Введение. Актуальность и цели курсового проектирования
В современном мире носимая электроника переживает настоящий бум, превратившись из нишевых гаджетов в незаменимых помощников для мониторинга здоровья. Умные часы и фитнес-браслеты, способные отслеживать физическую активность и жизненные показатели, стали обыденностью. Центральное место в этих устройствах занимают датчики сердечного ритма, что подчеркивает актуальность разработки портативных и точных пульсометров.
Целью данного курсового проекта является комплексное проектирование, разработка и описание технологии изготовления функционального электронного пульсометра. Для достижения этой цели в работе последовательно решаются следующие ключевые задачи:
- Изучение теоретических основ метода фотоплетизмографии (PPG).
- Разработка структурной и принципиальной электрической схемы устройства.
- Обоснованный выбор элементной базы.
- Проектирование печатной платы с учетом требований технологичности.
- Описание полного технологического процесса изготовления и сборки прибора.
Таким образом, данная работа представляет собой исчерпывающее руководство, охватывающее весь цикл создания радиоэлектронного аппарата от идеи до анализа готового изделия.
Глава 1. Теоретический фундамент, или как свет измеряет пульс
В основе работы большинства современных оптических пульсометров лежит метод фотоплетизмографии (PPG). Это простая, но эффективная технология, основанная на регистрации изменений объема крови в кровеносных сосудах. Принцип ее действия заключается в следующем: датчик, состоящий из излучателей света (светодиодов) и фотоприемника (фотодиода), прижимается к коже, например, на пальце или запястье.
Светодиоды просвечивают ткани, а фотодиод регистрирует интенсивность отраженного или прошедшего сквозь них света. Когда сердце сокращается и выталкивает порцию крови в артерии, капилляры в подсвечиваемой области наполняются кровью. Объем крови на мгновение увеличивается, что приводит к большему поглощению света и, соответственно, меньшему его отражению. Между ударами сердца объем крови уменьшается, и отражение света возрастает. Эти периодические изменения интенсивности света, регистрируемые фотодиодом, в точности соответствуют пульсу.
В датчиках часто используются светодиоды двух типов — красного (длина волны около 660 нм) и инфракрасного (около 940 нм) спектра. Хотя сочетание двух длин волн позволяет измерять не только пульс, но и степень насыщения крови кислородом (SpO2), анализируя разницу в поглощении света оксигемоглобином и деоксигемоглобином, данный курсовой проект фокусируется исключительно на задаче вычисления частоты сердечных сокращений.
Глава 2. Разработка структурной схемы и выбор элементной базы
Прежде чем переходить к детальной принципиальной схеме, необходимо определить общую архитектуру устройства — его структурную схему. Она представляет собой набор функциональных блоков, описывающих логику работы прибора. Для нашего пульсометра она будет выглядеть следующим образом:
- Датчик: Первичное звено, состоящее из светодиодов и фотодиода. Его задача — преобразовать физиологический параметр (пульсацию крови) в электрический сигнал.
- Аналоговый фронт-энд: Критически важный узел, включающий усилители и фильтры. Он отвечает за обработку очень слабого и зашумленного сигнала от фотодиода, подготавливая его для цифровой части.
- Микроконтроллер или цифровая схема: «Мозг» устройства, который анализирует подготовленный аналоговый сигнал, вычисляет частоту пульса и управляет остальными блоками. В студенческих проектах эту роль часто выполняет доступная платформа Arduino.
- Блок индикации: Средство вывода информации для пользователя, например, светодиодный или ЖК-дисплей, показывающий итоговое значение пульса.
- Блок питания: Обеспечивает все узлы схемы необходимым напряжением и током.
Выбор конкретных компонентов является ключевым этапом проектирования. Точность устройства напрямую зависит от качества элементной базы, особенно в аналоговой части. Для обработки слабого сигнала от фотодатчика необходимо выбрать операционный усилитель с низким уровнем собственных шумов. В качестве управляющей логики для учебного проекта целесообразно использовать распространенные и хорошо документированные микросхемы или отладочные платы вроде Arduino, что значительно упрощает прототипирование и программирование.
Глава 3. Принципиальная электрическая схема, как сердце устройства
Принципиальная электрическая схема детализирует структурную схему, показывая все компоненты и связи между ними. Она является основным техническим документом для сборки и отладки устройства. Рассмотрим путь сигнала в нашем пульсометре, следуя этой схеме.
Все начинается с датчика, где фотодиод генерирует слабый ток, пропорциональный интенсивности отраженного света. Этот ток поступает на аналоговый тракт. Первый каскад, как правило, представляет собой преобразователь «ток-напряжение» и предварительный усилитель. Далее сигнал проходит через цепь фильтров, которые очищают его от помех и выделяют полезную составляющую, соответствующую пульсовой волне.
