 1 单片机程序设计 9 5 调试运行及结果 11 5 1 调试结果与分析 11 5 2 仿真原理图 11 5 3 信号调理电路 11 6 总结 12 6 1 设计所做的工作 12 6 2 不足与待改进之处 12 6 3 设计心得体会 12 1 引言引言 心音 呼吸音信号是重要的临床医学信号 是进行心脏疾病 呼吸系统疾病判 别的重要依据 是医生进行病因 病灶分析的重要信息 现如今 在心脏疾病和 呼吸系统疾病诊断中 听诊仍旧是医生进行检查的主要手段 并且 听诊具有体外 检查无创伤 便捷 经济等优点 是广为应用且不可替代 传统的医用听诊器无 放大作用 声音较微弱 受环境噪声的影响较大 电子听诊器采用多级低噪声 放大器 其放大倍数适当 频响效果好 背景噪声小 有 LED 显示功能 1 1 课题目的与意义课题目的与意义 通过课程设计 了解听诊器的基本原理 熟练掌握传感器信号采集和电子电 路的基本设计方法 将理论联系到实践中去 提高综合运用专业知识的能力 本次课程设计的电子听诊器包括放大电路 滤波电路 电压比较器电路 还包 括输出端的音频放大器 此设备具有良好的分析波形能力 能够将设置好的频 率段以外的声音频率滤除 故可以清晰的得到放大以后的心音信号 这样有助 于医务人员提高初诊的准确度 也为进一步诊断做好了基础 1 2 电子听诊器基本原理电子听诊器基本原理 听诊器前端是一个面积较大的膜腔 体内声波鼓动膜腔后 听诊器内的密闭气体随之震 动 而塞入耳朵的一端 由于腔道细窄 气体震动幅度就比前端大很多 由此放大了患者 体内的声波震动 电子听诊器是利用电子技术放大身体的声音 克服了声学听诊器噪音高 的 bug 电子听诊器需要转换的声的声波的电信号 然后被放大和处理 以获得最佳聆听 与声学听诊器相比 它们都是基于相同的物理原理 电子听诊器也可与计算机辅助听诊计 划的分析所记录的心的声音病理或无辜的心脏杂音 拾音器的主要作用就是采集听诊音 功能相当于 麦克风 放大及滤波装置则是 音箱 把听诊音放大 处理芯片则用于降低杂 音的干扰 保证获得理想的声音数据 通过 A D 转换将模拟信号转换成数字信号 经液晶 显示屏显示 1 31 3 本设计的主要工作本设计的主要工作 该电子听诊器电路由拾音传感器 前置放大器 低通滤波放大器 控制电 路和 LED 显示电路等组成 将微弱的心音信号通过拾音传感器之后 经放大电 路将其放大 然后通过滤波电路将干扰信号滤除 相应的编程下载到单片机中 把调理电路的模拟输出信号用 A D 转换器变成数字量后 再由单片机送到液晶 显示屏显示 除此之外 可以通过按键进行有要求的切换想要的信号 2 2 设计方案设计方案 2 12 1 方案一方案一 原理参考框图如图 1 所示 图 1 电子听诊器的总结构框图 这个题目可以通过单片机实现 将各部分电路接在单片机上 通过编程实现 本次课程设计时通过方案一来进行实现的 2 22 2 方案二方案二 图 2 电子听诊器的结构框图 3 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 前置放大电路前置放大电路 采用三极管运放结构组成前置放大电路 该放大器的带宽为 扬声器 功率放大器 显示器译码器 计数器 比较器 滤波器放大电路拾音头 MIC 0 5HZ 2 258HZ 该放大电路具有高输入阻抗 高共模抑制比 从而减少干扰等 该放大器的增益为 A R8 R9 R6 R9 R4 1 2 R2 R3 3 23 2 滤波电路滤波电路 该滤波电路的设计 与方案设计中的介绍一样 本课程设计采用通频带为 15 9Hz 1592 4Hz 的级联型一阶带通滤波电路 全频道包括的振动频率范围较 广 低频道适用于听诊低频杂音 所以我们可以根据不同的通频带计算出相应 的器件参数 可以通过编程可按键来进行控制 图 3 滤波电路 图 4 滤波电路仿真图 3 33 3 主要元器件的介绍主要元器件的介绍 3 3 13 3 1 STC89C51STC89C51 的引脚图和功能的引脚图和功能 89C51 单片机采用 40 只引脚的双列直插封装 DIP 方式 目前大多数为此类 封装方式 89C51 除采用方形封装方式 为 44 只引脚 89C51 是一种带 4K 字节 闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片 机 STC 系列单片机是美国 STC 公司最新推出的一种新型 51 内核的单片机 片 内含有 Flash 程序存储器 SRAM UART SPI A D PWM 等模块 该器件的基 本功能与普通的 51 单片机完全兼容 其主要功能 性能参数 1 内置标准 51 内核 机器周期 增强型为 6 时钟 普通型为 12 时钟 2 工作频率范围 0 40MHZ 相当于普通 8051 的 0 80MHZ 3 STC89C5xRC 对应 Flash 空间 4KB 8KB 15KB 4 内部存储器 RAM 512B 5 定时器 计数器 3 个 16 位 6 通用异步通信口 UART 1 个 7 中断源 8 个 8 有 ISP 在系统可编程 IAP 在应用 可编程 无需专用编程器 仿真器 9 通用 I O 口 32 36 个 10 工作电压 3 8 5 5V 图 5 89C51 实物图 图 6 89C51 引脚图 3 3 2 LM358N 引脚图及特点引脚图及特点 LM358N 里面包括有两个高增益 