本文關(guān)鍵詞：心臟模擬器的驅(qū)動控制與流量檢測系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】：當(dāng)今社會,受人們生活節(jié)奏的加快及飲食不規(guī)律等因素影響,心血管疾病已成為人類健康的頭號殺手,心臟診療及心血管系統(tǒng)成為各國的研究熱點。人體心臟結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜,不可能直接在體操作或取樣研究,動物實驗面臨配置復(fù)雜,倫理道德及耗資巨大等問題,因此迫切需要建立一套動態(tài)的心臟模擬器系統(tǒng),為心血管系統(tǒng)的血流動力學(xué)特性、人工心臟以及心臟導(dǎo)管介入等研究提供真實的實驗測試平臺。本文基于人體心臟的生理結(jié)構(gòu)及泵血特性,建立了一套心臟模擬器的驅(qū)動控制及流量檢測系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容和成果如下：(1)設(shè)計了氣路驅(qū)動控制系統(tǒng)。通過分析心臟模型的氣壓驅(qū)動工作原理,設(shè)計了電機—曲柄—活塞桿一氣缸的驅(qū)動裝置,并以彈性腔理論為基礎(chǔ),對心臟內(nèi)的血液流動情況進(jìn)行數(shù)學(xué)研究,將左心室視為彈性腔,確定了驅(qū)動裝置的設(shè)計參數(shù)及輸出函數(shù)。對驅(qū)動裝置的動力源電機進(jìn)行控制,采用模擬電壓控制電機轉(zhuǎn)速,將FPGA作為下位機主控器,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換來調(diào)控心臟模擬器的跳動頻率。(2)針對高速或突然改變電機轉(zhuǎn)速時,電機的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)特性受影響的情況,設(shè)計了電機調(diào)速的閉環(huán)PID控制,采用工程整定法中最常用的Ziegler-Nichols整定法確定了PID控制器的比例、積分、微分系數(shù),實現(xiàn)了對心臟模擬器心率的精確控制。(3)采用時差法原理設(shè)計了超聲波流量檢測系統(tǒng)。設(shè)計了超聲波發(fā)射、接收電路,利用Verilog HDL語言編寫了超聲波發(fā)射信號的時序控制、與測時芯片TDC_GP2通信控制以及與上位機串口通信的軟件程序。實現(xiàn)了順逆流ns級的時差測量以及心臟模擬器輸出流量的實時測量。(4)為更加直觀方便地調(diào)控心臟模擬器的工作狀態(tài)及研究其輸出特性,采用LabVIEW8.6編寫了上位機界面程序,包括串口的發(fā)送、接收,電機PID參數(shù)設(shè)置以及將接收的時差數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理,流量曲線顯示等。最后對心臟模擬器的整個測控系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試實驗,驗證了設(shè)計的心臟模擬器的驅(qū)動控制及流量檢測系統(tǒng)對心臟的血流特性研究是很有意義的。該心臟模擬器系統(tǒng)可動態(tài)模擬心臟的收縮舒張運動,心率控制精確可調(diào),可模擬不同生理下的血流實驗環(huán)境,超聲波流量檢測系統(tǒng)可實時監(jiān)測血流量變化。該系統(tǒng)可用于教學(xué)演示,心血管系統(tǒng)的血流動力學(xué)特性研究,人工心臟血泵的性能測試以及醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的研發(fā)等。
【關(guān)鍵詞】：心臟模擬器 驅(qū)動控制 超聲波流量檢測 PID
【學(xué)位授予單位】：沈陽建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 論文的研究背景與意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 驅(qū)動控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.2 流量檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容15-17
• 第二章 心臟模型的建立及驅(qū)動機理17-27
• 2.1 心臟的生理特性簡介17-19
• 2.1.1 心臟的生理結(jié)構(gòu)17-18
• 2.1.2 心臟的血液循環(huán)途徑18-19
• 2.2 心臟泵血原理及其性能指標(biāo)19-21
• 2.2.1 心臟泵血原理19-20
• 2.2.2 心臟泵血的血流量指標(biāo)20-21
• 2.3 心臟模型的建立21-25
• 2.3.1 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計21-22
• 2.3.2 氣壓驅(qū)動原理22-23
• 2.3.3 心室容積的時間函數(shù)23-25
• 2.4 本章小結(jié)25-27
• 第三章 氣路驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計27-41
• 3.1 心臟模擬器的驅(qū)動回路設(shè)計27-28
• 3.2 驅(qū)動裝置的參數(shù)及輸出函數(shù)的確定28-31
• 3.2.1 驅(qū)動機構(gòu)的參數(shù)確定28-31
• 3.2.2 模擬器的輸出流量函數(shù)31
• 3.3 心臟模擬器的心率控制設(shè)計31-38
• 3.3.1 直流電機的數(shù)學(xué)建模32-33
• 3.3.2 模擬電壓調(diào)速設(shè)計33-35
• 3.3.3 調(diào)速閉環(huán)PID控制35-38
• 3.4 本章小結(jié)38-41
• 第四章 超聲波流量檢測系統(tǒng)設(shè)計41-57
• 4.1 時差法測量原理41-42
• 4.2 超聲波換能器的選型42-43
• 4.3 流量檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計43-48
• 4.3.1 FPGA核心板43-44
• 4.3.2 發(fā)射模塊44-45
• 4.3.3 接收模塊45-47
• 4.3.4 時差測量電路47-48
• 4.4 流量檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計48-50
• 4.5 流量檢測系統(tǒng)的性能測試50-54
• 4.5.1 超聲波的發(fā)射接收實驗50-51
• 4.5.2 時差測量模塊實驗51-52
• 4.5.3 流量標(biāo)定實驗52-54
• 4.6 誤差分析54-55
• 4.7 本章小結(jié)55-57
• 第五章 心臟模擬器系統(tǒng)的整體實驗57-63
• 5.1 心臟模擬器的實驗系統(tǒng)簡介57-58
• 5.1.1 上位機界面簡介57-58
• 5.1.2 實驗測試系統(tǒng)簡介58
• 5.2 正常生理條件下的模擬實驗58-59
• 5.3 不同心率下的血流特性實驗59-61
• 5.4 本章小結(jié)61-63
• 第六章 結(jié)論63-65
• 6.1 全文總結(jié)63
• 6.2 工作展望63-65
• 參考文獻(xiàn)65-69
• 作者簡介69
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文69-71
• 致謝71

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本文編號：837106