河南工程學院 課程設(shè)計 電子聽診器的設(shè)計與制作電子聽診器的設(shè)計與制作 學生姓名 吳倩文 201310711250 學 院 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 電子科學與技術(shù) 1342 專業(yè)課程 自動檢測課程設(shè)計 指導教師 張秋慧 201 6 年 6 月 3 日 課程設(shè)計成績評定標準及成績課程設(shè)計成績評定標準及成績 序號評審項目指 標滿分評分 1工作態(tài)度 遵守紀律 學習認真 作風嚴謹 踏實肯 干 5 分 2工作量 按期圓滿完成規(guī)定的任務 難易程度和工 作量符合要求 20 分 全勤 得 10 分 有遲到 早退 請假現(xiàn)象 得 8 分 曠課 1 天 得 5 分 曠課 2 天 得 2 分 3出勤情況 曠課超過 2 天 得 0 分 10 分 4 設(shè)計 實驗 方案 能靈活運用相關(guān)專業(yè)知識 有較強的創(chuàng)新 意識 有獨特見解 設(shè)計有一定應用價值 30 分 5實驗技能 動手能力強 能獨立完成安裝 調(diào)試等實 際操作 能解決設(shè)計及實驗過程中出現(xiàn)的 問題 10 分 6小組表現(xiàn) 注重團隊合作 在小組中表現(xiàn)突出 對設(shè) 計方案的制定及選取起主要作用 在實驗 操作過程中 承擔主要執(zhí)行者 5 分 7 設(shè)計報告質(zhì) 量 報告結(jié)構(gòu)嚴謹合理 文理通順 技術(shù)用語 準確 符合規(guī)范 圖表完備 正確 繪圖 準確 符合國家標準 20 分 合 計 評語 等等 級 級 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 評閱人 評閱人 職稱 職稱 日日 期 期 年年 月月 日日 目目 錄錄 1 引言 4 1 1 課題目的與意義 4 1 2 電子聽診器基本原理 4 1 3 本設(shè)計的主要工作 4 2 設(shè)計方案 5 2 1 方案一 5 2 2 方案二 5 3 硬件設(shè)計 5 3 1 前置放大電路 5 3 2 濾波電路 6 3 3 主要元器件的介紹 7 3 3 1 STC89C51 的引腳圖和功能 7 3 3 2 LM358N 引腳圖及特點 8 3 3 3 LM393P 引腳及功能 8 3 3 4 原器件清單 9 4 軟件設(shè)計 9 4 1 單片機程序設(shè)計 9 5 調(diào)試運行及結(jié)果 11 5 1 調(diào)試結(jié)果與分析 11 5 2 仿真原理圖 11 5 3 信號調(diào)理電路 11 6 總結(jié) 12 6 1 設(shè)計所做的工作 12 6 2 不足與待改進之處 12 6 3 設(shè)計心得體會 12 1 引言引言 心音 呼吸音信號是重要的臨床醫(yī)學信號 是進行心臟疾病 呼吸系統(tǒng)疾病判 別的重要依據(jù) 是醫(yī)生進行病因 病灶分析的重要信息 現(xiàn)如今 在心臟疾病和 呼吸系統(tǒng)疾病診斷中 聽診仍舊是醫(yī)生進行檢查的主要手段 并且 聽診具有體外 檢查無創(chuàng)傷 便捷 經(jīng)濟等優(yōu)點 是廣為應用且不可替代 傳統(tǒng)的醫(yī)用聽診器無 放大作用 聲音較微弱 受環(huán)境噪聲的影響較大 電子聽診器采用多級低噪聲 放大器 其放大倍數(shù)適當 頻響效果好 背景噪聲小 有 LED 顯示功能 1 1 課題目的與意義課題目的與意義 通過課程設(shè)計 了解聽診器的基本原理 熟練掌握傳感器信號采集和電子電 路的基本設(shè)計方法 將理論聯(lián)系到實踐中去 提高綜合運用專業(yè)知識的能力 本次課程設(shè)計的電子聽診器包括放大電路 濾波電路 電壓比較器電路 還包 括輸出端的音頻放大器 此設(shè)備具有良好的分析波形能力 能夠?qū)⒃O(shè)置好的頻 率段以外的聲音頻率濾除 故可以清晰的得到放大以后的心音信號 這樣有助 于醫(yī)務人員提高初診的準確度 也為進一步診斷做好了基礎(chǔ) 1 2 電子聽診器基本原理電子聽診器基本原理 聽診器前端是一個面積較大的膜腔 體內(nèi)聲波鼓動膜腔后 聽診器內(nèi)的密閉氣體隨之震 動 而塞入耳朵的一端 由于腔道細窄 氣體震動幅度就比前端大很多 由此放大了患者 體內(nèi)的聲波震動 電子聽診器是利用電子技術(shù)放大身體的聲音 克服了聲學聽診器噪音高 的 bug 電子聽診器需要轉(zhuǎn)換的聲的聲波的電信號 然后被放大和處理 以獲得最佳聆聽 與聲學聽診器相比 它們都是基于相同的物理原理 電子聽診器也可與計算機輔助聽診計 劃的分析所記錄的心的聲音病理或無辜的心臟雜音 拾音器的主要作用就是采集聽診音 功能相當于 麥克風 放大及濾波裝置則是 音箱 把聽診音放大 處理芯片則用于降低雜 音的干擾 保證獲得理想的聲音數(shù)據(jù) 通過 A D 轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 