医学电子教学仪器综合实箱实验指导书.doc

YJ-01型医学电子教学仪器综合实验箱实验指导书中国科学院安徽中科智能高技术有限责任公司 目录第一部分 综合实验箱简介1第二部分 实验项目3实验一 温度测试3实验二 心血管参数测试8实验三 肺功能参数测试20实验四 握力测试28实验五 血压测试32实验六 心电测试37第三部分 附录46一、心血管参数测试46二、肺功能参数测试48三、血压测量50四、接口器件-PDIUSBD12USB53五、软件及USB驱动安装63 YJ-01型医学电子教学仪器第一部分 综合实验箱简介YJ-01型医学电子教学仪器综合实验箱以高性能的W78E516单片机作为核心控制器件，配以外存储器、接口器件、模/数转换等电路实现模拟信号的采集、转换和处理，以及各种状态的检测和控制。实验箱由温度测试、心血管功能测试、肺功能测试、握力测试、血压测试、心电测试六个实验组成，电路布局见图1.1。所有实验均由单片机配合程序分别控制完成，实验数据通过USB口上传到PC机。实验箱右侧上方有一个USB口联机通讯测试指示灯(LED)，当实验箱与PC机联机通讯成功时USB指示灯点亮，表示实验箱与PC机处于联机通讯测试状态。实验数据、曲线和参数均可在PC机上显示和保存。图1.1 电路布局图本实验箱供电电源为直流+10+18V/1A，由外部提供。在实验前，用导线将电源引入实验箱左上侧的两个标有+15V和GND字样的接线柱，正端接红色接线柱，负端接黑色接线柱。打开PCB板上的电源开关，电源指示(绿色)灯亮，表明电源接通，可以正常操作。当出现异常时，应首先关闭电源，再检查相关电路，正常后再重新开启电源。实验前用USB连接线将实验箱的USB口与PC机USB口相连。在PC机退出联机通讯操作之前，不要关闭实验箱电源。推荐显示器屏幕分辨率设置为1024*768。【实验时，严禁带电装卸集成电路或更换元器件。严禁在联机通讯时带电拔USB通讯线。拔传感器时，不要用手直接拉传感器线，应握住传感器根部插头拔除。禁止将插线或其他导体放置于实验箱PCB板上，以免造成短路，损坏器件。】第二部分 实验项目实验一 温度测试一、实验目的1、 了解PT1000温度传感器的特性及使用方法。2、 掌握温度测试电路的原理及设计方法。二、实验内容利用铂电阻温度传感器PT1000构成的测温电路，将测得的温度信号送入单片机处理，所测得的温度值在PC机上实时显示，温度值范围为0100。 三、实验原理图2.1 温度测试电路原理图1、温度测试电路原理图如图2.1。2、温度传感器由铂电阻PT1000构成，铂电阻一般以0.030.07mm的纯铂丝绕在平板型支架上，用银导线作引出线。铂电阻属无源器件，性能比较稳定。PT1000是铂电阻温度传感器，它适用于测量-60到+400之间的温度。 PT1000在0时，阻值为1000，随着温度的变化电阻值成线性变化，温度每变化1，电阻值相应变化3.90。3、测温电路为恒流电路，即流经Rt的电流是恒定的。当温度变化时，PT1000温度传感器的电阻值相应变化，由于流经温度传感器的电流不变，其上电压随着阻值的变化而变化,TEPvb点的电压值亦随着变化，它反映的就是温度变化状况，后边由R69,R68,RW5和运放组成的电路将TEPvb点的电压放大到0-5V范围内供A/D转换电路进行转换。 在图2.1中，假定U19的反相输入(2脚)电压为e1, 流经Rt的电流是i1，则有以下公式成立：i1=(Vin-e1)/R67 -式 2.1式中： Vin为2.5VTEPvb=e1-(Vin-e1)/R67*Rt -式 2.24、表征温度的电压量送入模/数转换电路，MCS-51内的温度测试功能模块将其转换成数字量，经过处理换算，在PC机上显示其温度值。四、实验步骤温度测试电路布局如图2.2。图2.2 温度测试电路布局图1、RW5是调整放大倍数的电位器，用电阻表测量“放大倍数调整”框内的RW5的阻值是否为6.8K左右，若偏离则调整RW5为6.8K。调整好以后用插线将“放大倍数调整”框中用虚线相连的两个插孔连起来。作为放大倍数的粗调。