基于單片機的電子血壓計設(shè)計

鄧集威，周凱鵬，賀沅瑋，楊啟正

（1.武岡市技工學(xué)校，湖南邵陽，422400；2.湖南交通工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖南衡陽，421001）

0 引言

血壓高是臨床醫(yī)學(xué)比較常見的慢性型終身性病癥，也是腦卒中、心肌梗塞和腎病的首要患病的因素。傳統(tǒng)化的高血壓病人醫(yī)院門診隨診就醫(yī)方式致使血壓監(jiān)測工作頻率低、病人依從無法確保，危險源數(shù)據(jù)的采集、解析與管控及其病人的意見反饋時常處在互相斷離的、不持續(xù)的情況，是致使國內(nèi)高血壓病人檢出率、治愈率和達標率低的首要緣故?，F(xiàn)階段，國內(nèi)每一年350 萬例心腦血管病去世病人中起碼50%與血壓高有關(guān)系，高血壓病人的檢出率、治愈率和達標率各是為30.2%、24.7%和6.1%，且總體小于西方發(fā)達地區(qū)。考慮到國內(nèi)醫(yī)療資源過于集中化于大型的三級甲等醫(yī)院，導(dǎo)致對血壓高等慢病管理系統(tǒng)架構(gòu)不優(yōu)。

電子血壓計也成了應(yīng)對高血壓病的必備品，但是伴隨電子血壓計的運用漸漸增多，大家對電子血壓計操控的簡便性和檢測的精確性需求愈來愈高，傳統(tǒng)化的水銀血壓計雖說檢測精確，但對操控的需求高，需要先開展專業(yè)培訓(xùn)，因此運用場地通常為專業(yè)的衛(wèi)生機構(gòu)內(nèi)，無法達到通常用戶家庭生活運用的需求。與此同時，水銀血壓計也是有液態(tài)水銀外泄、膠墊阻塞、氣管漏氣現(xiàn)象的安全隱患，及其內(nèi)部污垢影響到精密度的缺點。可以說傳統(tǒng)化的血壓計現(xiàn)已無法滿足目前的需求。

1 血壓計工作原理

血壓范圍收集運用的是精確度高的血壓測量傳感器，而且還運用了放大電路來對測量出來的信息進行放大、整型，運用放大電路主要的原因是它比較簡便且可靠，可以實現(xiàn)模擬信號的解決工作任務(wù)，并將處置結(jié)果送去主控器進行數(shù)據(jù)分析，主控器使用自身帶有的A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將返還的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

傳統(tǒng)水銀血壓測量儀的測量環(huán)節(jié)是依靠有沒有聽見脈搏聲來辨別收縮壓及舒張壓的。打氣環(huán)節(jié)中，從沒有聲音到有聲音過渡點是舒張壓，即低壓，從有聲音到?jīng)]有聲音則是收縮壓，即高壓。放氣環(huán)節(jié)正好反過來。而有聲音的環(huán)節(jié)牽動著便是血壓范圍的上下跳動，主控器精妙地使用這一個特征開展血壓范圍的精確測量。是因為血壓范圍在打氣環(huán)節(jié)血壓范圍改變大且不規(guī)律，本設(shè)計方案則讓血壓范圍先到達一個固定不動的血壓范圍，使用放氣環(huán)節(jié)血壓可靠降低，測量出收縮壓和舒張壓，并利用屏幕顯示出來。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

使用打氣囊向血壓袖帶當(dāng)中進行充氣，當(dāng)氣壓達到最高值的后就暫停充氣，這個時候就開始緩慢進行放氣，在氣壓降低環(huán)節(jié)中，會在某個時段首次有氣壓的小的上升，而這恰好是相匹配的傳統(tǒng)式的水銀血壓計之中第一次聽見脈搏聲，也就是收縮壓。接著放氣，氣壓接著降低，這環(huán)節(jié)會出現(xiàn)好幾回氣壓的上升，每一次都相匹配著傳統(tǒng)式檢測流程的脈搏聲顫動時段，工作原理如圖1 所示，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 工作原理

圖2 硬件設(shè)計框圖

■2.1 STC89C52 單片機

52 單片機是常見的嵌入式設(shè)計微控制器，由運算器，控制模塊，存儲芯片，I/O 設(shè)備等組成，就好比一個小型的電子計算機。它的最主要優(yōu)勢是體型小，可放置在電子儀表里面，但存儲容量小，I/O 端口簡易，功能模塊較低。如圖3 所示。

圖3 STC89C52 單片機

■2.2 時鐘電路

52 單片機的正常運行必須要時鐘源的功能，如果沒有時鐘電路供應(yīng)脈沖，這樣的話將難以準確平穩(wěn)的正常運行，51、52 單片機時鐘位置的設(shè)計構(gòu)思，使用的是外接11.0596MHz 的有源晶振，它所組合而成的時鐘電路為52 單片機供應(yīng)時鐘信號，如圖4 所示。

圖4 時鐘電路

■2.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路和時鐘電路有相同的特性，組成比較簡單，選用一個四角按鈕、電阻、電容所組成，確?？刂齐娐愤\行可以精確地運轉(zhuǎn)，如果沒有復(fù)位電路，控制電路的運行有可能會引起不精準，復(fù)位電路所供應(yīng)的電源電壓3.3V 之間，如圖5 所示。