После аналоговой обработки подготовленный, чистый сигнал подается на вход компаратора или аналого-цифрового преобразователя (АЦП) цифрового блока. Здесь аналоговый сигнал преобразуется в последовательность цифровых импульсов, каждый из которых соответствует удару сердца. Эти импульсы поступают на счетные схемы и логические элементы, которые производят вычисление частоты за определенный промежуток времени. Наконец, управляющая логика формирует код для блока индикации, который отображает вычисленное значение частоты сердечных сокращений.
Глава 4. Проектирование аналогового тракта для обработки сигнала
Аналоговый тракт — один из самых ответственных участков схемы пульсометра, поскольку от его качества напрямую зависит точность конечного результата. Основная проблема, которую он решает, — это крайне малая амплитуда полезного сигнала от фотодиода, который к тому же сильно подвержен различным шумам: от сетевой наводки 50 Гц до помех от движений тела.
Решением является многокаскадная система обработки, построенная на базе операционных усилителей. Эта система выполняет две ключевые функции: усиление и фильтрацию.
- Усиление: Сигнал с фотодатчика слишком слаб для прямой оцифровки, поэтому его необходимо многократно усилить. Это достигается с помощью нескольких каскадов на операционных усилителях, включенных по схеме неинвертирующего или инвертирующего усилителя.
- Фильтрация: Для выделения полезного сигнала из шума применяются фильтры. Как правило, используется комбинация из нескольких типов:
- Фильтр высоких частот (ФВЧ): Отсекает медленные изменения сигнала, вызванные, например, дыханием или плавными движениями.
- Фильтр низких частот (ФНЧ): Убирает высокочастотные шумы и помехи, такие как помехи от люминесцентных ламп или электросети.
В совокупности они образуют полосовой фильтр, который пропускает сигналы только в том диапазоне частот, где находится человеческий пульс (примерно 0.5 – 4 Гц).
После такой подготовки чистый и усиленный сигнал готов к передаче на цифровую часть схемы для окончательного анализа и подсчета.
Глава 5. Цифровая логика и алгоритмы вычисления пульса
После того как аналоговый сигнал был усилен и очищен, он поступает в цифровую часть схемы, где происходит непосредственное вычисление частоты сердечных сокращений. Логика этого процесса строится на точном подсчете импульсов за фиксированный временной интервал.
Процесс измерения можно разбить на следующие этапы:
- Защита от ложных срабатываний: Каждый импульс с аналогового тракта заставляет сработать триггер D1. Чтобы исключить «дребезг» и повторные срабатывания от одного удара сердца, одновибратор D2 сразу после этого блокирует триггер на ~200 мс. Этого времени достаточно, чтобы пульсовая волна прошла, и схема была готова к следующему удару.
- Инициация счета: При нажатии кнопки «Счет» запускаются два одновибратора. Одновибратор D4 задает точное время измерения (например, 12 секунд).
- Формирование счетных импульсов и умножение: Одновременно одновибратор D5 вместе с генератором G1 через схему совпадения D8 формируют пачки импульсов. В данном случае на каждый импульс пульса генерируется 5 счетных импульсов. Это элегантное аппаратное решение для умножения результата на 5. Таким образом, измеряя пульс за 12 секунд и умножая результат на 5, мы получаем количество ударов в минуту (12с * 5 = 60с).
- Подсчет и фиксация: Эти пачки импульсов поступают на вход двоичного счетчика D10, который их суммирует. По истечении времени, заданного D4, триггер D7 останавливает счет.
- Индикация и сброс: Одновременно триггер D9 включает ключ, и результат со счетчика D10 выводится на светодиодное табло. Для нового измерения необходимо нажать кнопку «Сброс», которая очищает счетчик и гасит индикаторы.
Глава 6. Конструирование печатной платы с учетом технологичности
После отладки принципиальной схемы следующим логическим шагом является ее физическая реализация. Основой для этого служит печатная плата (PCB) — диэлектрическое основание, на поверхности которого сформированы токопроводящие дорожки, соединяющие электронные компоненты.
Процесс проектирования платы происходит в специализированных системах автоматизированного проектирования (САПР), таких как Altium Designer, Eagle или KiCad, и включает несколько этапов:
- Создание библиотеки компонентов с их габаритными размерами и контактными площадками.
- Размещение компонентов на плате. Компоненты аналоговой и цифровой части обычно располагают отдельно, чтобы минимизировать перекрестные помехи.
- Трассировка проводников — создание сети медных дорожек, соединяющих компоненты в соответствии с принципиальной схемой.
- Создание слоев металлизации, маски и шелкографии.
