Разработка медицинских весов высокой точности для статистических измерений массы тела человека. Основные принципы преобразования давления в электрический сигнал. Расчет емкости аккумулятора. Работа микроконтроллера и анализ составляющих погрешностей.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

"Цифровые весы"

Оглавление

• Введение
• 1. Технико - экономическое обоснование
• 2. Анализ существующих решений
• 3. Разработка и описание структурной схемы
• 4. Разработка функциональной схемы
• 5. Расчет блоков принципиальной схемы
• 6. Выбор элементной базы
• 7. Расчет емкости аккумулятора
• 8. Разработка конструкции устройства
• 9. Работа микроконтроллера
• 10. Анализ составляющих погрешностей и их расчет
• Заключение
• Список используемой литературы

весы давление электрический микроконтроллер

Введение

Человечество столкнулось с задачей определения веса еще на ранних стадиях своего развития, и с той поры до наших дней эта проблема остается для него актуальной. Она все еще не снята с повестки для вовсе не потому, что не имеет решения - определять вес того или иного объекта, выражае его через некие общепринятые эталоны, человек умеет давно, она актуальна прежде всего потому, что хочется знать вес с наибольшей возможной точностью и получать результат взвешивания в минимально короткое время. При этом важно решить проблему с наименьшими затратами сил и средств, требующихся для достижения результата, и представить его в форме наиболее удобной для восприятия и дальнейшей обработки.

Вес человека не остается постоянным на протяжении жизни, его значение зависит от разных факторов, зная вес человека, можно судить о состоянии его здоровья. Вес может зависеть от возраста, характера деятельности, режима и качества питания, изменения климата.

Вес человека является одним из тех показателей, за которыми должен следить практически каждый человек. Поэтому, несмотря на то что вес человека индивидуален, а также то, что даже у одного и того же человека вес тела колеблется в довольно широких пределах (в среднем увеличение или уменьшение за сутки -- от ± 1 до ± 2--3 кг, за сезон -- до ± 6--7 кг), установлены определенные весовые нормативы, учитывающие возрастные, половые и другие особенности.

Значительное превышение веса - ожирение, стало выявляться все чаще и чаще, что представляет серьезную опасность. Во-первых, само по себе превышение веса увеличивает нагрузку на сердечно-сосудистую систему, способствует повышению кровяного давления, повышает вероятность возникновения гипертензии. Превышение нормального веса зачастую является симптомом развития какого-либо заболевания, связанного с нарушениями обмена веществ , деятельности эндокринной системы и т. д. Поэтому поддержание нормального веса - могут принести пользу здоровью, а также внешнему виду, помогут снизить уровень холестерина и артериального давления, уменьшить риск инсульта, сердечно-сосудистых заболеваний и диабета.

1. Технико-экономическое обоснование

В настоящее время существует множество разновидностей цифровых весов с помощью которых можно определить массу тела человека. Их стоимость колеблется от 800 рублей и до 4000 рублей.

В данном курсовом проекте разрабатываются отечественные медицинские весы достаточно высокой точности, которые позволят:

· вести статистические измерения массы тела человека, что необходимо для медицинского анализа состояния человека на протяжении большого промежутка времени,

· хранить в памяти 100 значений масс человека совместно со временем измерения,

· подключать весы к компьютеру и заносить результаты измерений в память ЭВМ,

· переносить результаты измерений на Flash память.

Так же необходимо, что бы весы имели небольшую стоимость и достаточно высокое качество.

2. Анализ существующих решений

Сегодня наиболее широко применяются весы трех основных видов: механические, электромеханические и электронные. В данном курсовом проекте рассматриваются электронные весы, которые так же делятся на несколько видов.

Основным отличием одних весов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.

· Емкостной датчик давления

Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

Рис.1 Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

· Тензометрический метод

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.



Рис.2 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

· Резонансный датчик давления

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером может служить кварцевый резонатор (рис.3). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля - частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают -- наступает резонанс.

Рис.3 Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

В данном курсовом проекте датчик давления будет реализован на основе тензодатчиков. Тензодатчик представляет собой упругий элемент, на поверхности которого наклонен проволочный преобразователь. В качестве преобразователя обычно применяют проволоку из константана диаметром 0,2--0,03 мм. В весоизмерительных устройствах используются тензодатчики, работающие на растяжение, сжатие и изгиб. Геометрические размеры, конструктивные и технологические особенности тензодатчиков определяются характером весовых нагрузок и задачами измерения. Конструкция тензодатчика должна надежно защищать проволочный элемент от механических повреждений и попадания влаги. Проволочные преобразователи включаются по схеме равноплечного электрического моста (рис.4). При этом они наклеиваются таким образом, чтобы одна пара проволочных преобразователей испытала деформацию вдоль оси силоизме-рительного упругого элемента. Вторая пара преобразователей находится под действием продольной деформации. Наибольшую деформацию испытывает первая пара преобразователей.

Современные тензодатчики обладают рядом преимуществ.

Высокая точность измерения. Новейшие технологии позволяют тензодатчикам достигать безупречной точности. Одним из самых распространенных является класс точности C3, что пр...