1光电传感与检测课程要求及大作业格式

《光电传感与检测》要求1考核办法以讲述、大作业、出勤率来进行考核，不考试。其中讲述占20%，大作业占60%，出勤占20%。2讲述每位学生讲述一章，需要认真准备。讲述章节内容，并要在课堂上进行提问，留大作业题目。3大作业格式（1）采用A4纸张，页边距：上、下2.54，左2.3，右1.9，行距1；（2）封面：第一行标明“第X次大作业”，字体三号宋体加黑；下空三号字体四行后，“题目：XXXX”，一号宋体加黑；下空三号字体六行后，依次居中“所学课程”、“指导老师”、“学生姓名”、“学生学号”、“所学专业”、“完成时间”；（3）内容要求：①国内外研究现状及发展趋势②技术方案及工作原理③关键技术及解决途径④预计达到的技术水平及精度分析⑤研究实施计划及步骤⑥改进设想（4）抄袭重合度不大于30%。4通过此课程的学习，希望同学们能够了解光电领域方面具体的工程项目的论证、组织实施的方法，能够具备工程师的初步认知能力。第一次大作业题目：数字血压计的设计所学课程：传感器与检测技术指导老师：贺伟学生姓名：黄永昌学生学号：03134005所学专业：信息工程1301班完成时间：①国内外研究现状及发展趋势随着社会的发展，人们越来越注重自己的生活品质，随着医学知识的普及和民众保健意识的提高，身体的健康被越来越多的人所重视，而定期的测量自身血压值可以使人们熟知自己的血压变化趋势，有助于更好的进行健康管理，在受医生诊治时也有帮助，所以有必要对血压计的发展及静候的发展方向有一个了解。血压：指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，即压强。由于血管分动脉、毛细血管和静脉，所以，也就有动脉血压、毛细血管压和静脉血压。通常所说的血压指动脉血压。当血压扩张时，血压下降；血管收缩时，血压升高。由于数字血压计具有使用方便、体积小、测量速度快、分辨率高和精度高等特点，受到众多家庭的欢迎。数字血压计技术从使用原理上经历了听诊法（又称柯氏音法）和示波法（又称振荡法）两个阶段的发展，目前，只有极少数公司在数字血压计上使用听诊法原理，而绝大多数主流数字血压计制造企业均使用示波法原理。从其发展来看，随着医学知识的普及和民众保健意识的提高，人们开始重视自身血压的日常监测，数字血压计已悄悄走进了寻常百姓家，成为普通家庭常用的保健器械。越来越多的商家看好数字血压计这个高度可开发性和高度成长性的市场，同时国内外市场竞争日益白热化。目前世界数字血压计市场呈现出打破原有竞争格局，建立新市场格局的趋势；从其贸易来看，血压计在我国医疗器械出口贸易中占有举足轻重的地位；从前景来看，中国是世界数字血压计的主体生产基地，世界各大电子生产企业均在中国建有生产基地，同时中国也是世界上最大的潜在消费市场，但随着世界各大品牌的相继进入，中国市场将呈现出群雄争霸的局面。②技术方案及工作原理血压分为两种，一种是收缩压：是当心脏收缩把血液打到血管所测得的血压，二是舒张压：是心脏在不收缩所得的压力。当袖带的压力等于血压时，血液开始可以流通而产生所谓的袖带声，这时候也就是收缩压，必须开始从这里做记录，直到最后当袖带声没有的时候，此点即为舒张压。根据气袖在减压过程中，其压力震荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力震荡波的振幅最大的时候，气袖的压力是动脉的平均压。动脉的收缩压对于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。收缩压判断的确定：通常采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比≤Kd时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。Ps=P|Ui=Ks*Um式（2—1）舒张压判断的确定：也是用最大振幅法来判定，不过是在脉搏波振幅包络线下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比≤Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。