【注：在测量电阻值时，应将电阻或电位器与电路断开】图2.3 放大倍数调节布局图由于元器件参数存在差异，最好在测试前，将温度传感器放入恒温液体（如水），用电阻表测量传感器的电阻值，按照3.90对应1的关系换算成温度，如果偏离此值，则调整RW5。2、不接温度传感器,用插线将PT8的两端（1000）与PT的两端分别相连，如图2.5。3、调零:用插线将“零点调整”框内用虚线相连的两个插孔连接起来,如图2.4，调整RW4,使得运放U9的1脚输出电压(TEPvb)为零或者接近于零（一般为+1mv以内）。用电压表监测。图2.4 零点调整布局图图2.5 电阻布局图4、满量程调整: 将PT8与PT断开，用插线将PT7的两端（1350）与PT的两端分别相连, 此时联机测量温度，显示的温度值应为89.7左右，如果不符合，调整RW5。5、依次分别将PT1PT8与PT相连，测量运放U9的7脚输出电压TEPvc，记录各组数据，应符合实验原理中式 2.2给出的关系式，绘出PT阻值与输出电压的关系曲线，观察并验证其线性度。PT1PT8阻值如表 2.1。由于电阻的离散性，实际电阻值可能与表 2.1所列存在误差，应以实际电阻值为准。PTiPT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8阻值（）10501100115012001250130013501000TEPvc(V)温度值（）表 2.16、用示波器（慢扫描）监视输出信号TEPvc，将Pt1000放入0-100的液体中，温度传感器阻值的变化引起输出信号波形变化，波形自起始点10%变化到稳定点90%的时间t即为传感器的延迟时间，可用不同温度的液体测量温度传感器的延迟时间。7、在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“温度实验”按钮进入温度测试。8、点击“测试”按钮，温度测试开始，显示的温度值为摄氏温度值，随着温度传感器的信号的变化,显示的温度值不断被刷新，显示如下： 图 2.6温度的最小显示值为0，最大值为100。如要停止温度测试，点击“停止”按钮即可。9、将PT1PT8与PT断开，插入温度传感器，让温度传感器暴露在空气中，此时所测的温度即为室温。10、将温度传感器放在掌心或腋下三分钟以上,并确保紧密接触，显示的温度值即为体温。11、可将温度传感器放入已知温度的液体中，如温水，测量液体的温度。12、在测试结束后，可点击菜单“文件(&File)”下的子菜单“数据保存为txt文件(&Save)”， 将测试数据保存为文本文件。实验二 心血管参数测试一、实验目的1、掌握血液循环系统血流动力流变学参数无创检测及实现方法。2、掌握检测心血管传感器特性和使用方法。3、掌握表征心血管参数波形及特征点的识别方法。二、实验内容 通过心血管传感器，检测人体脉搏信号，经单片机处理以后，其脉搏信号波形可在PC机上实时显示，也可对脉搏信号波形的某些特征点进行编辑。三、实验原理图2.7 脉搏波动信号链图2.7是一例测试成功的的脉搏波动链图。基线平稳，振幅适中，标志点明确，拐点清晰和细节分明。要想获取正确的脉图，除了必须将心血管传感器放于挠动脉搏动最强位置外，还必须对心血管传感器施加适当的预静压，所加的最佳预静压值应该获取最大的信号振幅，且保证脉波不发生畸变。为了描述实测脉图信号的振幅衰减和波形失真，我们定义两个判别系数： -式 2.3 -式 2.4 式中(bc)P0和(bf)P0 分别为最佳预静压P0 时心脏收缩期主动脉最高压力点的脉压振幅和舒张期二尖瓣关闭点的脉压振幅；(bc)p 和(bf)p 分别为实测预静压P时相对应的值。l为振幅衰减系数，它反应由于预静压不当所引起的信号幅度衰减；h为波形失真系数，它反应过度预静压引所起的血流被阻断而产生的波形失真。图2.8 振幅衰减系数l和波形失真系数h与预静压的关系 由图2.8所示，在pp1 区间内，l ps 时， h =0(mv), -式 2.82) 当Vin=0(mv), -式 2.93、人在吹吸气过程中，通过传感器获得与气流信号相对应的电压信号。电压信号经过电压跟随器U24以后进入放大电路，作为传感器与放大电路之间的缓冲与阻抗匹配。