独立的 内部频率补偿的双运放 适用于 电压范围很宽的单电源 而且也适用于双电源工作方式 它的应用范围包括传 感放大器 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用 LM358N 的特点 1 内部频率补偿 2 低输入偏流 3 低输入失调电压和失调电流 4 共模输入电压范围宽 包括接地 5 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 6 直流电压增益高 约 100dB 7 单位增益频带宽 约 1MHz 8 电源电压范围宽 单电源 3 30V 9 双电源 1 5 一 15V 10 低功耗电流 适合于电池供电 11 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V 图 7 LM358N 引脚图 3 3 33 3 3 LM393PLM393P 引脚及功能引脚及功能 LM393P 是双电压比较器集成电路 其内部采用双列直插 8 脚塑料封装 DIP8 和 微形的双列 8 脚塑料封装 SOP8 输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任 何电源电压上 不受 Vcc 端电压值的限制 此输出能作为一个简单的对地 SPS 开路 当不用 负载电阻没被运用 输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的 值所限制 当达到极 限电流 16mA 时 输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升 图 8 LM393 引脚图 3 3 4 原器件清单 原器件清单 STC89C51RC 1 个 LM358N 1 个 LCD1602 1 个 LM393P 1 个 蜂鸣器 1 个 传声器 1 个 4 2 底座 3 个 按键 1 个 10K 可调电阻 3 个 定值电阻若干 定值电容若干 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 单片机程序设计单片机程序设计 基于 51 单片机的设计 将其对信号转换的编程下载到单片机中 其系统流程图如下图所示 图 9 程序流程图 5 调试运行及结果调试运行及结果 5 15 1 调试结果与分析 调试结果与分析 经传感器收集信号 经过放大电路和滤波电路 得到有用的信号 并且经过单片机编 程控制 然后通过按键可以进行心音 肺音的切换 当被检测的心音不在所设定的正常频 率范围内时 蜂鸣器就会响起 发出警报 这时显示频上会出现跳动次数 无论测得的心 音是否正常 显示频上都会显示出结果 焊接完整电路后 经调试发现结果运行正常 蜂 鸣器声音正常 显示器显示正常 5 25 2 仿真原理图 仿真原理图 图 10 仿真原理图 5 35 3 信号调理电路信号调理电路 信号调理电路主要是由音频信号采集 前置放大电路 高低通滤波电路组成 音频信号采 集是通过拾音传感器 MIC 人的通心音信号一般只有几十毫伏 本设计的把采样信号通过 前置放大电路 把心音放大 30 倍 放大倍数 A 1 Rf R1 本次前置放大中 Rf 和 R1 的取值 为 6k 和 200 滤波电路分为高通滤波电路和低通滤波电路 由于心音的频带在 20Hz 1000Hz 由 2 f 1 RC 可得 f 1 2 RC 由此可得高通滤波中 R1 R2 1 6K C1 C2 0 1u 由于实际实验中出现误差 故本次设计的低通为 R1 R2 1 2K C1 C2 0 1u 经过滤波处理之后的信号 是一个带宽在 15 9Hz 1592 4Hz 之间的信号 它代表了心率信号的频率范围 波形整理电路的意义在于 将模拟信号量转换 成可供单片机识别的边沿信号 以供程序进行计数分析 滤波之后的信号由电 压比较器的反向输入端输入给电压比较器 而电压比较器的同向输入端经由分 压电路 提供给电路一个基准电压 根据关系式 VCC VV VV VO 判断比较器比较输出值 6 6 总结总结 6 16 1 设计所做的工作设计所做的工作 在本次课程设计中 我们是四个人分为一组 按照流程来 每个人都有了相 应的分工 在各自独立完成自己的那份工作的同时 会认真学习和记录课程中 其他部分的进度与设计 我主要负责的是滤波电路那一部分 虽然最终的实际 结果与理论上存在了一定的误差 但是通过反复的计算与调试 对电阻的阻值 和电容的大小做出了相应的改变 误差在可观范围内 除此之外 我还进行了 部分焊接 6 26 2 不足与待改进之处不足与待改进之处 在进行仿真过程中 由于对各个电阻 电容等的大小没有准确的把握 导致 进行调试时出现各种问题 在 A D 转换的过程中出现信号失真 上半波波形不完整 经发现失真的原因 是工作电压范围较小 当超出最大电压或低于最小电压时 便会出现失真 焊接电路板的外观不太美观 出现焊锡溢出的现象 从而出现信号噪声较大 这就需要我们进行对焊接熟练的掌握 6 36 3 设计心得体会设计心得体会 通过本次课程设计 在不断收集资料的过程中 让我对本专业有了更进一步 的认识 同时发现自己一点一点地在进步 我们以小组的形式认真负责地完成 自己负责的那份工作 我对滤波电路的分类 原理 应用等都有了更加明确的 了解 除此之外 在我们小组成员的帮助下 我对各级