圖5 復(fù)位電路

■2.4 電源電路

使用12V 的航空模型充電電池，把12V 轉(zhuǎn)化為5V 的工作電壓，就可以確保每一個功能模塊的正常情況下工作。利用LM7805 芯片設(shè)計控制電路，把航模充電電池的12V 轉(zhuǎn)化為給電子元器件配電的5V 開關(guān)電源，轉(zhuǎn)化電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源電路

■2.5 XGZP6847 壓力傳感器

XGZP6847 型壓力感應(yīng)器功能模塊使用DIP 封裝類型，壓力感應(yīng)器身為敏感元件并集成化了數(shù)字化調(diào)整處理芯片，PCВ 板的2 面對應(yīng)裝配有SOP 封裝的壓力感應(yīng)器與數(shù)字信號處理控制電路芯片，對感應(yīng)器的偏差、精確度、溫漂和非線性開展數(shù)字化彌補，以配電工作電壓為參照，形成一個歷經(jīng)校正、溫度補償后的規(guī)范工作電壓數(shù)據(jù)信號，電路原理圖如圖7 所示。

圖7 XGZP6847 電路圖

■2.6 TLC2543 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

TLC2543CN 是一種12 位控制開關(guān)電容器型逐次靠近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)，擁有三個操控輸入，輸入輸出時鐘和地址輸入(DATAINPUT)該電子元器件設(shè)計構(gòu)思用來連接主控板處理器的串口端口處，或外接設(shè)備的串口3 態(tài)輸出.該電子元器件準許與服務(wù)器展開快速數(shù)據(jù)交換，如圖8 所示。

圖8 TLC2543 電路圖

圖9 顯示電路圖

■2.7 LCD1602 液晶屏

LCD 顯示屏是一種比較好的同時常常采用的高分子材料組成的屏幕，因其與眾不同的物理特性、化學(xué)工業(yè)、光學(xué)特性，廣泛采用在輕薄型顯示屏幕上面。LCD 顯示器這一個液晶顯示器的最關(guān)鍵設(shè)計原理是憑借其運行時的電流來激起液晶板上面的化學(xué)物質(zhì)來產(chǎn)生許多的點、線、面，同時互相配合后背上的節(jié)能燈管來展示出所需的數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

血壓測量是整個程序的核心關(guān)鍵所在，如何從數(shù)據(jù)中得到脈搏波波峰值以及對收縮壓和舒張壓的計算處理是該部分程序的重點。血壓測量流程如圖10 所示，在測量模式下，先讓氣泵自動快速充氣，當(dāng)袖帶壓力大于等于200mmHg，停止充氣，然后再控制氣閥使袖帶中的氣體緩慢釋放。在放氣過程中，兩路AD 都在工作，脈搏波的波峰時就要記錄下相應(yīng)的氣袖壓力值。在先前的測量原理中介紹過，必須先測出脈搏波的最大波峰值，然后通過經(jīng)驗公式算出收縮壓和舒張壓的大小。一般取脈搏波增大過程中最大脈搏波波幅的0.6 倍處的脈搏波所對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓，而取脈搏波減小過程中最大脈搏波波幅的0.75 倍處的脈搏波所對應(yīng)的袖帶壓力為舒張壓。

圖10 血壓測量的流程圖

血壓計的檢測形式，它是運用檢測操作過程中感應(yīng)器收集的血壓數(shù)據(jù)信號來判定收縮壓與舒張壓的，這一部分制定是系統(tǒng)軟件設(shè)計中最重要的方面，其效果好否也直接地危害到檢測結(jié)果的準確性，最先是壓力傳感器收集最大的脈搏波幅，隨后發(fā)給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存儲數(shù)字信號同時發(fā)給單片機，單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)開展數(shù)據(jù)信息的運算，最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示出來。如圖11 所示。

圖11 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件是針對硬件配置上所獲取的數(shù)據(jù)信號開展A/D轉(zhuǎn)化，進而獲得測得的血壓值，再按照本設(shè)計所運用的血壓測量工作原理開展信息處理，以無源蜂鳴器當(dāng)做檢測流程人機互動的功能模塊，以便于精確獲取準確的收縮壓與舒張壓，并從液晶屏幕上顯示信息出來，如圖12 所示。

圖12 LCD1602 顯示

系統(tǒng)軟件是一個可反復(fù)的操作系統(tǒng)，即操作系統(tǒng)在檢測流程中，不過經(jīng)過重置或者是重啟開關(guān)電源來開展下一次檢測，而可以反復(fù)檢測，進而也可使操作系統(tǒng)運用顯得愈發(fā)人性化管理。在檢測流程需要顯示信息測的壓力值、放氣速度；檢測完畢后以動態(tài)化形式顯示信息收縮壓、舒張壓及脈率；電子血壓計校正時候需要顯示信息測得壓力值、放氣速度。LCD1602 液晶屏幕用來顯示血壓信息，單片機進行內(nèi)部的處理后發(fā)送給LCD1602 屏幕進行顯示，然后記錄好血壓值之后，可以按鍵對液晶屏幕進行清零，方便下一次血壓測量和顯示。

