医学电子教学仪器综合实箱实验指导书.docx

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医学电子教学仪器综合实箱实验指导书

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

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0℃～100℃。

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0.03～0.07mm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1000Ω，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3.90Ω。

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2.5V

TEPvb=e1-（Vin-e1）/R67*Rt--------式2.2

4、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3.90Ω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（1000Ω）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（1350Ω）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PT1～PT8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。

PT1～PT8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。

PTi

PT1

PT2

PT3

PT4

PT5

PT6

PT7

PT8

阻值（Ω）

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1000

TEPvc（V）

温度值（℃）

表2.1

6、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PT1～PT8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。

λ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；η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λ和波形失真系数η与预静压的关系

由图2.8所示，在pps时，η<1，并随p的增加而迅速变小，波形严重失真，所以测试不能获得有效信号；在p1--p2区间内，λ≤0.707，η≈1，脉图有效，但常会使标志点的识别困难；在p2--po区间内，是预静压最佳测试区，该区间约有50mmHg的压力宽度，测试者很容易控制并获取正确的脉图。

仪器建议的最佳预静压是被测者的舒张压Pd。

在完成脉图的取样、量化及存贮操作后，脉图信号的处理包括基线零漂补偿，幅值归一化，脉图标志点识别以及脉图输入参数的确定；其次还需对脉图求面积以及对面积求重心，然后按弹性腔模型导出的公式进行数据运算，最后显示、存贮和打印输出参数。

所有功能的实现由微处理器完成操作，现在对脉图标志点识别处理方法加以说明。

脉图波形识别采用模式识别技术中的句法模式识别法来实现。

脉搏波形基本上是一维信号，图2.9所示为一个心搏周期所截的典型脉波，脉图的标志点和曲线具有明确的血流动力流变学的生理涵义，它们的对应关系如图所示：

图2.9完整的典型脉搏波形图

a波：

左心房收缩开始点

c点：

主动脉最高压力点

m，n点：

主动脉振荡点

　e点：

左心室停止射血点

e1点：

左心室舒张降压点

e2点：

主动脉瓣关闭点

f点：

二尖瓣关闭点

g波：

主动脉弹性回缩波　　

　a’波：

左心房收缩开始

心脏收缩期时段T1

心脏舒张期时段T2

图2.10心血管参数测试电路原理图

1、心血管参数测试电路如图2.10所示，传感器为压力传感器，基于脉压法原理，测量范围0～50g，精度误差≤5%F.S，灵敏度≥20mV/F.S。

所测得的人体脉搏信号为毫伏级，需要进行放大。

U22为差动放大电路，U23为放大及直流电位抬高电路；

U22的输出为:

XXVc=（RW8/R92）*（VI+-VI-）；--------式2.5

U23的输出为:

XXVf=（R98/RW9）*XXVc*（R97/R99）；--------式2.6

同时将XXVf的基准电位抬高：

（R99/RW10+R96）*（-5V）--------式2.7

抬高输出信号基准电位的目的是避免输出信号出现负电位，如图2.12所示。

因为A/D转换器只接受0~5V的输入模拟电压，一般将直流电位抬高1.5V左右即可。

图2.11U22的输出信号（直流电位未抬高）

图2.12U23的输出信号（直流电位抬高）

2、本功能模块电路的输出信号送至模/数转换器的输入端，MCS-51内的心血管测试模块

实时地将测试数据通过USB口送到PC机，PC机依据所确定的数学模型，对测试的数

据进行分析、鉴别、计算、处理，最终获得一系列的心血管参数值。

四、实验步骤

心血管参数测试电路布局如下：

图2.13心血管测试布局图

1、将“一级放大调整”框内的用虚线相连的两个插孔用插线连接,如下图：

图2.14一级放大调整布局图

将“二级放大调整”框内的用虚线相连的两个插孔用插线连接,如下图：

图2.15二级放大调整布局图

将“基准调整”框内的用虚线相连的两个插孔用插线连接。

如下图：

图2.16基准调整布局图

2、不接心血管传感器，将峰-峰值为15～20mV，频率为20～50Hz的信号源代替传感器的输入信号，正端用连接线接入Vin+插孔，负端接入Vin-插孔。

用示波器观察U22的输出XXVc，其峰-峰值应为100～150mV，RW8阻值为25K左右。

U23的7脚输出信号XXVf峰-峰值应为3.5V左右，如偏离调整RW9，其阻值一般为6～7K左右。

3、去除信号源，连接心血管参数测试传感器，将心血管传感器贴近桡动脉脉搏最强处,获得脉搏信号，用示波器观察U22的输出端XXVc信号，其显示波形可参照《实验指导书》的附录中人体七种典型脉搏波形。

