生物智能仪器综合实验.docx

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生物智能仪器综合实验

电气与电子工程学院

智能仪器

综合实验指导书

陈戈华姚清华编写

长春工业大学

2011年11月

学生实验守则

一、实验态度应严谨认真，注意保持实验室安静、整洁。

二、使用仪器前，应先了解其性能和方法，不得擅自动用。

三、爱护仪器设备，如有损坏丢失，应立即报告教师除按规定的酌情赔偿外，还应作书面检查。

 四、凡使用电源的实验，必须经教师检查电路同意后、才能接通电源.实验完毕后,应先切断电源，再拆电路，注意安全用电，保障自身安全。

 五、实验过程中，不要用手去触摸集成电路的管脚，以免损坏集成电路芯片。

 六、实验结束后，应将仪器整理还原，桌面收拾整洁，待教师检查并同意后，才能离开。

严格按照实验操作规程完成整个实验项目。

学生实验操作规程

一、实验前的预习

1.实验前必须仔细阅读教材，着重理解实验原理，实验仪器的构造和使用方法，认真并思考实验方案和实施计划。

2.在实验记录本内写出预习报告，包括实验名称、实验目的、实验原理要点，实验仪器数据记录表格等。

1.不做预习并且无预习报告者不准做实验。

二、课堂实验

1.熟悉所作仪器、量具等器件的性能及操作规定，全面思考实验方案。

2.按操作步骤和要求认真调试仪器，仔细观察和分析实验现象，准确测量并如实记录原始数据，做到手脑并用。

3.简单故障应自己排除。

4.实验完成后估算实验数据，判断数据是否合理可靠。

5.实验原始数据须经教师当场评分。

三、实验报告的书写

1.按实验报告的格式及要求认真书写。

2.原始数据必须是真实，伪造数据者，此报告不及格。

3.必须独立完成，抄袭他人报告者，此份报告不及格。

前言：

智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围.智能仪器凭借其体积小,功能强,功耗低等优势,迅速地在家用电器,科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

智能仪器研究的是：

传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号,经滤波去除干扰后送入多路模拟开关;由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器,放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中;单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）;运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM（闪速存储器）或E2PROM（电可擦除存贮器）内的设定参数进行运算比较后,根据运算结果和控制要求,输出相应的控制信号（如报警装置触发,继电器触点等）。

此外,智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统,由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机。

本综合实验主要包括信号采集部分模拟电路的设计、A/D采值、简单的数据处理；显示等部分。

并通过ARM实验箱完成设计。

希望通过对智能仪器的设计，使学生了解智能仪器设计的完整过程，并掌握简单的信号软、硬件处理方法。

实验一温度检测系统综合实验

一、实验目的

1.如何进行电阻类传感器（本实验采用热电阻温度传感器）的电路设计；

2.掌握信号如何进行采集的及A/D使用方法；

3.了解LCD是如何显示的；

4.熟悉ADS1.2开发环境，正确应用并口仿真器进行编译、下载、调试；

5.掌握采集数据的简单处理方法；

6.了解S3C2410的通用I/O接口，掌握I/0功能的复用并熟练的配置。

二、实验内容

1.通过温度传感器检测人体温度，温度的变化导致传感器电阻的变化，通过相应电路转换为电信号，然后进行信号采集；

2.数据的简单处理，包括：

使用A/D采集数据、简单的抗干扰运算（如平均值等）、非线性传感器的数据简单处理和数据显示处理；

3.获得温度传感器测量数据。

三、实验设备

1.HR-SW1教学实验箱，PentiumII以上的PC机；

2.温度传感器及温度传感器转换模块。

四、实验原理及分析

1.热敏电阻传感器电路原理及分析

本实验选用常温（25℃）下其阻值为2K的NTC型热敏电阻，常见的还有5k、10k的，为负温度系数，测量电路框图如图1-1所示。

请设计该部分电路。

图1热敏电阻测量电路框图

常见的NTC型热敏电阻，阻值与温度的关系如下表所示：

表1-12kNTC型热敏电阻阻值与温度关系

温度（℃）

-20

-10

0

10

20

25

30

40

50

阻值（K）

19.26

10.97

6.482

3.960

2.494

2.00

1.613

1.068

0.724

图2NTC型热敏电阻阻的温度特性

在测量温度的过程中，可根据其阻值变化，而引起其分压值的改变。

经过采集运算后（可根据表1-1分段处理，也可图2公式计算），最终输出一个正向线性温度值。

2.PT100铂电阻电路原理及分析

PT100铂电阻温度传感器测量电路如图3恒流源电路、图4放大电路所示。

图3恒流源电路

图4铂电阻测温放大电路

计算恒流源提供的电流是多少，放大电路的工作原理和计算。

铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好,Pt100铂电阻分度表如下表所示:

3.数据的处理

信号经放大电路放大后，需通过A/D转换器进行模拟量到数字量转换才能实现数据的计算和处理及显示输出等，本实验采用ARM上的A/D转换器（使用方法见附录），A/D的驱动、简单的运算需编程实现。

五、实验步骤

下位机实验步骤：

1．在实验箱上插上温度模块；

2．连接J45，A/D输入连线；

3．连接RT热敏电阻和Pt100铂电阻；

4．检查连接是否可靠，可靠后，接入电源线，系统上电；

5．打开ADS1.2开发环境，从里面打开实验程序项目文件，进行编译；

6．编程实现：

A/D的驱动、平均值运算、线性运算等；

5．记录不同算法不同的测量运算数据；

6．编译通过后，然后进入ADS1.2调试界面，加载实验程序中的映象文件程序映像。

7．ADS调试环境下全速运行映象文件。

观察液晶显示屏的温度指示。

六、应交作业

设计说明书1份，包括：

电路简单设计分析；如何编程实现A/D的驱动、平均值运算和线性运算等，画出程序流程图，列出关键部分程序；分析实验结果。

实验二人体呼吸综合实验

一、实验目的

1.掌握呼吸传感器的工作原理；

2.掌握呼吸信号的采集、处理放大、传输和处理的过程；

3.了解呼吸信号的波形处理；

4.熟悉ADS1.2开发环境，正确应用并口仿真器进行编译、下载、调试；

5.掌握S3C2410的A/D相关寄存器的配置及编程应用方法。

二、实验内容

1.通过硅压力传感器得到呼吸压力信号，信号经过生物放大器放大，其生物放大器的设计；

2.低通、高通滤波器的设计；

3.学习ADS1.2开发环境；

4.将采集到得呼吸压力信号送至ARM处理器，对心电信号进行简单运算处理后,在上位机显示呼吸的波形。

三、实验设备

1.HR-SW1教学实验箱，PC机；

2.呼吸模块；

3.ARM—830教学实验箱。

四、实验原理及分析

本次实验所选用的呼吸传感器模块采用半导体压力传感器，我们知道呼吸压十分微小,其与大气压强之差约为毫米汞柱（0.133kPa）数量级。

检测呼吸压,对传感器灵敏度的要求很高,还要求传感器有足够的线性度。

本次实验所选用的离子注入式Ｘ型硅压力传感器。

能提供一个精确的，直接与外加压力成正比的线性电压输出，是标准的无偿型压力传感器，只需简单的调零就可正常工作，引脚如图3-1所示。

平图5传感器的外形及管脚功能

呼吸信号检测放大电路如图3-2所示。

图6呼吸信号检测放大电路

五、实验步骤

下位机实验步骤：

1．在实验箱上插上呼吸模块；

2．连接J45，A/D输入连线；

3．连接呼吸传感器；

4．测量VOUT波形。

记录测量数据；

上位机实验步骤：

1．打开生物医学传感器信号采集系统软件

2．设置串口通道

3.在PC机并口和实验箱的CPU之间，连接SDT调试电缆，检查连接是否可靠，可靠后，给系统上电。

4．打开ADS1.2开发环境，从里面打开实验程序\硬件实验\ADS\实验九\AD.mcp项目文件，进行编译。

5．编译通过后，首先打开Multi-ICEServer.exe程序，点击工具栏第一个按钮进行自动连接，然后进入ADS1.2调试界面，加载实验程序\硬件实验\ADS\实验九\AD_Data\Debug中的映象文件程序映像AD.axf。

六、应交作业

设计说明书1份，包括：

生物放大器的设计（需列出计算过程）；滤波器的设计；A/D的驱动、简单的数据处理（如平均值运算等），关键部分程序；分析实验结果。

综合实验时间分配（2周）

1.布置任务、设计（1天）

2．实验调试（2实验各3天，共6天）

3．整理资料写论文（2实验各1天，共2天）

4．答辩（1天）