一种心磁测量装置自动预警防护系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于极弱心磁测量装置的自动预警防护系统及方法，属于应用于极弱心磁测量的应用测距传感器并预警的自动控制技术领域。


背景技术：

2.心血管病的疾病负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题。心脏病的发病原因十分复杂，但常规检查对于快速、准确地确定心脏病因往往存在一定难度。常规的心脏诊断手段包括心电图、冠脉造影、心脏彩超以及平板实验等等。传统的检测技术均有不足之处，冠脉造影诊断的准确率较高而且是微创手术，但是价格昂贵，还是会对患者造成一定创伤。但是常规心电图仅能反映很短时间的情况，很多人的心脏异常是间歇性的，往往在做心电图时，异常并不一定出现，那么在这种情况下，心电图就起不到筛查的作用，存在灵敏度、准确度低等缺陷。由此可见，传统的心脏检查方式在临床上受到一定的限制。利用量子磁场精密测量方法测量心磁并生成新型无损被动高分辨率心磁成像来对心脏病理进行研究是未来的发展趋势。
3.目前在超高灵敏极弱心磁测量科学装置研究方面，2003年kominis等实验演示一种灵敏度更高的多通道serf磁力计，2012年wyllie等利用serf原子磁力计探测到了孕妇胎儿的心磁，2015年科罗拉多大学波德分校采用25通道serf用于测量孕妇心磁和胎儿心磁，2017年，美国genetesis公司研制基于quspin的零场共振磁强计qzfm探头,成功研发出了新型快速、无创和精确的心磁测量设备，并于2019年获批fda认证。2020年北京航空航天大学研制的第一代心磁测量装置，其中采用了多自由度心磁测量探头盒，在使用时心磁测量探头盒与桶口之间存在干涉问题，如不解决就会导致桶体以及心磁测量探头的损坏。


技术实现要素：

4.本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种心磁测量装置自动预警防护系统及方法，解决心磁测量装置在前进过程中受到操作人员或者患者误触导致的心磁测量支撑杆与心磁测量桶口干涉而导致的心磁测量装置损坏的问题，使心磁装置在测量过程中不会受到撞击的影响，保证在心磁测量装置在正常状态下使用。
5.本发明技术解决方案：一种心磁测量装置自动预警防护系统，包括：上位机软件和自动预警防护电路，所述上位机软件系统通过串口通信将上位机端usb电平转换成为电路端ttl电平，上位机软件可以通过串口通信接收并且显示自动预警防护电路中超声波测距传感器电路系统测量的距离数据，同时可以控制超声波测距传感器传输数据的时间间隔以及接收数据上限；
6.所述自动预警防护电路包括：显示电路、制动电路、预警电路、温度补偿电路、控制芯片及超声波测距传感器，控制芯片含有vcc、gnd以及144个gpio口；心磁装置在使用过程中，plc控制电机带动心磁测量床板与固定在床板上的心磁测量支撑杆前进与后退，在床板前进的过程中，心磁测量支撑杆与心磁测量桶口存在相撞的问题；自动预警防护电路通过
超声波测距传感器测量心磁测量支撑杆与心磁测量桶口距离，超声波测距传感器发出的超声波信号经由运算放大器构成的二级运算放大电路进行放大，二级运算放大电路分别是：第一级积分电路，第二级反向比例放大电路。将自动增益模块的管脚分别接入第二级反向比例放大电路中运算放大器得反向输入与反向输出端。自动增益模块由控制芯片调节，根据不同的距离信息对不同的超声波进行不同倍数放大，因为超声波信号在不同的传播距离衰减程度不同，采用不同放大倍数有效避免因放大倍数过小导致的信号放大不足被噪声淹没，或者放大倍数过大导致的信号失真最后得到准确的测量距离值；测量的距离值显示在显示电路中，同时测量的距离值通过串口通信电路传送到上位机软件系统，在上位机软件系统的界面进行显示；通过设置距离阈值，根据实际使用需要，控制报警距离的长短，在心磁测量支撑杆与心磁测量桶口相撞之前，制动电路及时制动电机从而阻止床板继续前进避免固定在床板上的心磁测量支撑杆与磁测量桶口相撞，由于制动电路中的继电器在使用过程中，内部的触点表面通过大电流，同时，衔铁在动静触点之间切换，产生电弧热也会导致触点材质蒸发，从而触点失效，导致继电器损坏无法及时制动床板为此在制动电路中加入隔离保护部分，当继电器触点失效时，制动电路中隔离保护部分将触点表面产生的大电流引流，防止制动电路中的三极管、二极管等器件被损坏；同时通过自动预警防护电路报警。
7.本发明的一种心磁测量装置自动预警防护方法，包括如下步骤：