Pd=P|Ui=Kd*Um式（2—2)血压信号以及收缩舒张压的位置如图2.1所示图2.1血压交直流信号及收缩压和舒张压位置先找出最大振幅Amax，在往前找到振幅为0.5Amax的瞬态位置对应的血压直流分量即为收缩压，往后找振幅为0.8Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压，将计算出的收缩压和舒张压结果输出至LCD液晶驱动器进行显示输出。本设计采用外接式的结构，以89C51单片机为核心，由其内部自带的10位8通道A/D转换模块构成的采样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口COM1或COM2，形成一种连续数据采样串行数据传输的方式。本设计是基于89C51单片机的设计，具体装置方案如下图2.2所示图2.2数字血压计设计方案系统工作示意图：ＮＮ图２.３数字血压计系统工作示意图恒流源LCD驱动89C51单片机压力传感器振荡器和直流电源气泵接通电源启动A/D转换键盘输入设置参数转换结束否数据处理显示结果结束否Ｙ电源开启后，若有必要修改系统的默认参数，将由键盘输入或ＰＣ机对其进行设置。经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作。初始化完成之后，将启动Ａ／Ｄ转换。待采样的时间达１秒钟后将分析数据结果，求出最大值和最小值，将这些数据处理后即为收缩压和舒张压。将它们送往ＬＣＤ液晶器进行数字显示。数字血压计的工作原理：马达在充气过程中，袖带内部产生压力，数字式压力传感器ASDX001感应到该压力值，经过放大以及滤波电路后，由单片机89C51的第一脚读入，并进行A/D转换。单片机在程序的控制下，严格按照ASDX001压力传感器的要求的工作时序进行读写操作，读写信号后，单片机对数字信号进行运算，然后经DM-1602液晶显示模块进行数字显示输出。③关键技术及解决途径数字血压计是传感技术和微电子技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务：1、感应血流的压力；2、判断高压和低压；3、在屏幕上显示出测量的血压结果。感受血流的压力离不了传感器，民用电子血压计所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度高，测量范围不需要很大。在传感器中有一类是利用压电效应的，还有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料；其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器；另外，血压会通过电子血压计的LCD液晶显示器进行显示。④预计达到的技术水平及精度分析通过技术方案的设计，对预计能够达到的技术水平进行分析说明，并给出所设计的系统所达到的精度。结束⑤研究实施计划及步骤（一）硬件设计传感器电路设计ＡＳＤＸ００１属于微型结构压力传感器ＡＳＤＸＤ０系列。所有的ＡＳＤＸＤ０压力传感器的精度在满量程范围内为％２.具有可用单一５Ｖ供电电压工作的特性。此系列传感器可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。ＡＳＤＸ００１压力传感器内置专用集成电路（ＡＳＩＣ）经全面ＣＩ校准并有温度补偿。ＡＳＤＸ００１压力传感器采用标准ＤＩＰ封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。ＡＳＤＸ００１采用了ＩＣ兼容性协议，无需额外的元件或电子电路，就可容易的链接最常用的微控制器和微处理器。传感器的输出是一个１６进制格式的已校正的压力值，其分辨率为１２位。该压力传感器可用于测量绝对压、差力压和表里压。范围从１ＰＳＩ到１００ＰＳＩ，绝压型传感器有一个内部真空参比值（基准值），因此可直接输出一个与绝对压成正比例的信号。差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于压力差的测量。ＡＳＤＸ００１的内部结构主要包括４部分：１、多路分配器；２、模／数转换器；３、微控控制；４、模／数转换器．如图３.２所示：ＡＳＤＸ００１的外围引脚共有８个，其中５个位空脚。工作电压为＋５Ｖ。由＋Ｖｓ脚引入＋５Ｖ电压，Ｖｏｕｔ为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的Ｐ１．０脚，ＡＳＤＸ００１的地脚为ＧＮＤ脚，接地。