电压跟随器的突出优点是具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗。U25将传感器的输出信号进行放大； U25/A第一级输出为：FVa=(RW11/R100)(VIN+ - VIN-)； -式 2.10U25/B第二级输出为: FVb= FVa(1+RW12/R104+RW12/R105)+RW125/R104 -式 2.11式中RW125/R104为上拉电压。呼吸气时，传感器输出信号有正负，需要将基准电位抬高，以避免出现负信号送入模/数转换电路的情况出现。4、如上所述，U25的输出信号FVc实际上表示的是气体流量参数I，经MCS-51单片机处理后，测试数据通过USB口传到PC机，PC机将气体流量参数、流速参数代入一系列的积分公式，计算出若干项表征肺功能的参数，参数的具体含义见肺功能测试结果的注释。5、肺功能参数计算公式：找出波形特征点：a、b、c、d、e、f 图2.31flowdata：采样值转换后的流量值，公式中的常数k为经验系数最大肺活量= -式 2.12用力肺活量= -式 2.13最大呼气流量=|flowdata(e点X轴)| -式 2.14最大呼气中段流量= k *用力肺活量 -式 2.15四、实验步骤 肺功能参数电路布局图如图2.32：图2.32 肺功能参数测试电路布局图1、依照原理图将电阻用插线连接。各由三个电阻构成的“R100 R105组”分别与电路中R100R105相对应， 可从3个不同阻值的电阻中选择一个作为R100R105,以R100为例说明其连接方法，其余与R100类似。如下图所示： 图 2.33上面一个插孔有三条虚线分别与下端三个插孔相连，其下端所指向的3个插孔是3个不同的电阻选择。例如，如果将下端3个插孔的中间一个与上端插孔相连，则R100为3.3K电阻，建议选择阻值如下：RR100 R101 R102 R103 R104 R105 阻值3.3K3.3K 100K15K180K 15K表 2.22、放大倍数调整。测量RW11阻值应为9296K，如果偏离，则调整RW11，调好后用插线将“放大倍数调整”框中用虚线相连的两个插孔连接起来。如下图所示：图 2.343、测量RW12阻值应为6K左右，如果偏离，调整RW12，调好后用插线将“基准调整”框中虚线相连的两个插孔连接起来。如下图所示：图 2.354、不接肺功能传感器，将峰-峰值50mv，频率为1020Hz的信号取代传感器输出信号，正端用连接线接入Vin+插孔，负端接入Vin-插孔。用示波器观察输出信号Fvc，Fvc峰-峰值应为3.5V左右。5、去除信号源，接肺功能测试传感器，用纸咬嘴套在传感器吹嘴上，用嘴对着传感器腔体先吸后吹，即吸足气后，猛力快速用最高呼气流量向传感器内吹气，得到的波形如图2.30所示。6、吹吸气时，用示波器观察Fva、FVb、FVc，可见波形如图2.29或图2.30所示，调整RW11改变放大倍数，输出波形幅度随之改变。调整RW12，除改变放大倍数外，同时还改变输出信号的直流基准电位；一般基准电位确定在2.02.2V，当不施加传感器信号时，可在U25/B的输出端测得直流电位为2V左右；可观察到输出信号波形上下移动。进行本实验后，应将电位器恢复到本实验第3，4条所推荐的电阻值。7、肺功能信息输入 点击菜单“肺功能”下的子菜单“肺功能信息”进入肺功能信息输入，显示如下：图 2.36以上各参数的具体含义：姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别，分别为被测试者的姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别。8、肺功能测试 在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“肺功能实验”按钮进入肺功能测试，显示如下：图 2.37具体测试方法：测试时测试者平静呼吸，然后用力吸气，紧接着用力呼气，点击“停止”按钮，显示如下：图 2.38选择测试者的信息，点击“信息”按钮，以确认测试者的信息参数，再点击“专家”按钮，计算得出测试结果，显示如下：图 2.39点击各超链接可查阅参数的医学含义，如点击“最大肺活量”，显示如下：图 2.40测试结束后，可点击菜单“文件(&File) ”下的子菜单“数据保存为txt文件(&Conserve)”，将测试的波形数据保存为文本文件。