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作者:陳明周(2003-06-29);推薦:徐業良(2003-06-29)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械工程研究所陳明周碩士論文「鼾聲監測裝置之設計與製作」第三章。

第三章 鼾聲監測裝置硬體設計

1是本研究鼾聲監測裝置之概要圖。就訊號處理的部份而言,首先由「聲音感測系統」將鼾聲空氣振動訊號轉為電壓訊號,電壓訊號先經過「濾波系統」濾除高頻雜訊,再經過「A/D轉換模組」成為數位訊號,數位訊號進入「鼾聲判斷程式」辨別是否為鼾聲或睡眠呼吸中止症,並且驅動「資料顯示模組」以即時以閃燈和LCD螢幕顯示,同時也儲存於「資料儲存模組」中。「即時時間系統」提供實際時間即時顯示,「電源供應系統」則供應各子系統電力。

1. 鼾聲監測裝置概要圖

1中的A/D轉換模組、鼾聲判斷程式、使用者控制界面、資料儲存模組以及資料顯示模組均與單晶片PIC16f877有密切關聯,因此整合為單晶片PIC16f877系統,加上電源供應系統、聲音感測系統、濾波系統、即時時間系統,本 鼾聲監測裝置共有5個子系統,以下針對各子系統的設計與製作加以介紹。

3.1    單晶片PIC16f877系統

3.1.1        PIC16f877腳位

單晶片PIC16f877具備有A/D轉換、程式運算、驅動LCD顯示模組、以及MMC卡寫入讀取等功能,是本鼾聲監測裝置的核心元件,也負責各系統之間的溝通與資料交換。鼾聲判斷程式即燒錄於PIC16f877中,關於鼾聲判斷程式將於第四章中說明。PIC16f877共有33支輸出、輸入接腳,分別為PORTA(RA0~RA5)PORTB(RB0~RB7)PORTC(RC0~RC7)PORTD(RD0~RD7)PORTE(RE0~RE2)。關於PIC16f877的詳細說明,請參考Microchip公司的網站。

1為本鼾聲監測裝置對PIC16f877所做的腳位規劃,整理如下:

l      2A/D轉換,分別用於偵測即時晶片電池電量(Pin A0)、偵測感測器電壓(Pin A1)

l      3LED燈號,分別用於即時打鼾顯示(Pin A2)、即時睡眠呼吸中止症顯示(Pin A5)以及即時晶片電量不足顯示(Pin D3)

l      1個四段旋鈕開關,用來調整進入報告模式(Pin D6)及調整鬧鐘模式(Pin D5)、調整時間模式(Pin D4)及一般模式。

l      2個無段按鈕開關,用在調整時間(Pin E0)和切換(Pin E2)功能。

l      1個滑動開關,當使用者準備入睡時切至入睡模式(Pin D7),起床後再切回正常模式。

l      1個揚聲器(Pin C0),當鬧鐘設訂的時間到達時發出響聲。

l      MMC模組使用4支接腳與PIC16f877進行溝通(Pin C5, Pin D0~2)

l      DS1302模組使用3支接腳與PIC16f877進行溝通(Pin B1~3)

l      LCD模組使用8支接腳與PIC16f877溝通(Pin B0~2, Pin B4~7, Pin E1)

l      I2C功能,與睡眠監測系統其它PIC進行資料傳輸(Pin C3, Pin C4)

1 . PIC16f877接腳規劃

Port A

Port B

Port C

接腳

用途

接腳

用途

接腳

用途

A0

電池電量A/D

B0

LCD

C0

BEEPER

A1

感測器A/D

B1

LCD&時間晶片

C1

 

A2

打鼾燈號(黃)

B2

LCD&時間晶片

C2

 

A3

 

B3

時間晶片

C3

I2C

A4

ICP模式

B4

LCD

C4

I2C

A5

睡眠呼吸中止症燈號(綠)

B5

LCD

C5

MMC

B6

LCD

C6

RS232

 

 

B7

LCD

C7

RS232

Port D

Port E

 

接腳

用途

接腳

用途

D0

MMC

E0

調整時間按鈕1

D1

MMC

E1

LCD

D2

MMC

E2

調整時間按鈕2

D3

即時晶片電池沒電燈號(紅)

 

D4

進入調整時間模式

D5

進入調整鬧鐘模式

D6

進入報告模式

D7

睡眠啟動

2所示為PIC16f877MAX232的電路圖。PIC16f877使用RS232的界面與一般電腦溝通,MAX232即為RS232的驅動IC;圖中的BEEPER蜂鳴器為鬧鐘功能使用;X1為石英振盪器,提供PIC16f877工作時脈;S1為重置開關、S2ICP開關,當需要進燒錄模式時使用。關於PIC16f877的使用方法請參考附錄A“自製電路驅動PIC16f877

