基于Atmega16單片機便攜式電子血壓計的設計

阮 磊

（安徽礦業職業技術學院，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著物質生活和精神水平的不斷提高以及老齡化比例的不斷上升，醫療檢測設備也逐漸家庭化，日常家用電子血壓計就是典型的家庭醫療檢測設備之一。相比于傳統的水銀式血壓計，便攜式電子式血壓計具有使用簡易，可獨自操作，測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶等優點。

1 系統測量原理

測量采用的是示波法，采用手動充氣袖帶來阻斷上臂動脈血流，也就是說，當充氣袖帶上的氣體壓力遠高于心臟收縮壓時，脈搏波就會消失。隨著充氣袖帶所受壓力的下降，脈搏波將會漸漸出現。當充氣袖帶所受壓力從高于心臟收縮壓緩慢降到心臟收縮壓以下時，脈搏波會急劇增大，到達氣壓平均壓時達到最大值，然后又隨充氣袖帶所受氣體壓力下降而逐漸降低。

2 系統總體設計

本血壓測量系統主要由大氣壓力傳感器MPX2050電路、信號調理電路、濾波電路、AD轉換電路、AD轉換電壓基準電路、單片機控制電路和LCD液晶顯示電路所構成。其原理是采用氣壓傳感器將綁在人體上臂上的袖帶內的氣壓轉換成電子信號，再用信號調理電路將獲得的電子信號轉換成單片機可以處理的電壓信號，然后通過單片機本身自帶的AD轉換電路對獲得的電壓信號進行采樣、量化，再根據一定的算法將用戶的血壓值和心率計算出來，最后由單片機將計算結果傳送到LCD液晶顯示屏上顯示出來給用戶查看。系統框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

3．1 AVR單片機

本設計采用ATmega16A單片機作為控制核心。AT－mega16A機速度最大可達到16M，能夠滿足系統要求，ATmega16A單片機的工作電壓為3．3V到5V，與信號調理模塊電路的工作電壓兼容，機本身集成了SPI模塊和10位精度的AD轉換電路模塊，可以直接對經過處理的信號進行采樣測量。［1］

圖1 系統框圖

3．2 壓力傳感器

由壓力傳感器提取出的血壓波信號由單片機來處理，能夠準確地計算出平均壓。選擇這款傳感器有以下兩個原因：一是在測量范圍內有所浮動而不超出范圍；二是該傳感器線性度較好，并可進行片上補償。［2］7－11

3．3 放大模塊

在設計中，通常采用測量模擬量的傳感器獲取信號，把由傳感器被測量的物理量通過相應的信號傳感器轉換為模擬電壓信號，然后對所采集到的電壓信號進行放大。

由于放大器對所測量信號的放大能力將隨所測信號大小而改變。為了保證放大器對不同幅值的電壓信號具有穩定且不失真地放大，就必須保證放大器的輸入電阻遠遠大于輸出電阻，輸入電阻越大，因信號源內阻變化而引起的放大信號的誤差就越小。

由此可見，儀表放大器除具很高的放大精度和放大倍數外，還應具有高共模抑制比。因此三運放構成儀表放大器AD620足夠使用。AD620的基本特點為精確度高、適用簡易、低噪音、低耗電等，在設計中還可以降低成本。

3．4 濾波模塊

在測量血壓的過程中，由于傳感器MPX2050輸出的信號非常微弱，而且混有高頻噪聲信號，如果電路設計不合理，微弱的信號就會被噪聲淹沒因此在每一級放大電路中，都應有相應的噪聲濾除或抑制電路，此外要盡量消除分布電容與分布電感的禍合，在必要處進行屏蔽。因此，本設計采用有源帶通濾波器，有效地削弱高頻噪聲，并適當放大信號。

帶通濾波器部分被設計成兩個連起來的有源帶通濾波器。整個帶通部分能提供一個很大的增益，并且濾波器的頻率響應將會比使用一個時更尖銳。這種方法可以提高輸出的信噪比。

這樣帶通濾波器部分的整個增益為399．6。把這部分增益和直流放大器的增益加起來，整個電路交流增益為8．51×104。選擇高、低截止頻率足以提供干凈的交流波形。

3．5 顯示模塊

本設計采用TC1602字符型液晶顯示模塊作為LCD顯示。LCD1602液晶模塊內部集成的字符發生存儲器已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，足夠顯示血壓計所測量的各種信息內容，占用I／O口也相對較少，符合本次設計的基本要求，而且價格便宜。