經(jīng)液晶 顯示屏顯示 1 31 3 本設(shè)計的主要工作本設(shè)計的主要工作 該電子聽診器電路由拾音傳感器 前置放大器 低通濾波放大器 控制電 路和 LED 顯示電路等組成 將微弱的心音信號通過拾音傳感器之后 經(jīng)放大電 路將其放大 然后通過濾波電路將干擾信號濾除 相應的編程下載到單片機中 把調(diào)理電路的模擬輸出信號用 A D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量后 再由單片機送到液晶 顯示屏顯示 除此之外 可以通過按鍵進行有要求的切換想要的信號 2 2 設(shè)計方案設(shè)計方案 2 12 1 方案一方案一 原理參考框圖如圖 1 所示 圖 1 電子聽診器的總結(jié)構(gòu)框圖 這個題目可以通過單片機實現(xiàn) 將各部分電路接在單片機上 通過編程實現(xiàn) 本次課程設(shè)計時通過方案一來進行實現(xiàn)的 2 22 2 方案二方案二 圖 2 電子聽診器的結(jié)構(gòu)框圖 3 3 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 3 13 1 前置放大電路前置放大電路 采用三極管運放結(jié)構(gòu)組成前置放大電路 該放大器的帶寬為 揚聲器 功率放大器 顯示器譯碼器 計數(shù)器 比較器 濾波器放大電路拾音頭 MIC 0 5HZ 2 258HZ 該放大電路具有高輸入阻抗 高共模抑制比 從而減少干擾等 該放大器的增益為 A R8 R9 R6 R9 R4 1 2 R2 R3 3 23 2 濾波電路濾波電路 該濾波電路的設(shè)計 與方案設(shè)計中的介紹一樣 本課程設(shè)計采用通頻帶為 15 9Hz 1592 4Hz 的級聯(lián)型一階帶通濾波電路 全頻道包括的振動頻率范圍較 廣 低頻道適用于聽診低頻雜音 所以我們可以根據(jù)不同的通頻帶計算出相應 的器件參數(shù) 可以通過編程可按鍵來進行控制 圖 3 濾波電路 圖 4 濾波電路仿真圖 3 33 3 主要元器件的介紹主要元器件的介紹 3 3 13 3 1 STC89C51STC89C51 的引腳圖和功能的引腳圖和功能 89C51 單片機采用 40 只引腳的雙列直插封裝 DIP 方式 目前大多數(shù)為此類 封裝方式 89C51 除采用方形封裝方式 為 44 只引腳 89C51 是一種帶 4K 字節(jié) 閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓 高性能 CMOS8 位微處理器 俗稱單片 機 STC 系列單片機是美國 STC 公司最新推出的一種新型 51 內(nèi)核的單片機 片 內(nèi)含有 Flash 程序存儲器 SRAM UART SPI A D PWM 等模塊 該器件的基 本功能與普通的 51 單片機完全兼容 其主要功能 性能參數(shù) 1 內(nèi)置標準 51 內(nèi)核 機器周期 增強型為 6 時鐘 普通型為 12 時鐘 2 工作頻率范圍 0 40MHZ 相當于普通 8051 的 0 80MHZ 3 STC89C5xRC 對應 Flash 空間 4KB 8KB 15KB 4 內(nèi)部存儲器 RAM 512B 5 定時器 計數(shù)器 3 個 16 位 6 通用異步通信口 UART 1 個 7 中斷源 8 個 8 有 ISP 在系統(tǒng)可編程 IAP 在應用 可編程 無需專用編程器 仿真器 9 通用 I O 口 32 36 個 10 工作電壓 3 8 5 5V 圖 5 89C51 實物圖 圖 6 89C51 引腳圖 3 3 2 LM358N 引腳圖及特點引腳圖及特點 LM358N 里面包括有兩個高增益 獨立的 內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放 適用于 電壓范圍很寬的單電源 而且也適用于雙電源工作方式 它的應用范圍包括傳 感放大器 直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運放的地方使用 LM358N 的特點 1 內(nèi)部頻率補償 2 低輸入偏流 3 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 4 共模輸入電壓范圍寬 包括接地 5 差模輸入電壓范圍寬 等于電源電壓范圍 6 直流電壓增益高 約 100dB 7 單位增益頻帶寬 約 1MHz 8 電源電壓范圍寬 單電源 3 30V 9 雙電源 1 5 一 15V 10 低功耗電流 適合于電池供電 11 輸出電壓擺幅大 0 至 Vcc 1 5V 圖 7 LM358N 引腳圖 3 3 33 3 3 LM393PLM393P 引腳及功能引腳及功能 LM393P 是雙電壓比較器集成電路 其內(nèi)部采用雙列直插 8 腳塑料封裝 DIP8 和 微形的雙列 8 腳塑料封裝 SOP8 輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任 