8.步骤1：自动预警防护电路被放置在心磁测量桶口处，其中的超声波传感器发射出的超声波，当遇到障碍物返回，超声回波信号经由tl082运算放大器构成的二级放大电路进行放大，在运算放大的构成中加入自动增益模块，二级运算放大电路分别是：第一级积分电路，第二级反向比例放大电路。将自动增益模块的管脚分别接入第二级反向比例放大电路中运算放大器的反向输入与反向输出端。自动增益模块由控制芯片调节，根据不同的距离信息对不同的超声波进行不同倍数放大，因为超声波信号在不同的传播距离衰减程度不同，采用不同放大倍数有效避免因放大倍数过小导致的信号放大不足被噪声淹没，或者放大倍数过大导致的信号失真；
9.步骤2：针对步骤1中超声波受温度影响变化的问题，利用温度补偿电路对超声波速进行校正，减少因温度导致的测距误差，经处理后超声回波信号转化成为高电平信号，根据公式：s＝vt，s为距离，v为超声波速，t为时间，求出距离值；
10.步骤3：将步骤2中经过温度校正后测到的距离值显示在显示电路上，并且通过串口通信电路将距离数据显示在上位机软件系统上，实现远程监控的目的；
11.步骤4：plc控制电机控制心磁测量床板的前进，通过设置距离阈值，当固定在床板上的心磁测量支撑杆超出心磁测量桶口并且心磁测量支撑杆与心磁测量桶口的距离值小于设置的距离阈值时，制动电机从而阻止床板继续前进避免固定在床板上的心磁测量支撑杆与磁测量桶口相撞，制动电路实现了3.3v～5v小电压控制24v大电压的目的；由于继电器在使用过程中，内部的触点表面通过大电流，同时，衔铁在动静触点之间切换，产生电弧热也会导致触点材质蒸发，从而触点失效，导致继电器损坏无法及时制动床板为此在制动电路中加入隔离保护部分，当继电器触点失效时，制动电路中隔离保护部分将触点表面产生的大电流引流，防止制动电路中的三极管、二极管等器件被损坏；同时预警电路发出警报，实现自动制动床板，避免心磁测量支撑杆与心磁测量桶口相撞，实现自动预警防护的目的。
12.所述步骤1中的二级运算放大电路实现为：
13.采用tl082运算放大器构成的积分电路与反向比例放大电路组成的二级放大电路对超声回波信号进行放大，首先超声波信号经过第一级采用由tl082组成的积分电路，用于波形变换、放大电路失调电压的消除，然后经过由tl082组成的第二级的反相比例放大电路，在第二级反相放大电路中将自动增益模块的管脚分别接入第二级反向比例放大电路中运算放大器的反向输入与反向输出端。自动增益模块由控制芯片调节，根据不同的距离信息对不同的超声波进行不同倍数放大，因为超声波信号在不同的传播距离衰减程度不同，区别于传统的超声波测距传感器中的放大电路，采用不同放大倍数有效避免因放大倍数过小导致的信号放大不足被噪声淹没，或者放大倍数过大导致的信号失真，减小测距误差的问题。
14.所述步骤2中的温度补偿电路实现如下：
15.步骤(21)、根据现有技术可知温度与超声波波速有如下关系：
16.v＝331.45 0.607t
17.温度每变化1摄氏度，超声波波速变化0.6m/s，因此温度的影响不可忽略，需要采用温度传感器监测环境中的温度，设计温度补偿电路，校正因温度变化导致的超声波波速变化而引起的测距误差；
18.步骤(22)、温度补偿电路由ds18b20温度传感器组成，ds18b20共有三个引脚，其中有两个引脚接在控制芯片的vcc电源端与gnd接地端，另一个引脚接控制芯片的gpio口，通过单根接口实现温度的读与写。根据步骤(21)的公式得到实际声速。
19.所述步骤3中，上位机软件系统实现如下：
20.通过ch340usb转串口芯片将上位机软件端的usb电平转换为自动预警防护硬件电路的ttl电平，使自动预警防护电路与上位机软件系统的电平匹配；
21.上位机软件系统包括端口配置模块、数据发送模块和接收显示模块；端口配置模块搜索串口号，通过与硬件电路进行波特率匹配达到数据传输的目的；数据发送模块设置发射数据的间隔时间，根据数据大小设置数据发送为二进制还是十六进制，清空数据发送区域；接收显示模块显示接收到的数据。