因此这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Ｖｏｕｔ连接到AT89C51单片机的１脚上即可。如图３.３所示：图３.３ＡＳＤＸ００１与单片机的连接电路原理图AT89C51单片机电路设计１、AT89C51的复位电路在第９脚引出一个２２ｕＦ的电容和一个２Ｋ的电阻接＋５Ｖ的电源组成一个复位电路。如图３.５所示图３.５ＡＴ８９Ｃ５１复位电路原理图２、AT89C51的时钟电路AT89C51的＋５Ｖ电源由３９脚引入。第１９脚接地，第１７脚和第１８脚间由１２ＭＨｚ的晶振及两个２０ｐＦ的无极性电路组成一个始终振荡电路。如图３.６所示：图３.６AT89C51时钟电路原理图3、AT89C51与液晶显示模块的电路连接液晶显示模块所要的数字信号从AT89C51的P0.0-P0.7口引出，分别对应接DM-162的D0-D7端口，完成数据传输，液晶显示模块的控制引脚RS、PR、E分别接到AT89C51的P3.5、P3.6/P3.7口，以实现微处理器对液晶显示模块的控制。如图3,7所示：图3.7AT89C51与显示模块电路接线原理图4、DM-1602显示电路设计Vss为地电源，VDD接+5V电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比对过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。PS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行时进行读操作，低电平时进行写操作。当PS和PR共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当PS为低电平PR为高电平时可以读信号，当PS为高电平PR为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。如图所示：图3.9液晶显示模块电路5、电源电路电源由AAA电池两颗提供。电源透过L1、D1、U3形成PFM升压电路，R33与C9作为升压电路后电压滤波作用。实测中，加上R33可降低%50之电源离讯。Q4为VCC电源控制电晶体。R13和R14分压值作为电压侦测位准。具体工作方式：当3V电压从L1流过给升压1C后，经升压从第3脚输出为5V，Q4为开关管，在关机状态下，Q4不导通，C9、C10为滤波电容。当POWER键按下时Q4导通，输出一个5V的电压给VCC，供电给其他设备。如图3.10所示：6、线性阀PWM控制电路泄气速率以PWM（PulseWidthModulation脉宽调变）方式控制，MCU将依据压力值之泄气变化调整泄气速率在规格范围内。C11与C12做为稳定电源于滤波作用，减少PWM控制避免电源变动造成电压不稳。具体工作方式：当充气到200KPA时，开始漏气，由IC发出一个信号给第3脚，经R12流过到Q2，使Q2导通，输出一个2.7V的电压给V1，使V1开始工作，D2保护Q2和V1的正常工作而设计。如图3.11所示：７、充气PUMP控制电路PUMPcontrol讯号控制PUMP动作，R27为限流电阻。具体工作方式：由IC的4脚输出一个低电平约（0.6V）信号给R27，经Q1导通，VBT为Q1提供3V的电压，Q1导通输出一个3.2V的电压经PUMP，使PUMP导通。D3为保护二极管，使PUMP能稳定工作。如图3.12所示：8、按键电路开关连接单片机的27脚，构成整个系统的开关电源。按下POWER键，则系统导通，开始工作。如图3.13所示（二）软件设计单片机主程序流程图流程图说明：主程序依此调用5个模块：处理模块、测量模块、信号处理模块。首先由ASDX001压力传感器接收信号，将信号传输给单片机对信号进行采样处理，程序对信号数据进行比较处理，通过单片机的运算来得出最后的结果。主程序流程NN处理模块判断键盘的当前状态（是否开/关电源），执行相应的操作。NY开始结束A/D转换数据处理子程序A/D采样保存最大脉搏幅度数据处理子程序保存脉搏幅度及对应的静态压力计算收缩舒张压及心率最大脉搏幅度最大脉搏幅度的0.77倍开始按键是否按下开启气阀充气气压达到定值开始A/D转换结束测量模块⑥改进设想通过上述过程，你认为在此项技术实施中需要改进的地方，包括技术方案、方法、管理模式等均可进行分析论述。