实验题目：便携式蓝牙电子听诊器的设计

1. 课程简要信息

实验课程名称：电工电子开放实验实验题目：便携式蓝牙电子听诊器的设计适用专业：生物医学工程、电子信息工程学生年级：三年级学生

2. 实验内容与任务（限500字）

实验内容：采用锂电池供电，以STM32L0系列低功耗单片机为核心，设计一款便携式蓝牙电子听诊器，实现心音和肺音的数据采集、波形显示和无线传输。

实验任务：

1）查阅文献资料，了解心肺音产生机理，了解常用传感器，选择一种灵敏度高、稳定性好、频率响应宽、动态范围大的传感器。

2）设计心肺音信号调理电路，实现信号的滤波放大，滤波和放大电路采用单电源供电。

3）设计音频功率放大电路，利用耳机输出心肺音。

4）以 STM32L0 系列单片机为核心进行心肺音信号的数据采集。

5）选择低功耗蓝牙模块，设计数据通信方式，实现心肺音数据的蓝牙无线传输。

6）设计LCD液晶屏驱动电路。

7）设计基于 STM32L0 系列单片机的便携式蓝牙电子听诊器的控制电路，利用Altium Designer软件设计PCB，制作出印制电路板并进行焊接、调试。

8）用LCD液晶屏显示心肺音信号波形和心率，并能够通过液晶屏的提示选择心音、肺音、和心肺混合音。（发挥）

9）设计上位机软件，实时显示心肺音波形。（发挥）

3. 实验过程及要求（限300字）

1）查阅资料，学习心肺音产生机理及听诊器的研究现状和发展趋势，了解实验的背景、意义和测量方法，设计实现系统方案。

2）尽可能多地查找满足实验要求的心肺音传感器，注意传感器的类型、测量范围和测量精度、输出信号形式和动态范围等关键的特征参数。

3）选择传感器以获取心肺音信号，并根据传感器类型选择放大器类型，设计放大电路，注意放大电路的输入输出阻抗匹配和放大器的带宽和增益带宽积等，通过NIMultisim软件进行放大电路的设计仿真，在仿真优化的基础上实现心肺音信号采集及放大滤波电路。

4）在仿真电路基础上选择器件，利用Altium Designer 设计进行原理图设计和PCB设计，要求设计时预留传感器采集信号、滤波放大信号测试点，用示波器观察，记录放大倍数，波形幅度参数。

5）设计音频功率放大电路，利用耳机输出清晰的心肺音。

6）以便携式设备为目标，设计锂电池供电下系统电源管理方案和供电电路。

7）设计低功耗蓝牙无线传输电路。

8）设计LCD液晶屏驱动电路。

9）构思心肺音信号输出方式，选择与之对应的模/数转换方式，设计电路结构，制定各单元电路的技术参数指标。

10）在Keil开发平台利用ST的HAL库编写心肺音信号处理程序，利用STM32L073系列单片机的ADC进行AD转换，将心肺音信号转换为数字信号，通过蓝牙进行心音信号的无线传输。

11）构建测试环境，选择体质不同的实验对象进行心肺音测试，听心肺音和观察心肺音波形。

12）系统设计完成后，撰写实验论文，通过分组演讲，分析不同解决方案的优缺点，进行答辩验收并提交电子版和纸质版实验论文各一份。

4. 相关知识及背景（限150字）

这是一个运用数字和模拟电子技术、传感器技术、单片机技术、蓝牙无线传输技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用传感器及检测、信号放大、模数信号转换、数据显示、蓝牙无线传输等相关知识与技术方法，涉及电路仿真、原理图设计、PCB绘制、单片机系统设计、电路板焊接、调试及各种检测仪器仪表的熟练使用等工程实践技能。

5. 教学目标与目的（限100字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生掌握传感器技术、单片机应用技术、PCB设计技术等。根据工程需要选择技术方案，引导学生利用所学知识进行电路仿真、设计与制板、系统控制程序编写、构建测试环境，培养学生的工程实践能力。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个完整的工程实践，需要经历学习研究，方案论证、系统设计、PCB板绘制、焊接组装、程序编写、系统调试、设计总结等全过程。教师的引导体现在对设计方案、测试方案的审核和指导上，重点关注学生在系统调试时解决问题的方法，掌握项目进展情况，发掘团队潜能使项目更加完善。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）介绍心肺音传感器的基本知识、类型、技术参数，比较不同传感器的输出信号形式、幅度、动态范围等差异。

2）讲授电路仿真软件 Multisim的应用，使学生能够利用该软件进行放大电路、滤波电路仿真设计。

3）讲授Altium Designer 软件原理图设计和PCB设计方法，使学生能够利用该软件进行项目的原理图绘制和 PCB制作。

4）讲授STM32单片机应用系统设计的一般思路和方法，给学生提供 STM32单片机应用及Keil编程软件的参考学习资料。

5）电路调试过程中，帮助学生分析调试现象，解决调试过程中出现的问题。

6）实验项目完成后，组织学生进行演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性，如系统结构和模块组成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源的品质对系统的影响；在测试过程中，要注意对学生测试结果进行分析。