22.所述步骤4中：制动电路由继电器、二极管、pnp三极管以及滑动变阻器组成；继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片组成的；在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。由于继电器在使用过程中，内部的触点表面通过大电流，同时，衔铁在动静触点之间切换，产生电弧热也会导致触点材质蒸发，从而触点失效，导致继电器损坏无法及时制动床板为此在制动电路中加入隔离保护部分，当继电器触点失效时，制动电路中隔离保护部分将触点表面产生的大电流引流，防止制动电路中的三极管、二极管器件被损坏。三极管一端接在控制芯片vcc端，另一端接在继电器上，当三极管导通时继电器吸合，当三极管截止时，继电器释放；作为开关控制继电器的吸合与释放，滑动变阻器作为限流电阻一端接在控制芯片gpio口，一端接在三极管，作为限流电阻；当心磁测量支撑杆与心磁测量桶口距离小于预定阈值时，三极管被导通，电流在继电器的电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用，继电器衔铁吸合，而达到预定的阶跃变化，及时制动电机从而阻止床板继续前进，同时通过自动预警防护电路报警。
23.本发明与现有技术相比的优点在于：
24.(1)区别于传统对超声回波进行放大的电路，在本发明中采用了tl082运算放大器构成的二级回波放大电路对超声回波进行放大，用积分电路与反向比例放大电路构成的二级放大电路对超声回波信号进行放大，并且在第二级方向比例放大电路中使用了自动增益模块，将增益模块管脚接入第二级反相比例放大电路中的运算放大器的反向输入与反向输出端，可以根据声波在不同距离上的衰减，由控制芯片调节调节增益模块对超声波进行不同倍数的放大，采用不同放大倍数有效避免因放大倍数过小导致的信号放大不足被噪声淹没，或者放大倍数过大导致的信号失真，减小测距误差的问题。
25.(2)设计了一种上位机软件系统，包括端口配置模块、数据发送模块和接收显示模块等多个模块，可实现自动预警防护电路与软件上位机之间的通讯，同时方便了使用人员的远程监控。
26.(3)为了能够实现自动控制电机的旋转与停止，需要设计一种制动电路，由于制动电路中的继电器在使用过程中，内部的触点表面通过大电流，同时，衔铁在动静触点之间切换，产生电弧热也会导致触点材质蒸发，从而触点失效，导致继电器损坏无法及时制动床板为此在制动电路中加入隔离保护部分，当继电器触点失效时，制动电路中隔离保护部分将触点表面产生的大电流引流，防止制动电路中的三极管、二极管等器件被损坏。
附图说明
27.图1为本发明的一种心磁测量装置自动预警防护系统结构框图；
28.图2为本发明的一种心磁测量装置自动预警防护系统电路原理图；
29.图3为针对超声波信号的二级放大电路；
30.图4为上位机软件系统接受自动预警防护电路测量数据图；
31.图5为ds18b20传感器内部结构图。
具体实施方式
32.下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
33.如图1所示，当电机带动心磁测量支撑杆前进时，如果受到操作人员误触或者在为患者进行心磁测量时，患者不小心碰到心磁测量支撑杆，就会导致心磁测量支撑杆超出心磁测量桶口，如果没有及时制动电机导致心磁测量支撑杆与心磁测量桶口相撞，造成巨大经济损失的同时，也会对后续心磁的测量和研究产生一定影响。本发明解决上述技术问题采用的技术方案是一种心磁测量装置自动预警防护系统设计。图1为系统的结构图，包括自动预警防护电路与上位机软件系统。
34.如图2所示，自动预警防护电路硬件包括控制芯片1、显示电路2、制动电路3、预警电路4、温度补偿电路5。显示电路2、制动电路3、预警电路4、温度补偿电路5分别连接在控制芯片1上，温度补偿电路5通过测量环境温度，校正因温度影响变化的超声波速，显示电路2在控制芯片1的作用下显示心磁测量支撑杆与心磁测量桶口之间的距离，当距离值小于设定的距离阈值时，在控制芯片1作用下制动电路3制动电机，阻止床板继续前进，同时报警电路4报警。
35.图3为超声波信号二级放大电路，集成在超声波测距传感器上，具体的实施方法如下：
36.1、当电机带动心磁测量支撑杆前进时，如果心磁测量支撑杆超过心磁测量桶口，就会被超声波测距传感器发出的超声波信号探测到，为了能够更加准确的得到距离值需要对超声波信号进行放大，这里设计了二级运算放大电路，二级运算放大电路由静电保护二极管pesd15vl1ba、开关二极管bav100、电容、电阻、电感、tl082运算放大器构成，主要分为以下2个部分：
37.(11)超声波信号遇到障碍物返回后，经由二级运算放大电路中电阻与电容构成的低通、高通滤波器对超声波信号中的噪声进行滤除，最大程度滤除40khz之外的频率噪声；
