4 Структурная схема и описание отдельных компонентов
4.1 Структурная схема
Структурная схема показывает, с помощью каких элементов реализуется требуемый функционал.
Рисунок 4.1.1 Структурная схема
На рисунке 4.1.1 представлена структурная схема проектируемого устройства. Рассмотрим ее подробнее.
В качестве фотоприемника используется отечественный фотоэлемент ФД256, обладающий необходимыми характеристиками и невысокой ценой. Сигнал с фотоэлементов снимается и передается на микросхемы низкочастотных фильтров.
Поскольку для работы прибора требуется регистрация пульсовой волны в двух точках, то естественно электронная часть устройства до микроконтроллера состоит из двух независимых каналов, звенья в которых полностью дублируются.
Низкочастотный фильтр – фильтр Баттерворта, реализованный на активных элементах (рисунок 4.1.2)
Рисунок 4.1.2 Принципиальная схема фильтра нижних частот
Параметры фильтра:
Частота среза – 20Гц
Ширина переходной области – 100Гц
R1 — 44.8 кОм
R2 — 44.8 кОм
R3 — 22.6 кОм
С1 — 126 нФ
C2 — 499 нФ
Детальный расчет фильтра приведен ниже в соответствующем разделе настоящей работы.
Для демонстрации работоспособности рассчитанного фильтра, его схема была собрана в среде Proteus и просимулирована. В качестве модели полезного сигнала использовалась синусоида, а в качестве шума – высокочастотная синусоида. Как видно из графиков, НЧ-фильтр блестяще справился с поставленной задачей для обоих каналов.
Рисунок 4.1.3 Симуляция НЧ фильтра
Далее сигнал поступает на усилитель. Поскольку в дальнейшем сигнал поступает на инвертирующий дифференциатор, то усилитель также выбран инвертирующим.
Рисунок 4.1.4 Принципиальная схема инвертирующего усилителя
Выходное напряжение после фотоэлемента - до 100мВ, поэтому для доведения уровня напряжения до величины 5В коэффициент усиления составляет 50.
K = 50
Rf = 50 кОм
Fin = 1 кОм
Данный усилитель был собран в среде симуляции электроники Proteus. Ниже приведены графики его работы для двух каналов соответственно.
Рисунок 4.1.5 Симуляция для звена усиления
Рисунок 4.1.6 Принципиальная схема инвертирующуего дифференциатора
Для получения первой производной от обработанного сигнала используется звено дифференциации, выполненное на микросхеме операционного усилителя.
R = 100 кОм
C = 1 мкФ
Данный дифференциатор был собран в среде симуляции электроники Proteus для демонстрации его работоспособности. Ниже приведены графики его работы и принципиальная схема в среде Proteus.
Рисунок 4.1.7 Графики работы и принципиальная схема дифференциатора
Четыре полученных сигнала подаются на вход АЦП. В качестве АЦП выбран встроенный 10-и разрядный АЦП на микроконтроллере ATmega. Его быстродействия и разрядности вполне достаточно для выполнения всех требуемых операций.
Дискретизация происходит с частотой 20Гц по прерыванию от встроенного таймера.
Замер жизненных параметров микроконтроллером производится в теле цикла в основной программе каждые 5 секунд. Полученные результаты отображаются на LCD-дисплее.
Дисплей MT-10S1 – 10-и символьный LCD-дисплей отечественного производства, описанный детальнее ниже.
Также полученные данные отправляются через порт RS-232 на ЭВМ, где могут быть сохранены, дополнительно обработаны, распечатаны и сохранены для дальнейшего анализа.
Для согласования уровней используется микросхема DS275. Микросхема DS275, производимая фирмой Dallas Semiconductor, это питаемый от линии TX/RX драйвер интерфейса RS232 полностью совместимый со стандартной реализацией RS232.
Микросхема была выбрана в качестве преобразователя уровней, т.к. имеет ряд очевидных преимуществ:
-
Питается от линий RX/TX COM-порта
-
Работа в асинхронном полно дуплексном режиме
-
Не требует для работы внешних элементов, например конденсаторов (в отличие от аналога – MAX232)
Для питания проектируемого устройства были выбраны широко распространённые стабилизаторы напряжения производства фирмы National Semiconductor LM78L05, рассчитанные на 5 вольт. Стабилизаторы являются линейными регуляторами напряжения положительной полярности.
Все операционные усилители – отечественного производства и высокого качества. Детально их характеристики рассмотрены в соответствующем подразделе ниже.
|
