基于51單片機的便攜家庭血壓儀

劉創　周培義　張鵬鵬　周旭欣

摘 要：現代社會的迅速發展、環境的日益惡化、不健康的生活習性與不科學的飲食習慣，導致人類疾病越來越多的出現。其中，有著人類第一隱形殺手稱號的高血壓，已逐漸上升到人類疾病危害排行榜的前幾名，長期危害著人體健康。本文采用示波法血壓測試原理，設計帶體溫顯示的電子血壓計，使在家庭中能方便有效地監測血壓、體溫等數據，預防因高血壓產生的突發性腦溢血或心功能衰竭等疾病。這種便攜式家庭血壓計是以AT89C51為主控芯片，用US9116壓力傳感器檢測人體的血壓信號以及采用DS18B20溫度傳感器檢測體溫，并將結果在MD-1602液晶顯示器上進行顯示。

關鍵詞：AT89C51；US9116壓力傳感器；MD-1602液顯

1 引言

高血壓是世界最常見的心血管疾病。在今年5月17日“世界高血壓日”前夕，世界高血壓聯盟主席、中國醫學科學院阜外醫院劉力生教授在媒體溝通會上說，我國高血壓患者人數已突破3.3億，每3名成人中有1人患高血壓，且出現年輕化趨勢。與高血壓相關的腦卒中已成為中國人口第一位死亡原因。電子血壓計越來越多地成為家庭自測血壓的主要工具。本文以AT89S51單片機為控制核心，設計帶體溫測量的適合家庭保健用的智能型血壓計。

2 便攜式血壓計工作原理

血壓指動脈血管壁上的壓力，由于一般情況下無法直接測量血壓，所以通過測量氣袖中的壓力可間接得到血壓值。本設計中的血壓測量原理采用示波法。如圖2-1所示，血壓直流分量為氣袖中的壓力；而血壓交流分量則是振幅變化的脈搏波。當對袖帶加壓會阻斷動脈的脈搏搏動，在圖2-1上表現為當氣袖壓力大于180時，血壓交流分量上無脈搏波；在氣袖減壓過程中，血壓交流分量上逐漸出現脈搏波，且其包絡線的幅值越來越大，當其達到最大值Amax時，它所對應的氣袖的壓力（也就是圖中的血壓直流分量）即為動脈的平均壓，隨后包絡線的幅值越來越小。當血壓交流分量的包絡線處于上升階段時，會有一個拐點（即圖中0.5Amax處。0.5為該拐點的拐點系數，用As表示），該拐點所對應的氣袖壓力即為動脈的收縮壓Ps；當血壓交流分量的包絡線處于下降階段時，會出現另一個拐點（即圖中0.8Amax處。0.8為該拐點的拐點系數，用Ad表示），該拐點所對應的氣袖壓力即為動脈的舒張壓Pd。本文中As和Ad分別取0.5和0.8是依據于文獻[1]。

3 便攜式血壓計硬件設計

如圖3-1所示，帶體溫測量的便攜式電子血壓計由控芯片89C52、血壓測量模塊、溫度檢測模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊構成。

3.1 主控模塊

如圖3-2所示，家用便攜式帶體溫測量的電子血壓計的主控芯片采用的是89C52，它的P1口作為A/D轉換的數據線，P0.1～P0.4作為A/D轉換的控制線；P0.0作為模擬多路開關的通道選擇口；P3.7接受體溫的串行數字信號；P2作為液晶顯示的數據線；P0.5～P0.7作為液晶的控制線。