38.(12)之后超声波信号经过由tl082运算放大器构成的积分电路与反向比例放大电路组成的二级放大电路进行放大，首先超声波信号经过第一级采用由tl082组成的积分电路，用于波形变换、放大电路失调电压的消除，然后经过由tl082组成的第二级的反相放大电路，在第二级反相放大电路中将增益模块的管脚分别接入第二级反向比例放大电路中运算放大器的反向输入与反向输出端。自动增益模块由控制芯片调节，根据不同的距离信息对不同的超声波进行不同倍数放大。
39.2、为了得到心磁测量支撑杆与心磁测量桶口之间的距离，需要对超声波信号进行计算得到距离值，但是由于超声波波速受温度影响会改变，采用温度补偿电路对超声波波速进行校正，分为以下2部分：
40.(21)根据现有技术可知温度与超声波波速有如下关系：
41.v＝331.45 0.607t
42.v是超声波速，t是时间。温度每变化1摄氏度，超声波波速变化0.6m/s，因此温度的影响不可忽略，为了能够得到准确的超声波波速需要采用温度传感器监测环境中的温度，然后利用该公式得到准确的超声波波速；
43.(22)温度补偿电路由ds18b20温度传感器组成，不同于传统的热敏电阻温度传感器，ds18b20可直接读出温度值，使用方便，根据图5可知ds18b20由低温度系数晶振、高温度系数晶振、减法计数器、以及温度寄存器构成。其中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。ds18b20共有三个引脚，其中有两个引脚接在控制芯片的vcc电源端与gnd接地端，另一个引脚接控制芯片的gpio口，通过单根接口实现温度的读与写。得到准确的温度测量值后，根据v＝331.45 0.607t公式得到不用温度下的超声波波速，再根据s＝vt得到距离值。其中v是超声波速，t是时间，s是距离。
44.3、使用串口通信，将距离值传送到电脑端的上位机软件系统，实现使用人员的远程监控，实现方法分为以下2个部分：
45.(31)首先通过ch340usb转串口芯片将上位机软件系统端的usb电平转换为自动预警防护硬件电路端的ttl电平，使自动预警防护电路与上位机软件系统的电平匹配；
46.(32)上位机软件系统包括端口配置模块、数据发送模块和接收显示模块；自动预警防护电路与上位机软件系统的电平匹配后，在端口配置模块搜索串口号，通过与硬件电
路进行波特率匹配后达到数据传输的目的；通过数据发送模块设置发射数据的间隔时间，根据数据大小设置数据发送为二进制还是十六进制，清空数据发送区域；接收显示模块显示接收到的数据。通过在上位机软件系统显示距离数据，可以方便使用人员远程监控心磁测量支撑杆与心磁测量桶口之间得距离。
47.4、为了防止心磁测量支撑杆与心磁测量桶口相撞，需要设计制动电路，制动电机阻止床板继续前进，主要分为以下2个部分：
48.(41)对于床板的进出，采用了plc控制电机的方式，plc所用控制电压为直流24v，自动预警防护系统硬件电路采用的为3.3v～5v供电，只有实现plc控制端与自动预警防护系统硬件电路端的电压匹配，才能实现通过硬件电路控制plc制动电机；
49.(42)为了实现电压匹配，并且通过硬件电路自动控制电机的停止，设计了制动电路，制动电路由继电器、二极管、pnp三极管以及滑动变阻器组成。继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放，这样的吸合释放从而达到了在制动电路中的导通与切断的目的。pnp三极管一端接在控制芯片vcc端，另一端接在继电器上，当三极管导通时继电器吸合，当三极管截止时，继电器释放。作为开关控制继电器的吸合与释放。滑动变阻器作为限流电阻一端接在控制芯片gpio口，一端接在三极管，作为限流电阻。由于继电器在使用过程中，内部的触点表面通过大电流，同时，衔铁在动静触点之间切换，产生电弧热也会导致触点材质蒸发，从而触点失效，导致继电器损坏无法及时制动床板为此在制动电路中加入隔离保护部分，当继电器触点失效时，制动电路中隔离保护部分将触点表面产生的大电流引流，防止制动电路中的三极管、二极管器件被损坏。当所测距离值小于预定阈值时时，制动电路中得三极管被导通，电流在继电器的电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用，继电器衔铁吸合，而达到预定的阶跃变化。及时制动电机从而阻止床板继续前进，一方面实现了通过3.3v～5v小电压控制电机端的24v大电压，一方面通过控制继电器衔铁的吸合可以实现自动控制电机的旋转与停止。
50.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。