9、实验结束，将所有连接线除去。实验四 握力测试一、实验目的1、掌握握力测试电路的原理及设计方法。2、了解握力测试传感器的构成及使用方法。二、实验内容 握力测试传感器获取的信号经电路放大处理后送入模/数转换电路, MCS-51内的握力测试模块将其转换成数字信号，得出握力值传到PC机上显示。三、实验原理 图2.41 握力测试电路原理图握力测试传感器为压力传感器，受力范围为0 Kg50Kg, 精度误差1%F.S。在+5V 电源工作条件下, 满量程输出为10.45mV左右, 传感器受力后，输出与受力大小成线性比例关系的电压信号，此信号经仪表放大器INA128放大后, 送至模/数转换电路, MCS-51内的握力测试模块将此信号转换为数字信号，并依据一定的关系式得出握力值，传到PC机上显示。四、实验步骤握力测试电路布局如下：图2.42 握力测试电路布局图1、INA128是差分仪表放大器，其所接的电位器RW6用于调整放大倍数。在握力测试之前，应首先测量RW6的阻值，根据传感器的特性，RW6应调在147.5左右。如果偏离此值，则调整RW6，调整完毕后用插线将“放大倍数调整”框中虚线所连的两个插孔连接起来。如下图所示：图2.43 放大倍数调整图2. 零点调整。接上握力传感器，不施加力，用电压表测量U20的输出端信号WLVc，应小于5mv。如果不符合要求，调整“零点调整”框中的RW7，调整前用插线将“零点调整”框中虚线所连的两个插孔连接起来。图2.44 零点调整图3、在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“握力实验”按钮进入握力测试，显示如下：图 2.45点击“测试” 按钮，握力测试开始，测试者用力握“握力传感器”，显示如下：图 2.46显示的握力值分为实测握力和最大握力，握力测试值的最小为0kg，最大值为50kg。如要停止握力测试，按“停止” 按钮即可。在测试结束后，可点击菜单“文件(&File)”下的子菜单“数据保存为txt文件(&Save)”，将测试的数据保存为文本文件。4、实验完毕，插线除去。实验五 血压测试一、实验目的1、掌握电子血压计的原理及实现方法。2、了解用于测量血压的压力传感器的特性。二、实验内容使用充气泵、放气阀、压力传感器、腕带等材料，经过充气和放气过程获得传感器输出的压力信号，通过对压力信号的识别与处理，计算出人体收缩压和舒张压，血压数据传到PC机上显示。三、实验原理图2.47 血压测量电路原理图 图2.48 波形图1、 血压传感器为压力传感器，测量范围：40 mmHg280mmHg，测量精度：静态压力3 mmHg。2、由U16/A构成的电路给传感器供电，传感器输出信号送到U16/B进行放大，RW2用于零点调整，U16/B的输出信号: XYVd=R56*(Vout+ - Vout-)/R53 + R56*VSR/ R52，它送到U16/C比较器的负端，其正端为一个积分信号，积分信号受程序发出的XY50Hz信号控制, 如图2.48所示。在每个周期的高电平期间Q11导通，积分电容C40放电，时间大约为2ms，在18 ms的低电平期间，积分电容充电波形如图2.48中的图2所示，当积分电容上的信号幅度超过传感器的输出信号时，比较器U16/C输出翻转(图2.48中的图3), 再经过Q12的反相, 最后输出一串频率为50Hz的占空比变化的波形给单片机(图2.48中的图4), 其高电平的宽度取决于U16/C的翻转时间，亦取决于压力传感器的输出信号幅度。 检测原理：开始充气加压到180mmHg ( 24Kpa )，然后放气，压力降低P（根据一次血压检测占用时间确定），保持采集一个以上脉跳的值，取其峰值P和当前压力值Pc。重复以上步骤直至压力降低到50mmHg以下。