3.2 血壓測量模塊

血壓測量模塊又分為三個部分：恒流源、壓力傳感器及信號處理電路和A/D轉換。

3.2.1 恒流源與壓力傳感器電路

如圖3-3所示，元器件R1、R2、R3和 U1B構成恒流源，給壓力傳感器US9116提供一個電流恒定的電源。圖3-4是傳感器US9116的內部結構圖，它由4個精密電阻構成了一個橋式電路，恒流源從1腳流入，3、4腳流出，壓力的變化會導致電阻發生微小變化，向外表現為2、5腳之間的電壓差。已知US9116傳感器自身電阻為3.3k，要為它提供1mA～2mA恒流源才能正常工作。圖3-3所示，US9116傳感器跨接在運放U1B的輸出端和反向輸入端，相當于U1B的反饋電阻，流經它的電流等于流經R3上的電流。調節電位器R2，使運放U1B的正向輸入端的電壓為0.24V，根據歐姆定律可得：

取R3為200Ω。

3.2.2 差模放大電路設計

如圖3-4所示，壓力傳感器US9116將感受到的壓力信號轉換成幅值為幾百微伏電壓信號1和電壓信號2，然后通過差模放大電路進行放大。如圖3-5所示，儀用放大器AD620組成的差模放大器放大倍數取100倍。根據公式（1.2）：

其中RG為跨接于AD6201腳和8腳之間的反饋電阻，G為放大倍數，圖3-5中，RG=R4，計算得出R4為470Ω。

AD620輸出的信號分別進行兩種處理：一種直接放大后得到血壓直流分量；另一種是經經過濾波放大電路提取脈搏波。

3.2.3 脈搏波信號提取電路設計

由于氣袖壓力的交流信號（即脈搏波信號）夾雜在直流信號中，為了提取出其中的脈搏波信號，將圖3-5中經過差模放大后的信號通過如圖3-6所示電容值為2uf 的C3隔值作用后濾去直流分量。由于脈搏波信號為低于10Hz的低頻信號，所以設定濾波電路截止頻率為10Hz。根據公式[3]（1.3）：

取R7、R8、R9、R10為16K，C4、C5為1uF。低通濾波電路輸出的濾波后信號再經過放大和半波整流得到血壓交流分量（即脈搏波信號）。

3.2.4 模擬多路開關電路

信號經過以上電路得到血壓交流分量和血壓直流分量，由于本系統采用的A/D轉換器AD574只有一個信號通道，因此本文選用CD4051模擬多路開關將這兩路信號分時送入AD574中進行模數轉換。電路如圖3-7所示。

4 便攜式血壓計軟件設計

如圖4-1所示，在軟件設計上，采用模塊式設計，整個軟件分為三大模塊：血壓測量模塊，體溫測量模塊和顯示與鍵盤模塊。在主程序中，先調用顯示與鍵盤程序，若掃描到血壓鍵按下，則調用血壓測量模塊；若掃描體溫鍵按下，則調用體溫測量模塊。下面主要討論血壓測量模塊。

圖4-2為血壓測量模塊程序流程圖。在血壓測量模塊中首先對模塊進行初始化，再啟動氣泵并判斷氣袖壓力是否到達設定壓力；到達設定壓力后關閉氣泵氣袖開始緩慢放氣。這時啟動A/D轉化判斷是否達到結束條件，符合結束條件則關閉A/D；單片機開始對才樣數據進行處理，得出收縮壓、舒張壓和心率結果并調用顯示模塊在液晶顯示屏上顯示出結果。[4]

5 對比實驗

表5-1所示為分別采用本系統和市場上型號為YE620A的魚躍牌電子血壓計測量的數據。在這次對比實驗中，邀請了2位受試者，分別用上述兩種儀器測量了三次。從實驗結果可以看出本系統與魚躍YE620A電子血壓計之間的平均誤差在5%以內，這個誤差在可接收范圍內。

[參考文獻]

[1]包旭鶴.便攜式電子血壓計設計.現代電子技術[J].2007，8（247）.PP： 7-11.

[2]康光華.電子技術基礎模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2008.

[3]李剛，張旭.生物醫學電子學[M].北京：電子工業出版社.2006.

[4]張有德，趙志英，涂時亮.單片機微型機（第五版）[M].北京：電子工業出版社.2008.