3．6 AD電源基準電路

ATmega16A單片機自帶了8通道10位精度的AD轉換電路，同時有三個AD基準電壓源可供選擇。由于本設計的電子血壓計屬于醫療電子器械，對測量結果的準確度要求非常高，所以為了更準確的測量結果，選擇使用外部基準電壓源作為 AD的基準電壓源［3］124－128。

4 系統軟件設計

本系統的半自動電子血壓計的主程序設計包括起始模塊和測量模塊。該血壓計在整個測量過程中會一直自動按一個恒定的速率進行慢速排氣。當用戶覺得不適時也可通過手動的方式進行快速排氣［4］。這樣就簡化了程序測量的處理過程。當設備接通電源以后，半自動電子血壓計就開始測量綁在用戶上臂上的袖帶內的氣壓，當袖帶內的氣壓上高于某個值時，程序就自動進入測量血壓的子程序，測量完后對得出的數據進行顯示。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

測量子程序由收縮壓測量子程序，心率測量子程序和舒張壓測量子程序組成。當主程序進入測量子程序后，單片機開始對經過濾波后得到的交流信號進行采樣，［5］當檢測到有穩定的脈搏波后，單片機啟動另一通道的AD轉換程序并記下此時袖帶內的氣壓值，經過計算得到用戶的收縮壓。收縮壓測量結束后，程序自動進入心率測量子程序。計算兩個脈搏波峰值之間的時間同理并記錄下來。為了獲得準確的計算結果，取5個脈搏波峰值的時間間隔然后求出兩個脈搏波峰之間的平均值，最后計算出人的心率。［6］62－65心率測量完成后，程序也是自動進入舒張壓測量子程序。當采樣的交流信號連續兩秒鐘低于舒張壓的閥值時，就判斷這一時刻袖帶內的氣壓為被測者的舒張壓，此時單片機測量袖帶內氣壓值并記錄下來，經過一定的運算獲得人體的舒張壓。

5 測量結果分析

通過測量，發現結果與水銀測量結果仍有較大偏差。造成偏差的原因有很多。首先是信號采集過程中產生一定的誤差，二是傳感器的輸出信號在處理過程中也會出現誤差。除了硬件方面造成誤差外，軟件方面，在測量過程中，未對由于人在測量過程中有動作而產生錯誤的信號進行有效處理。也就是說測量血壓的軟件算法尚有不足之處。因為經過硬件濾波后所得的交流信號波形非常完善，人體心率的測量基本準確。但該血壓計也具有一些優點，如測量時間短，有效地降低了功耗和體積，質量輕，便于攜帶。另外，在測量的過程中，被測者應做到保持不動，否則可能因為被測者的動作形成一個假脈沖信號，同時可能改變CP信號。

6 結束語

本文基于ATmega16A單片機的便攜式電子血壓計設計，用來監測人體血壓信號，主要監測參數是人體脈搏波和血壓計袖帶的靜壓力。在設計過程中，不僅采用了醫學儀器發展的最新成果，而且也使用國際比較優秀的大規模集成電路，如基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器Atmage16，以及專門用于顯示字母、數字、符號等點陣型液晶顯示模塊TC1602等，使得系統硬件設計簡潔，性能可靠，從而提高了整機性價比和測量血壓時的測量精度，具有較高的實用價值。

［1］李廣第，朱月秀，王秀山．單片機基礎［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2009．

［2］包旭鶴．便攜式電子血壓計設計［J］．現代電子技術，2007（8）．

［3］王濤．便攜式電子血壓計設計［J］．中國醫療器械雜志，2003，9（11）．

［4］李相偉．微機系統原理及接口技術［M］．北京：國防工業出版社，2010．

［5］王迎旭．單片機原理及應用［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［6］劉堅強，王永才．基于示波器的電子血壓計系統設計［J］．單片機與嵌入式系統應用，2010（4）．