2. PIC16f877電路圖

3.1.2        資料顯示模組與資料儲存模組

如圖3所示,本鼾聲監測裝置的輸出資訊方式可分為即時顯示與記憶卡儲存兩部份。即時顯示又分為LCD顯示與立即燈號顯示,LCD顯示模組顯示時間、鼾聲次數、睡眠呼吸中止症鼾聲模式特徵…等資訊,立即燈號分為鼾聲、睡眠呼吸中止症鼾聲模式特徵燈號以及時鐘電量不足燈號。

3. 輸出資訊樹狀圖

4LEDLCD顯示模組電路圖,圖左半的snore_ledosas_ledbatter_led為用於即時顯示的發光二極體;右半為LCD顯示模組與PIC16f877的接腳關係,本鼾聲監測裝置採用216字元含背光LCD顯示模組。

3. 資料顯示模組之LEDLCD電路與外觀

本鼾聲監測系統採用MMC(Multi Media Card)為儲存媒體,MMC體積為32mm×24mm×1.4mm,重量1.5公克,具有輕巧、標準化、容易驅動的優點,圖5MMC模組與PIC16f877間連接電路關於MMC的使用,請參考附錄B“以單晶片PIC16f877將資料寫入MMC模組使用說明”。

       

5. MMC模組電路與外觀

3.1.3        使用者控制界面

本鼾聲監測裝置有14段旋鈕開關,電路及外觀如圖6所示。利用此旋鈕開關,使用者可以作以下四個模式切換:

(1)   normal模式:一般運作模式。

(2)   report模式:查詢前一日的打鼾情形。

(3)   alarm_set模式:調整鬧鐘時間設訂時。

(4)   time_set模式:調整時間。

切換至alarm_settime_set模式時,由另外2個無段按鈕開關進行時間數字的增加以及調整項目的切換,如同一般鬧鐘的使用方式。

5. 時間調整按鈕與模式切換開關

當使用者準備入睡而開始使用本鼾聲監測裝置監測鼾聲時,須將鼾聲監測裝置切換至睡眠模式。切換至睡眠模式設計有兩種方式,一種是手動將睡眠模式開關切換至睡眠狀態,起床後再切回一般運作模式即可;另一種方式是在睡眠監測系統整合後的情況下,睡眠監測系統之BioMat可以提供使用者開始臥床的訊號給鼾聲監測裝置,而開始進行鼾聲監測。圖6為睡眠模式切換開關電路,分為手動模式和BioMat模式,BioMat模式會連接到牛角接頭以排線與BioMat進行資料傳送

6. 睡眠模式切換開關

上述所有開關在單晶片PIC16f877的作動方式,以圖7S3為例說明如下。開關腳位在平常狀態下是以一個47KΩ的電阻串接至5V(本電路中使用一個47K*8的排阻,圖2右上角的J7),所以對PIC16f877而言是在處於代表高電位的「1」訊號,如圖7右。當開關被按下時,在電路中乃是將PIC16f877對應的腳位接地,該腳位成為代表低電位的「0」訊號,因此PIC16f877得知該開關被按下而做出動作。

7. 開關作動

3.2    聲音感測系統

一般常見的聲音感測器有電容式麥克風和動圈式麥克風兩種,相較於動圈式麥克風,電容式麥克風具有體積輕巧、反應靈敏、頻率範圍廣、堅固耐摔等優點,因此本設計將採用電容式麥克風為感測器並配合放大器放大其輸出電壓訊號。

經選擇本鼾聲監測裝置所採用的麥克風為「今音電子公司」所生產的電容式麥克風,型號為EMC-60P,原因為本麥克風的頻率響應在50Hz~3kHz之間,有穩定的輸出,適合於鼾聲100Hz左右的頻帶,其頻率響應圖與外觀尺寸如圖8所示。其詳細規格參見今音公司網站。

8. EMC-60P頻率響應圖與外觀尺寸

電容式麥克風的功能在於將聲波訊號轉化為電壓訊號,不過此時的訊號振幅非常微小,必需使用運算放大器將其放大。運算放大器的種類非常多,本鼾聲感測裝置將採用專為音頻訊號所設計的放大器LM386。如圖9將電容式麥克風的輸出接在音訊放大器LM386+IN接腳,LM386的增益為200、供應電壓為5V,在Pin5220mF電容後即可得到放大後的訊號輸出。關於LM386之使用方法請參考附錄C“音訊放大器LM386簡介”。

9. 電容式麥克風以及LM386音頻放大器

3.3    濾波系統

文獻中對鼾聲頻率的記載為100Hz,因此本感測器需要一個低通濾波器將高頻的聲波訊號濾除。濾波器的選擇採用一階主動式濾波器,因其具有線路簡便的優點同時其濾波曲線較為和緩,也可避免濾除了頻率較高的鼾聲。