4 調(diào)試

本設(shè)計使用示波法設(shè)計的數(shù)字血壓計，通過測出平均血壓壓力值進而轉(zhuǎn)換成為收縮壓和舒張壓。在本設(shè)計的設(shè)計過程中，結(jié)合參考了目前該領(lǐng)域的最新研究成果。此外，在電路設(shè)計部分廣泛使用國內(nèi)外比較成熟的芯片和集成電路，這為系統(tǒng)的穩(wěn)定和價格的實惠奠定了基礎(chǔ)，如使用AT89C51單片機、LCD1602、ADC0809、儀用放大電路等，這些芯片都是大家耳熟能詳?shù)?，而且性能穩(wěn)定。通過這些器件的使用大大降低了生產(chǎn)成本。不僅如此，設(shè)計的性能也不錯，該設(shè)計與其他一些電子血壓計進行比較，系統(tǒng)測量的準確性比較高。而且重復(fù)測量的一致性也比較高。此外本設(shè)計也從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)考慮，對電路進行精簡細化，去除一些繁雜電路。本設(shè)計的初始目的就是使設(shè)計出的電子血壓計具有可靠性高、攜帶性好、操作簡便老少皆宜的電子血壓計。通過努力基本達到目的，但是，本血壓計的測量結(jié)果會存在一些偏差，導(dǎo)致這些偏差存在的原因可能為：（1）傳感器的零點漂移影響初始輸出值，使其不為零；（2）使用間接法測量血壓，得到的是血壓平均值，而通過血壓平均值轉(zhuǎn)換到收縮壓和舒張壓是通過經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)換而來，這之間存在著誤差。

調(diào)試內(nèi)容：

（1）對單片機MC-51 最小系統(tǒng)的調(diào)試。

（2）對A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0809 的調(diào)試。

（3）對壓力傳感器的調(diào)試。

（4）對氣泵系統(tǒng)的調(diào)試。

（5）對整個系統(tǒng)的電路調(diào)試。

調(diào)試步驟如下：

（1）首先在電路板上展開焊接工作。

（2）當(dāng)上述步驟結(jié)束時，檢查電路圖連接是否正常。同時，為了確認焊縫間的導(dǎo)通是否良好，使用萬用表，特別注意電源的正負連接是否正確。如果連接正常，則開啟電源，檢測各模塊的電源電壓是否正常。同時，為了確認芯片是否處于加熱等異常狀態(tài)，請輕輕觸碰各模塊。發(fā)生異常時，為了發(fā)現(xiàn)故障的原因并除去，必須在第一時間切斷電源。

（3）當(dāng)?shù)诙嚼^續(xù)正常工作時，開啟電源，啟動電路的各模塊，逐個檢查各模塊，確認是否正常工作，最后測試整個電路。

（4）程序調(diào)試：軟件調(diào)試是檢查并修改程序在實際運行之前，主要是語法錯誤和邏輯錯誤，這樣防止結(jié)果與實際情況不符合，影響整個設(shè)計的進程，這也是確保計算機信息系統(tǒng)正確性的不可或缺的關(guān)鍵點。在測試的過程中可能會發(fā)現(xiàn)錯誤，并進行追根刨底，查出漏洞的根本原因進而解決各個問題點。在這里，首先要了解硬件接口以及功能，以便于配置I/O 端口；第二，按照本次設(shè)計的需求，編寫出相應(yīng)的單片機程序；第三，把程序燒錄到單片機中，然后對單片機進行仿真操作；第四，倘若發(fā)現(xiàn)問題，首先分析的問題是與邏輯有關(guān)還是與硬件有關(guān)，方便更好地解決問題；最后，將已經(jīng)編好了的軟件寫入單片機 的flash中，進行加密處理。在整個過程中需要不斷地進行修改與完善。在Keil 軟件編寫好程序代碼。下載到單片機中測試整個系統(tǒng)運行。經(jīng)調(diào)試后LCD 屏幕顯示的正確結(jié)果如圖13 所示。

圖13 實物圖

5 結(jié)論

本次設(shè)計是以單片機為核心芯片構(gòu)建的能進行血壓與脈搏的測量的系統(tǒng)，有著測量準確、方便攜帶、功能多樣、造價便宜，使用方便快捷、易上手等優(yōu)點。對有著上述優(yōu)點的數(shù)字式血壓儀進行了了解和設(shè)計，利用各類軟件進行編程，最終基本上實現(xiàn)了本次設(shè)計的數(shù)字血壓儀的各項基本功能和性能要求。

在該設(shè)計中，還理解了單芯片微計算機的操作模式和硬件結(jié)構(gòu)。可以理解，在所有類型的單芯片微計算機的優(yōu)點和缺點以及不同的設(shè)計需求中需要什么MCU 來設(shè)計系統(tǒng)。對MCU 的使用有很大的了解，包括學(xué)習(xí)軟件編程方法。同時，一些其他裝置如傳感器、LCD 屏幕、鍵盤按鍵等。