IDZ
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра БТС
ОТЧЕТ по индивидуальному домашнему заданию
по дисциплине «Проектирование микропроцессорных систем медицинского назначения»
Тема: «Разработка микропроцессорной системы для регистрации пульса с использованием беспроводной передачи данных»
Студенты гр. 0502 |
|
Семенова Э.В. |
|
|
Герасимова М.С. |
|
|
Слободина Ю.А. |
|
|
Исмаил Х . |
Преподаватель |
|
Даминова Э.А. |
Санкт-Петербург
2024
Цель работы:
Разработка системы для определения и мониторинга пульса при помощи датчика MAX30102.
Задачи работы:
1.Проектирование системы устройства.
2.Реализация питания устройства.
3.Разработка программного обеспечения.
4.Организация передачи данных.
5.Визуализация и анализ данных.
6.Тестирование и демонстрация работы устройства.
1 Обоснование выбора структурной схемы аналогового устройства и его элементов
Сердце человека перекачивает кровь по всему организму, создавая пульсовую волну – ритмические колебания давления крови в сосудах, которые можно регистрировать с помощью оптических датчиков. Для измерения пульсовой волны и частоты сердечных сокращений используется датчик MAX30102. Этот датчик работает на основе фотоплетизмографии (PPG) – метода, который фиксирует изменения объема крови в сосудах при прохождении пульсовой волны.
Датчик излучает красный и инфракрасный свет с помощью встроенных светодиодов. Эти пучки света проходят через ткани пальца (или другого участка тела) и частично поглощаются кровью. Объем крови в сосудах меняется при прохождении пульсовой волны. Артериальная кровь, насыщенная кислородом, лучше поглощает инфракрасный свет и пропускает больше красного света. Кровь с низким содержанием кислорода (дезоксигенированная) лучше поглощает красный свет и пропускает инфракрасный свет. Оставшийся свет, который не был поглощен, отражается от тканей и регистрируется встроенным фотодетектором. Пульсирующие изменения света, связанные с сердечными сокращениями, фиксируются датчиком.
Рисунок 1 – Структурная схема устройства
Измеряемая величина – пульсовая волна на пальце человека, измерительный преобразователь сигнала – датчик MAX30102 фиксирует пульсовую волну с использованием оптического метода и преобразует измеренные данные в цифровую форму и передаёт их через интерфейс I2C.
Цифровой процессор сигнала – ESP32 DevKitC-v4 принимает данные с датчика, обрабатывает их (фильтрация, вычисление пульса) и формирует выходной сигнал.
Цифровые данные с датчика MAX30102 передаются по интерфейсу I2C на микроконтроллер ESP32 DevKitC-V4. Микроконтроллер ESP32 принимает данные, обрабатывает их (фильтрация шумов, вычисление частоты сердечных сокращений) и формирует выходные значения.
Обработанные данные передаются на смартфон или ПК через беспроводное соединение Bluetooth или Wi-Fi, встроенное в ESP32. Пользователь может видеть результаты измерений в приложении или другом интерфейсе.
2 Обоснование выбора принципиальной схемы аналогового устройства и ее элементов
Принципиальная схема устройства для регистрации пульсовой волны на основе датчика MAX30102 и микроконтроллера ESP32 DevKitC-v4 была выбрана с учётом следующих факторов: функциональность, простота реализации и энергоэффективность.
MAX30102 поддерживает интерфейс I2C, что позволяет легко интегрировать его с микроконтроллером, обладает высокой точностью измерений, низким энергопотреблением и компактен (5.6 × 3.3 × 1.55 мм). MAX30102 поддерживает интерфейс I2C, что позволяет легко интегрировать его с микроконтроллером. На рисунке 2 указана распиновка датчика
MAX30102.
Рисунок 2 – Распиновка датчика MAX30102
ESP32 DevKitC-V4 – это универсальная плата разработки, созданная для работы в современных IoT-проектах и портативных устройствах. Она основана на высокопроизводительном микроконтроллере ESP32-WROOM-32D, который объединяет в себе все ключевые компоненты для обработки данных, беспроводной передачи и управления периферийными устройствами. Основой ESP32 является двухъядерный микроконтроллер с частотой до 240 МГц, что обеспечивает высокую скорость обработки данных и возможность параллельного выполнения задач. Большой объём встроенной памяти (520 КБ SRAM) позволяет
обрабатывать данные от датчиков и выполнять сложные вычисления. Поддержка Wi-Fi и Bluetooth осуществляет передачу данных на смартфоны, ПК или облачные платформы. Наличие 34 GPIO-пинов предоставляет множество вариантов для подключения датчиков, модулей и других периферийных устройств.
Интерфейсы I2C, SPI, UART и ADC делают ESP32 совместимым практически с любыми современными сенсорами, включая MAX30102. Помимо этого, компактные размеры также являются преимуществом – 51×25 мм, ведь это позволяет в будущем интегрировать её в компактные носимые устройства, такие как пульсометры и фитнес-гаджеты. Плата легко программируется с использованием популярных сред, таких как Arduino IDE, ESP-IDF. На рисунке 3 изображена распиновка ESP32-DevKitC V4.
Рисунок 3 – Распиновка ESP32-DevKitC V4
Рисунок 4 – Схема подключения компонентов устройства
Рисунок 5 – Электрическая принципиальная схема
Рисунок 6 – Собранное устройство
3 Разработка источника питания устройства
На основании структуры устройства была составлена таблица 1, включающая данные о потребляемом токе, напряжении и мощности каждого элемента. Для платы заряда TP4056 рассмотрены два режима работы: режим сна и активный режим зарядки. Также учитывается использование встроенного стабилизатора питания ESP32, который обеспечивает стабильные 3.3 В для датчика MAX30102.
Таблица 1 – Энергопотребление компонентов схемы
Компонент |
Ток потребления |
Напряжение |
Мощность |
|
(мА) |
(В) |
(мВт) |
ESP32 |
260.000 |
3.3 |
858.0000 |
MAX30102 |
10.000 |
3.3 |
33.0000 |
TP4056 (в режиме |
0.002 |
3.7 |
0.0074 |
сна) |
|
|
|
TP4056 (в активном |
100.000 |
3.7 |
370.0000 |
режиме) |
|
|
|
|
|
|
|
ИТОГО |
640.004 |
- |
2152.0148 |
Суммарная мощность устройства составляет 2152.01 мВт, а ток потребления в максимальном режиме — 640 мА. Эти значения служили основой для выбора источника питания, который должен обеспечить не только достаточную емкость для автономной работы, но и подходящий ток отдачи для стабильной работы устройства.
Для питания устройства был выбран аккумулятор типа 18650, обладающий следующими характеристиками:
-Емкость: 3000 мА·ч;
-Напряжение: 3.7 В;
-Максимальный ток отдачи: до 3–5 А.
Время автономной работы устройства определяется по формуле:
Время работы = Емкость аккумулятора / Потребляемый ток. 1. Режим ожидания (TP4056 в режиме сна)
Время работы = 3000 / 270 ≈ 11.1 часов.
2. Режим работы (TP4056 в активном режиме) Время работы = 3000 / 640 ≈ 4.7 часов.
Аккумулятор 18650 с емкостью 3000 мА·ч обеспечивает достаточное время автономной работы устройства даже в активном режиме зарядки. Максимальный ток потребления устройства (640 мА) значительно ниже предельного тока отдачи аккумулятора (до 3–5 А), что гарантирует стабильную работу всех компонентов. Использование платы заряда TP4056 позволяет минимизировать энергопотребление в режиме ожидания (до 2 мкА), что продлевает срок автономной работы устройства.