7. 实验原理及方案

1）实验原理

心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成振动，心脏内血流的加速与涡流及对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心电作用下其刚性的迅速增加和减小形成的振动，经过心胸传导系统到达胸壁形成体表心音。人呼吸时，气流通过呼吸道和肺泡，产生湍流引起振动，发出声响，通过肺组织及胸壁传至体表的声音，即为肺部呼吸音。心音信号的频率范围一般为5至600Hz，肺部呼吸音的频率一般在 100至1000Hz，均在人耳能够听到的声音范围的中低频段。根据心肺音信号的频率特点，采用恰当的滤波和放大处理，能够提取心肺音信号，经过音频功率放大驱动耳机，能够听到心肺音信号，经过模数转换能够进行数据采集、计算和分析。

2）系统结构

图1 系统结构

系统结构如图 1 所示，传感器所采集的心肺音信号经过信号调理电路后，一路由音频功放驱动耳机发出心肺音，一路经STM32的ADC 进行模数转换，由 STM32 处理后在液晶屏上显示波形和数值，并将采集的数据通过蓝牙发送给上位机，可进行进一步处理。

3）实现方案

3.1系统电源管理方案设计

实验项目为便携式蓝牙电子听诊器，系统工作电源主要有MCU工作的 $+ 3 . 3 \lor$ 、信号调理单元和传感器工作需要的 $+ 5 \mathsf { V }$ 电源。主电源由锂电池提供，需要设计锂电池的充电电路，锂电池升压电路和降压电路，系统电源管理方案如图 2所示，参考器件有 TP4057、PS7516、LM1117。

图2 电源设计方案

3.2 传感器选择方案

心肺音传感器主要有压电薄膜传感器和驻极体声音传感器两种方案。驻极体传感器较为不耐用，音域范围较为模糊，压电薄膜传感器具有较好的包装及更好的音域范围，可选用压电薄膜传感器，实验室提供的传感器型号有 HKY-06B+和 CM-01B两种。

3.3 信号调理电路设计方案

根据所选用传感器的输出信号特性利用运算放大器进行低通滤波和放大电路设计，可用Multisim进行滤波和放大电路的仿真。

3.4音频功率放大电路设计方案

选用音频功率放大器进行功率放大，可选用芯片有 LM386、TDA1517、NE5532、MCP34119 等。

3.5 液晶显示设计方案

实验项目要求低功耗，选用 GM12864A-002072 型液晶屏，屏幕驱动芯片为ST7567，采用串行方式进行电路和驱动程序设计。

3.6 蓝牙无线传输方案

蓝牙模块采用USR-BLE101模块，设计蓝牙无线传输电路。

8. 教学实施进程

实验项目实施过程中以学生为主体，教师辅助指导，采用理论教学 $^ +$ 实验教学+课外扩展的教学模式进行。理论教学主要讲解实验内容、要求、布置任务，让学生对实验项目有清楚认识。实验教学讲解 STM32 单片机应用系统设计的一般思路和方法，简单演示相关工具软件的使用方法，如 Multisim 仿真工具、Keil 开发环境、AltiumDesigner软件等等。介绍单片机仿真器的使用方法，提醒学生在软件设计和硬件设计中应注意的问题，提醒学生在使用示波器、稳压电源、万用表等实验仪器的注意事项。课外扩展教学采用开放式实验模式，老师给学生提出项目任务和讲解基本工具软件使用后，学生利用课余时间进开放实验室进行项目设计。项目设计过程中，自行查阅资料、熟悉工具软件，利用实验室资源进行项目设计，进行电路仿真、原理图绘制、PCB绘制、焊接、调试，程序编写等。老师需要对学生的设计方案进行审核，指导学生进行硬件电路和软件系统的调试，锻炼学生自己找错、纠错、培养学生的工程实践能力。项目完成后，组织学生进行交流、讨论、归纳和总结。

9. 实验报告要求

学生完成项目后，需按论文格式提交项目论文，要求如下：
摘要
绪论
系统的设计要求
需求分析及系统设计方案
各功能模块硬件电路设计
系统软件设计
项目总结及体会
项目成本核算
参考文献

10.考核要求与方法（限300字）

项目开始前：

1）依照项目要求提交系统设计方案2）考核项目方案的合理性、电路设计的正确性项目进行中1）考核系统功能模块的完成程度，是否达到需求指标2）调试过程中分析问题、解决问题的能力项目完成后1）考核验收系统功能模块的执行程度2）检查程序是否为自主设计，检查功能上完成度，是否通过调理电路能够听到心肺音信号，是否能够显示每分钟心跳数，是否能够显示心音波形等。3）检查论文完成质量，考察答辩情况。

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

该项目涉及知识面广，涵盖了生物医学、传感器、数字电路、模拟电路、单片机编程等多方面知识。项目以工程教育理念为指导思想，遵循工程教育CDIO模式，涵盖了方案调研、电路仿真、设计制作、程序编写、系统调试等工程实践环节。通过该实验项目能够使学生了解产品开发的思路和过程，为今后项目开发打下基础，提高学生的竞争力。

实验案例信息表