4、正常的心血管参数波形出现后,调整RW8,改变放大倍数,用示波器观察XXVf,其波形的幅度随着RW8的改变而改变。

观察结束后，将RW8调整在25K左右，调整的方法：

将“一级放大调整”框内的用虚线相连的两个插孔之间的插线拔除,用电阻表测量RW8。

调整好以后恢复插线。

5、调整RW9，改变第二级放大倍数，用示波器观察U23的1脚XXVe信号，可看到其幅度变化，一般信号输出的最大幅度调至4.0V左右。

调整的方法与调整RW8类似。

6、调整RW10，改变输出信号的直流电位基准，一般RW10调整在7～8K，调整的方法与调整RW8类似,这是为了适应A/D电路所要求的输入信号范围。

调整中用示波器察看U23的输出端XXVf，可见其波形上下移动。

一般调在1.5V左右,当不施加脉搏信号时，可在输出端测得其直流电平为1.5V。

7、脉搏传感器输出信号与测量位置和施加预压力大小有关，观察和记录不同位置和不同预压力时的输出波形。

8、用示波器顺序观察U22的6脚XXVc，U23的3脚XXVd，U23的7脚XXVf波形，并记录它们在不同条件下的变化情况。

9、对PC机所显示的波形某些特征进行处理，以帮助对特征点的识别和理解。

10、不同原理的脉搏传感器测试，比较脉搏波的波形。

11、心血管功能实验由心血管功能信息、心血管功能测试、心血管功能测试历史组成。

12、心血管功能信息

点击“心血管功能信息”菜单进入心血管功能信息输入，显示如下：

图2.17

以上各参数的具体含义：

姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别、收缩压、舒张压，分别为被测试者的姓名（学号）、年龄、身高、体重、性别、收缩压、舒张压。

在各参数正确输入后，按“确定”按钮。

13、心血管功能测试

在实验箱USB指示灯亮的情况下，点击“心血管实验”按钮进入心血管功能测试，显示如下：

图2.18

按照软件界面上的提示，将脉搏传感器固定好，点击“测试”按钮，此时从脉搏传感器

采集到的脉搏信号经软件处理后脉搏波形显示在屏幕上，显示如下：

图2.19

测试者可根据波形的情况调整脉搏传感器的位置，直到显示的波形符合脉搏波形（具体

波形的样式可参阅《实验指导书》的附录部分），点击“停止”按钮，显示如下：

图2.20

在点击“信息”按钮后，显示如下：

图2.21

输入测试者的相关信息，点击“确定”按钮，测试者信息输入结束（同时可人工点击鼠

标修改波形的E点和F点，心血管波形特征点的医学解释：

E点：

左心射血停止点，F

点：

二尖瓣开放点）。

用鼠标选中波形（即使用鼠标的左键点击波形，波形选中后波形的

颜色发生变化），选中波形后“专家”按钮变为可选，显示如下：

图2.22

点击“专家”按钮，显示如下：

图2.23

显示的是测试诊断结果（分为心脏功能、肺功能、血液功能、血管功能、微循环功能）。

点

击“参数”按钮，可查看各参数的测试结果，显示如下：

图2.24

点击各参数名称显示参数的解释含义，显示如下：

图2.25

14、心血管功能测试历史

图2.26

可根据时间范围查询测试者的测试记录，要查看某条数据记录，双击该数据记录或点击“打开”按钮，显示如下：

图2.27

15、可点击菜单“文件（&File）”下的子菜单“波形数据保存为txt文件（&Conserve）”，

将测试的波形数据保存为文本文件。

16、实验结束，应将与RW8，RW9，RW10相连的插线除去。

实验三肺功能参数测试

一、实验目的

1、掌握无创检测肺功能参数的电路实现原理和设计方法。

2、通过实验了解肺功能参数的定义及其临床意义。

3、掌握肺功能传感器的使用方法。

二、实验内容

肺功能传感器获取的信号经放大调整后，进行模/数转换，波形图可在PC机上显示，同时PC机对波形处理后得出相关的各项参数。

三、实验原理

图2.28肺功能参数测试电路原理图

图2.29输出信号（直流电位未抬高）

图2.30输出信号（直流电位已抬高）

1、肺功能检查通常分为三类：

成像类、生化类和动力学肺功能参数测量。

本实验采用第三类测量方法，以呼吸系统动力学原理测量有关肺功能参数，如呼气肺活量、用力肺活量等，综合评估这些参数，能有效反映肺脏、气管、支气管等呼吸道器官的状态及其调节功能。

2、肺功能参数测试电路见图2.28。

肺功能测试传感器采用差压式孔板流量传感器,气流通过孔板在孔板两端形成的压力差反映了气流流量的大小,通过传感器的气流流速不同,其输出电压信号不同，传感器腔的直径为20mm，中间小挡气流孔的直径为12mm。

设气流流速为I（单位L/MIN），输出信号为Vin（单位mv）,根据标定结果得到如下拟合曲线。

1）当Vin>=0（mv）,

--------式2.8

2）当Vin<=0（mv）,

--------式2.9

3、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2.10

U25/B第二级输出为:

FVb=FVa×（1+RW12/R104+RW12/R105）+RW12×5/R104

--------式2.11

式中RW12×5/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2.31

flowdata：

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R100～R105相对应，可从3个不同阻值的电阻中选择一个作为R100～R105,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：

R

R100

R101

R102

R103

R104

R105

阻值

3.3K

3.3K

100K

15K

180K

15K

表2.2

2、放大倍数调整。

测量RW11阻值应为92～96K，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2.34

3、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2.35

4、不接肺功能传感器，将峰-峰值50mv，频率为10～20Hz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2.0～2.2V，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0Kg～50Kg,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147.5Ω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：