При проектировании платы крайне важно руководствоваться концепцией «Design for Manufacturability» (DFM), или проектирования с учетом технологичности. Это означает, что на этапе разработки закладываются решения, которые упрощают и удешевляют последующее серийное производство. Сюда относится выбор оптимальной ширины дорожек и зазоров между ними, избегание острых углов, правильное расположение крепежных отверстий и многое другое.
Глава 7. Описание технологического процесса изготовления устройства
Технологический процесс изготовления пульсометра, как и любого другого радиоэлектронного аппарата (РЭА), представляет собой четко регламентированную последовательность операций. Весь цикл можно разделить на несколько крупных стадий.
Первым и самым важным этапом является технологическая подготовка производства (ТПП). Это комплекс инженерных и организационных мероприятий, который включает в себя:
- Анализ конструкции изделия на технологичность (соответствие требованиям DFM).
- Проектирование конкретных технологических процессов для каждой операции.
- Выбор и проектирование необходимого оборудования и оснастки.
- Разработку нормативов времени и материалов.
Все эти процессы проектируются в строгом соответствии со стандартами, например, ГОСТ 14.301—73. После завершения ТПП начинается непосредственно производство:
- Изготовление печатной платы: Наиболее распространенным методом является фотолитография, при которой рисунок проводников переносится с фотошаблона на покрытый фоторезистом фольгированный диэлектрик с последующим травлением меди.
- Сборка и монтаж компонентов: Компоненты устанавливаются на плату. Применяются технологии поверхностного монтажа (SMT) для мелких чип-компонентов и сквозного монтажа (THT) для выводных элементов.
- Пайка: Компоненты фиксируются на плате с помощью пайки, чаще всего групповой (например, в печи оплавления).
- Тестирование и настройка: Готовый электронный модуль проходит функциональное тестирование для проверки работоспособности всех узлов.
- Корпусирование: Плата с компонентами устанавливается в заранее изготовленный корпус.
Глава 8. Анализ точности измерений и возможные источники погрешностей
Разработка медицинского прибора немыслима без критического анализа его точности. Даже в DIY-устройстве важно понимать факторы, которые могут исказить результаты измерений. Эти факторы можно разделить на две большие группы.
Внешние факторы, связанные с пользователем и окружающей средой:
- Движение: Артефакты от движения руки являются главным источником ошибок. Любое сокращение мышц создает «шум», который может быть неверно истолкован как пульсовая волна.
- Пигментация кожи: Более темная кожа содержит больше меланина, который поглощает свет, ослабляя полезный сигнал.
- Лак на ногтях: Плотный или темный лак может блокировать свет от датчика, делая измерения невозможными.
- Внешняя освещенность: Яркий внешний свет, особенно от инфракрасных источников, может «ослепить» фотодиод.
Внутренние факторы, связанные с самой конструкцией устройства:
- Качество компонентов: Электронные шумы в операционных усилителях и других элементах аналогового тракта могут искажать сигнал.
- Качество схемотехники: Неоптимальная фильтрация или неправильная разводка печатной платы могут сделать схему более восприимчивой к помехам.
- Алгоритмы обработки: Точность программного или аппаратного алгоритма, который выделяет пики пульсовой волны, напрямую влияет на итоговый результат.
Для минимизации этих погрешностей необходимо использовать качественные компоненты, тщательно проектировать аналоговую часть и применять цифровые фильтры для подавления артефактов движения.
Заключение. Итоги и направления для дальнейшего развития проекта
В ходе выполнения данного курсового проекта был пройден полный цикл разработки электронного устройства. Были изучены теоретические основы метода фотоплетизмографии, на базе которых была разработана структурная и принципиальная электрическая схема пульсометра. Был произведен обоснованный выбор элементной базы, спроектирована печатная плата и детально описан технологический маршрут изготовления готового прибора. Также был проведен анализ потенциальных источников погрешностей.
Таким образом, можно сделать вывод, что поставленные цели и задачи курсового проекта полностью выполнены. Разработанное устройство демонстрирует ключевые принципы построения медицинской измерительной техники.
В качестве направлений для дальнейшей модернизации проекта можно предложить следующие идеи:
- Добавление функции пульсоксиметрии: Реализовать алгоритм анализа сигналов с красного и инфракрасного светодиодов для измерения уровня сатурации крови кислородом (SpO2).
- Беспроводная передача данных: Интегрировать в схему модуль Bluetooth для передачи результатов измерений на смартфон или компьютер для дальнейшего анализа и хранения.
- Миниатюризация и повышение энергоэффективности: Использовать современные компоненты для поверхностного монтажа и микроконтроллеры с низким энергопотреблением для создания более компактного и автономного устройства.