何電源電壓上 不受 Vcc 端電壓值的限制 此輸出能作為一個簡單的對地 SPS 開路 當不用 負載電阻沒被運用 輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的 值所限制 當達到極 限電流 16mA 時 輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升 圖 8 LM393 引腳圖 3 3 4 原器件清單 原器件清單 STC89C51RC 1 個 LM358N 1 個 LCD1602 1 個 LM393P 1 個 蜂鳴器 1 個 傳聲器 1 個 4 2 底座 3 個 按鍵 1 個 10K 可調(diào)電阻 3 個 定值電阻若干 定值電容若干 4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 4 14 1 單片機程序設(shè)計單片機程序設(shè)計 基于 51 單片機的設(shè)計 將其對信號轉(zhuǎn)換的編程下載到單片機中 其系統(tǒng)流程圖如下圖所示 圖 9 程序流程圖 5 調(diào)試運行及結(jié)果調(diào)試運行及結(jié)果 5 15 1 調(diào)試結(jié)果與分析 調(diào)試結(jié)果與分析 經(jīng)傳感器收集信號 經(jīng)過放大電路和濾波電路 得到有用的信號 并且經(jīng)過單片機編 程控制 然后通過按鍵可以進行心音 肺音的切換 當被檢測的心音不在所設(shè)定的正常頻 率范圍內(nèi)時 蜂鳴器就會響起 發(fā)出警報 這時顯示頻上會出現(xiàn)跳動次數(shù) 無論測得的心 音是否正常 顯示頻上都會顯示出結(jié)果 焊接完整電路后 經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)結(jié)果運行正常 蜂 鳴器聲音正常 顯示器顯示正常 5 25 2 仿真原理圖 仿真原理圖 圖 10 仿真原理圖 5 35 3 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路主要是由音頻信號采集 前置放大電路 高低通濾波電路組成 音頻信號采 集是通過拾音傳感器 MIC 人的通心音信號一般只有幾十毫伏 本設(shè)計的把采樣信號通過 前置放大電路 把心音放大 30 倍 放大倍數(shù) A 1 Rf R1 本次前置放大中 Rf 和 R1 的取值 為 6k 和 200 濾波電路分為高通濾波電路和低通濾波電路 由于心音的頻帶在 20Hz 1000Hz 由 2 f 1 RC 可得 f 1 2 RC 由此可得高通濾波中 R1 R2 1 6K C1 C2 0 1u 由于實際實驗中出現(xiàn)誤差 故本次設(shè)計的低通為 R1 R2 1 2K C1 C2 0 1u 經(jīng)過濾波處理之后的信號 是一個帶寬在 15 9Hz 1592 4Hz 之間的信號 它代表了心率信號的頻率范圍 波形整理電路的意義在于 將模擬信號量轉(zhuǎn)換 成可供單片機識別的邊沿信號 以供程序進行計數(shù)分析 濾波之后的信號由電 壓比較器的反向輸入端輸入給電壓比較器 而電壓比較器的同向輸入端經(jīng)由分 壓電路 提供給電路一個基準電壓 根據(jù)關(guān)系式 VCC VV VV VO 判斷比較器比較輸出值 6 6 總結(jié)總結(jié) 6 16 1 設(shè)計所做的工作設(shè)計所做的工作 在本次課程設(shè)計中 我們是四個人分為一組 按照流程來 每個人都有了相 應的分工 在各自獨立完成自己的那份工作的同時 會認真學習和記錄課程中 其他部分的進度與設(shè)計 我主要負責的是濾波電路那一部分 雖然最終的實際 結(jié)果與理論上存在了一定的誤差 但是通過反復的計算與調(diào)試 對電阻的阻值 和電容的大小做出了相應的改變 誤差在可觀范圍內(nèi) 除此之外 我還進行了 部分焊接 6 26 2 不足與待改進之處不足與待改進之處 在進行仿真過程中 由于對各個電阻 電容等的大小沒有準確的把握 導致 進行調(diào)試時出現(xiàn)各種問題 在 A D 轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)信號失真 上半波波形不完整 經(jīng)發(fā)現(xiàn)失真的原因 是工作電壓范圍較小 當超出最大電壓或低于最小電壓時 便會出現(xiàn)失真 焊接電路板的外觀不太美觀 出現(xiàn)焊錫溢出的現(xiàn)象 從而出現(xiàn)信號噪聲較大 這就需要我們進行對焊接熟練的掌握 6 36 3 設(shè)計心得體會設(shè)計心得體會 通過本次課程設(shè)計 在不斷收集資料的過程中 讓我對本專業(yè)有了更進一步 的認識 同時發(fā)現(xiàn)自己一點一點地在進步 我們以小組的形式認真負責地完成 自己負責的那份工作 我對濾波電路的分類 原理 應用等都有了更加明確的 了解 除此之外 在我們小組成員的幫助下 我對各級