10為一階主動式濾波器的電路圖及截止頻率之計算公式,截止頻率之改變由調整電路圖中的電阻、電容來達成。使用0.1mF的電容代入公式,即可計算出需搭配約16kΩ的電阻。主動式濾波中所需的運算放大器採用National Semiconductor公司所生產的LM358,因其只需要單電源即可運作。濾波系統的電路如圖11所示,訊號輸入的接腳接上聲音感測系統的輸出;輸出接腳接上PIC16f877進行A/D轉換。關於主動式濾波器的使用,請見附錄D“主動式濾波器簡介”一文。

10. 一階濾波器

11. 低通濾波器

3.4    即時時間系統

本鼾聲監測裝置其中需希望成為適合居家環境使用的產品,因此其中一項設計要求為與鬧鐘結合。DS1302即時時鐘晶片(Real Time Clock)只要供應電源與外接石英震盪器,即可進行秒、分、時、星期、日、月、年之時間計算,可達西元2100年。DS1302即時時鐘晶片具有主電源(primary power supply)和備用電源(backup power supply)雙電源的功能,當主電源切斷時才會使用備用電源的電力,因此只需要在備用電源接腳接上水銀電池,即可避免關機重開就必需重新調整時間的問題,同時根據DS1302之型錄,備用電源在2V下耗電量小於300nA,可使用非常長時間。關於DS1302的使用請參考附錄E“單晶片實習-DS1302即時時鐘晶片簡介與應用”一文,其電路如圖12所示。

12. 即時時間晶片DS1302

3.5    電源供應系統

電源供應系統提供給各子系統所需的工作電源,鼾聲監測裝置中需要工作電壓的元件有運算單元PIC16f877、電容式麥克風、LM386音訊放大晶片、DS1302即時時間晶片等,所需電源均為5V,由於各子系統的消耗功率均不大,因此可使用一個12V變壓器輸入5V穩壓IC 7805,即可獲得所需的5V直流工作電源,電路如圖13所示。

13. 電源供應系統

3.6    零件總表

總結上述所有子系統,本鼾聲監測裝置所需用到的零件如表2所示。部份零件為特定規格,將購買廠商與網址列於表3

2. 零件總表

名稱

型式

數量

名稱

型式

數量

名稱

型式

數量

電阻

1kΩ

1

振盪器

10MHz

1

開關

側躺按鈕開關

3

1MΩ

2

32KHz

1

直立按鈕開關

1

2kΩ

2

IC

7805

1

電源開關

1

5.6kΩ

2

DS1302

1

旋鈕開關

1

10Ω

1

LM358

1

睡眠模式開關

1

10kΩ

1

LM386

1

鬧鐘開關

1

22Ω

1

PIC16f877

1

介面

DC電源插孔1.3mm

1

220Ω

1

IC腳座

DIP4

3

牛角接頭5*2

1

47k*8排阻

1

DIP16

1

RS232(6P6C電話接頭)

1

電容

10uF

1

DIP40

1

顯示器

16*2背光LCD

1

22pF

2

蜂鳴器

3V

1

IDC16*2接腳

1

33pF

2

發光二極體

 

5

排線

1

47uF,50V

1

電容麥克風

EMC-60P

1

 

100uF,16V

1

電池座

2032

1

102

1

水銀電池

CR2032

1

103

1

旋鈕外蓋

內徑6.4mm

 

104

9

儲存模組

32Mb MMC

1

220uF

1

MMC Connector

1

3. 特定規格零件

零件

廠商

網址

DS1302

Dallas Semiconductor

http://www.maxim-ic.com/

EM-60P

今音電子有限公司

http://www.jinin.com.tw/mic-listc.htm

MMC Connecter

銳隆企業有限公司

http://94641.pub.diysite.com/sc.deliver/main/0-4-5/3/0-pr-1.html?siteid=94641

旋鈕開關

廣華電子

http://shop.cpu.com.tw/product_info.php/products_id/1598

3.7    電路板與外觀包裝

使用Protel電路板繪製軟體將上述各項電子零件整合於如圖14,為一片142mm×70mm大小的雙層電路板中,委外以雕刻電路板的方式進行樣品製作,圖中紅線代表電路板上層電路、藍色代表電路板底層電路,綠線則是個元件的外部輪廓。製作完成的電路板放入特別訂做的外殼中,外殼的設計如圖15,尺寸如圖16,完成之鼾聲監測裝置實體照片如圖17

14. 鼾聲監測裝置電路圖

15. 鼾聲監測裝置外殼

16(a). 外殼尺寸圖A

16(b). 外殼尺寸圖B

17. 完成之鼾聲監測裝置實體照片

參考資料

Microchip, http://www.microchip.com

今音電子公司,http://www.jinin.com.tw/mic-indexc.htm