在峰值P中找出最大值Pmax，Pmax对应的压力值Pc就是平均动脉压Pm，然后根据经验公式Pi = Pmaxk计算出Pi，k为经验系数，k =0(mv), -式 3.12）当YI=0(mv), -式 3.2该流量计利用流体力学的原理，在气道上装一节流装置挡板，气流通过该气筒时受挡板阻力而气流下降，使孔板另一端的压力轻微下降，形成孔板两边的压差，通过差压传感器可得到一对应电压信号。流速越大，压降越大，则电信号越强。流量与节流装置两侧的压差的关系为 式中： k-常数，-流量系数，d-孔板开孔直径，p-节流装置两侧的压差，Q-呼吸流量。图3.9 肺功能传感器的结构及原理1、壳体 2、进气腔 3、进气腔导气管 4、进气腔导管接头 5、孔板 6、出气腔导管接头 7、出气腔导气管 8、出气腔 9、连接板10、传感器气管接头 11、差压传感器 12、传感器输出导线利用压力传感器，即可用差压信号p得到相应点电压信号。该传感器是采用固态压阻传感器，利用单晶硅的压阻效应制成的一种本安型力敏器件。如图3.10所示，在弹性应变元件的适当位置，采用集成电路工艺扩散4个等值应变电阻组成惠斯登电桥。当不受差压作用时，电桥处于平衡状态；当受到差压作用时，一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加恒定电流或恒定电压便可检测到对应与所加差压的电信号，从而达到测量差压和流量的目的。根据得到的电压信号即可反推出气流的流量值。三、血压测量血压计的历史1733年，一位叫海耶斯的牧师，首次测量了动物的血压。他用尾端接有小金属管、长270厘米的玻璃管插入一只马的颈动脉内，此时血液立即顷入玻璃管内，高达270厘米，这表示马颈动脉内血压可维持270厘米的血柱高，高度会因马的心跳而稍微升高或降低，心脏收缩时血压升高（收缩压），心脏松驰时血压下降（舒血压）。直到1856年，医生们才开始用上述方法测量血压，但是这种方法确实令人害怕。很幸运，一种人道的测量血压的方法很快就问世了。1896年意大利医生里瓦罗基发明了腕环血压计。腕环血压计有一条可以环绕在手臂、且能充气的长形橡皮袋，橡皮袋一端接到打气橡皮球上，另一端接到水银测压器或其他测压器装置上。测压时，将橡皮袋环绕缚于上臂，然后徐徐将空气打入橡皮袋，压力升高到一定程度时，肱动脉被压扁，造成血液停止。然后再慢慢放气，当橡皮袋压力低于心脏收缩排出血液时产生的动脉压时，血液便开始恢复，用听诊器可听到脉搏跳动，此时水银柱显示出来的压力即为收缩压。当压力继续减少到连心脏舒张时也不能阻碍血液畅通时，此压即为舒张压。收缩压和舒张压是医生用来判断循环系统疾病的依据。血压测量原理人体血压通常指动脉血管中血液作用于血管壁单位面积的垂直压力，其来源于推动血液沿着动脉向远处传播的心脏泵力。由于心脏的周期性搏动(周期性收缩和舒张)，因此血管壁所经受的压力也应该是相关的周期性变化。心脏的搏动周期称为心搏周期，每分钟的心搏次数称为心率。延时的血管压力变化周期称为脉搏周期，每分钟的脉搏次数称为脉率。通常测量血压指的是测量动脉管壁上在一个脉搏周期中所受的最高压力(即收缩压)和最低压力(即舒张压)。在一些专用医疗仪器中，还可测量在心脏收缩期的平均动脉收缩压和舒张期的平均动脉舒张压，以及一个心搏周期内的平均动脉压，同时也给出心率参数。体血压及心率的测量，不仅是循环系统中最为直观和便于测量的参数之一，而且血压和心率经常是人体生理心理和病理状态的“实时”且“在线”反映，它不仅是诊断器质病变时的重要依据，而且还反映了人体健康种种状态和代偿功能。所以无论医疗诊断和临床护理，还是家庭保健和常规体检，血压的测量早就普遍列入必测的参数之一。多种测量血压的仪器也早已广泛地在各个方面得到应用。血压直接法测量直接测量法是指检测系统与血液直接接触的测量方法。这种方法是创伤性(侵入性)的，通常必须刺破皮肤和血管，将导管插入血管与血液直接接触，在接触时或通过导管把血压引到体外的测压装置，或在导管顶部嵌入压力探头伸入血管，直接把压力转变为光或电信号输出到体外的测量仪器进行测量。直接测量法的原理、方法及仪器的设计都和压力测量仪相类似。直接测量法的优点是其正确性。它几乎可以进入动脉，静脉甚至心脏内部直接