Результат интеллектуальной деятельности: Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в медицинской практике для диагностики частоты пульса пациента.

Известно устройство для измерения частоты пульса, содержащее: оптоэлектронный преобразователь, два усилителя, фильтр низкой частоты, схему автоматической регулировки усиления, триггер Шмитта, генератор измерительных импульсов, электронный ключ, логическую схему И-НЕ, формирователь команд управления, счетчик частоты, регистр памяти, индикатор и кнопку пуска (Патент РФ № 2118119, МПК A61B 5/02, опубл. 27.08.1998).

Недостаток известного решения – низкая точность измерения, обусловленная погрешностью, вносимой относительно большим количеством дискретных элементов, параметры которых изменяются, например, под действием температуры.

Известно устройство — микроконтроллерный фотоплетизмографический датчик пульса, содержащий микроконтроллер, первый и второй резисторы, светодиод, фотоприемник (фотодиод) и RC-фильтр, первые выводы первого и второго резисторов подключены к источнику питания микроконтроллера, катод светодиода и первый вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, второй вывод второго резистора и второй вывод фотоприемника подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, вход RC-фильтра подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер, выход RC-фильтра подключен ко второму входу АК микроконтроллера (Вострухин А.В. Микроконтроллерный фотоплетизмографический датчик пульса. / А.В. Вострухин, Е.Д. Лоскутов // Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях. Межвузовская научно-практическая конференция. 17 – 18 мая 2012 года: Сборник статей / Под общ. науч. ред. д.т.н., проф. В.Е. Жидкова. – Ставрополь: Ставролит; СТИС, 2012. – Часть II. – 260с. (http://www.stis.su/stv_files/downloads/science/mnpk_17_18_may_2012_part2.pdf).

Недостаток известного решения – низкая точность измерения, обусловленная использованием делителя напряжения в качестве измерительной цепи, образованной вторым резистором и фотоприемником. Известно, что данная измерительная цепь обладает низкой точностью измерения по сравнению с мостовыми измерительными цепями (Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2006. – 592 с.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь для фотоплетизмографического датчика пульса, содержащий микроконтроллер, светодиод, фотоприемик, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму выводу первого резистора подключен выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера (Патент РФ № 2583148, МПК A61B, опубл. 10.05.2016. Бюл. № 13).

Недостатки известного решения: — ограничены функциональные возможности, устройство неспособно передавать результат преобразования по радиоканалу на конечное обрабатывающее устройство; — низкая точность измерений, обусловленная погрешностью, вносимой пульсациями питающего светодиод напряжения, генерируемого широтно-импульсным модулятором микроконтроллера.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу, содержит микроконтроллер, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму выводу первого резистора подключен выход первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера, также датчик пульса дополнительно содержит конденсатор, подключенный к светодиоду параллельно, второй широтно-импульсный модулятор микроконтроллера, подключенный выходом к входу радиопередатчика с двухуровневой амплитудной манипуляцией.

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного датчика пульса с передачей информации по радиоканалу.

Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу содержит микроконтроллер 1, первый резистор 2, светодиод 3, второй резистор 4, фотоприемник (например, фоторезистор или фотодиод) 5, RC-фильтр 6, третий резистор 7, четвертый резистор 8, радиопередатчик 9 с двухуровневой амплитудной манипуляцией и конденсатор 10.

Первый вывод первого резистора 2 подключен к аноду светодиода 3, первый вывод второго резистора 4 подключен к первому выводу фотоприемника 5 и ко входу RC-фильтра 6, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора (не обозначен), встроенного в микроконтроллер 1. Второй вывод первого резистора 2 подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора (ШИМ) (не обозначен), встроенного в микроконтроллер 1. Первые выводы третьего 7 и четвертого 8 резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1. Вторые выводы второго 4 и третьего 7 резисторов подключены к плюсу источника питания микроконтроллера 1. Катод светодиода 3, второй вывод фотоприемника 5 и второй вывод четвертого резистора 8 подключены к минусу источника питания микроконтроллера 1, вход радиопередатчика 9 подключен к выходу второго ШИМ, встроенного в микроконтроллер 1, конденсатор 10 подключен к светодиоду 3 параллельно.

Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу работает следующим образом.

На второй вход аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1, подается опорное напряжение, формируемое в точке соединения первых выводов третьего 7 и четвертого 8 резисторов. Когда между светодиодом 3 и фотоприемником 5 отсутствует биоткань, коэффициент заполнения первого ШИМ равен 0,5. Световой поток светодиода 3 под действием протекающего через него тока, формируемого с помощью первого ШИМ и сглаженного конденсатором 10, создает на фотоприемнике 5 падение напряжения, которое имеет некоторые пульсации. Это напряжение приложено к входу RC-фильтра 6, на выходе которого формируется сглаженное напряжение, близкое по значению опорному напряжению.

Допустим, световой поток, падающий на фотоприемник 5, уменьшился по причине снижения светопроницаемости биоткани, находящейся между светодиодом 3 и фотоприемником 5, например, возросло давление кровяного потока в кровеносных сосудах биоткани. В этом случае сопротивление фотоприемника 5 возрастет, что приведет к возрастанию среднего напряжения на входе RC-фильтра 6 и, следовательно, на первом входе аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1. На выходе аналогового компаратора будет сформирована логическая единица. Первый ШИМ под управлением микроконтроллера 1 увеличит коэффициент заполнения, что приведет в свою очередь к возрастанию среднего тока, протекающего через светодиод 3, при этом световой поток, проходящий через биоткань, возрастет, сопротивление фотоприемника 5 уменьшится, а следовательно, уменьшится и напряжение на первом входе аналогового компаратора. Если напряжение на первом входе аналогового компаратора станет меньше опорного, то на выходе аналогового компаратора будет сформирован логический ноль. В этом случае первый ШИМ под управлением микроконтроллера 1 уменьшит коэффициент заполнения, что приведет к уменьшению светового потока, падающего на фотоприемник 5, при этом сопротивление фотоприемника возрастет, что приведет к возрастанию напряжения на первом входе аналогового компаратора и, следовательно, к формированию логической единицы на его выходе и т.д.

Таким образом осуществляется непрерывное управление световым потоком, проходящим через биоткань. Микроконтроллер 1 будет поддерживать равенство напряжений на входах аналогового компаратора путем изменения коэффициента заполнения первого ШИМ.

Изменение светопроницаемости биоткани будет приводить к пропорциональному изменению коэффициента заполнения первого ШИМ, который в свою очередь пропорционален двоичному коду, загружаемому микроконтроллером 1 в специальный регистр (регистр сравнения) (не показан) первого ШИМ. Двоичный код первого ШИМ будет изменятся в соответствии с изменением светопроницаемости биоткани. Светопроницаемость биоткани изменяется в зависимости от давления крови в кровеносных сосудах. Давление крови в кровеносных сосудах в свою очередь зависит от фазы работы сердца. Изменяющийся непрерывно двоичный код первого ШИМ есть результат измерения изменений пульсовой волны, формируемой работой сердца. Данный результат может быть передан по радиоканалу благодаря тому, что модулирующий вход радиопередатчика 9 подключен к выходу второго ШИМ, коэффициент заполнения которого изменяется под управлением микроконтроллера 1 пропорционально коэффициенту заполнения первого ШИМ.

Предлагаемое изобретение способно передавать результаты измерений по радиоканалу с двухуровневой амплитудной манипуляцией, что расширяет его функциональные возможности, а также обеспечивает повышенную точность измерений путем снижения пульсаций напряжения, питающего светодиод, благодаря введению конденсатора 10, играющего роль сглаживающего фильтра, подключенного параллельно светодиоду 3.