基于單片機(jī)的血壓計(jì)設(shè)計(jì)

高振東

（隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng),745000）

0 引言

人類(lèi)社會(huì)在不斷的進(jìn)步和發(fā)展，人們的生活水平也在不斷地提高，尤其是城市居民的生活節(jié)奏也在加快。為了保證生活質(zhì)量，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己的身體健康[1]。傳統(tǒng)的血壓計(jì)是模擬的血壓計(jì)，這類(lèi)血壓計(jì)在進(jìn)行測(cè)量血壓的時(shí)候有很多步驟，測(cè)量的準(zhǔn)確度有限，環(huán)境影響很大，并且要經(jīng)常校準(zhǔn)。此類(lèi)血壓計(jì)的使用與維護(hù)相對(duì)麻煩，為了讓廣大血壓計(jì)使用者更方便的使用與維護(hù)血壓計(jì)，也讓更多的人學(xué)會(huì)使用血壓計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的血壓測(cè)量，本文設(shè)計(jì)出一臺(tái)操作便捷，測(cè)量精確，無(wú)需維護(hù)的智能型測(cè)量血壓的裝置，以幫助人們對(duì)抗高血壓[2]。

1 電子血壓計(jì)的工作原理

電子血壓計(jì)主要有袖帶、氣泵、放氣閥、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、液晶顯示模塊和控制電路構(gòu)成，其基本原理如下。

首先由氣泵對(duì)袖帶進(jìn)行加壓，控制器檢測(cè)壓力傳感器的反饋值，直至袖帶中的氣壓能夠切斷動(dòng)脈血流，這時(shí)氣泵停止工作。然后，控制器控制放氣閥打開(kāi)，進(jìn)行緩慢放氣，當(dāng)袖帶中的氣壓與人體心臟收縮壓力相等時(shí)，動(dòng)脈血流將再次流通，從而使壓力傳感器的反饋值發(fā)生改變，控制器此時(shí)記錄的壓力值即為人體的收縮壓（最高血壓）；保持放氣閥繼續(xù)緩慢放氣，直至壓力傳感器的反饋信號(hào)不發(fā)生改變時(shí)，這時(shí)記錄的壓力值即為人體的舒張壓（最低血壓）。最后，得到的結(jié)果在液晶顯示屏上顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)，具備的功能：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體血壓值的測(cè)量；在測(cè)量過(guò)程中能夠記錄人體的脈搏值；能夠?qū)y(cè)量記錄值直觀顯示；具有自動(dòng)控制功能。

根據(jù)上述的功能需求，提出便攜式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可以看出，便攜式電子血壓計(jì)主要由以下功能模塊構(gòu)成。

1、主控單元：主要負(fù)責(zé)電子血壓計(jì)在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，各功能單元相互間工作的協(xié)調(diào)和同步。除此之外還應(yīng)具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力值與顯示值之間的轉(zhuǎn)換。

2、驅(qū)動(dòng)電路：主要負(fù)責(zé)對(duì)主控單元的輸出信號(hào)加以放大，轉(zhuǎn)去控制功率元件（氣泵或放氣閥），以實(shí)現(xiàn)對(duì)袖帶的充放氣功能。

3、壓力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路：主要負(fù)責(zé)測(cè)量充氣袖帶中的氣壓值，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入控制單元。

4、液晶顯示及功能按鍵單元：為用戶提供一個(gè)良好的人機(jī)交互環(huán)境，能夠根據(jù)用戶的需求，將結(jié)果在液晶面板顯示。

5、系統(tǒng)供電單元：該單元用來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)供電。

2.1 主控單元

采用美國(guó)Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12系列的低功耗16位單片機(jī)MC9S12XS128[3]。

該單片機(jī)的PWM單元具有8路的輸出，每路可獨(dú)立設(shè)置，且每路的控制精度都為16位。另外，該單片機(jī)的ADC單元具有2組10位的AD轉(zhuǎn)換模塊。并且該單片機(jī)內(nèi)部具有PLL（鎖相環(huán)）電路，能夠通過(guò)倍頻使系統(tǒng)的執(zhí)行速率達(dá)到40MIPS。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)來(lái)自控制單元的控制信號(hào)加以識(shí)別處理后，再進(jìn)行放大去控制功率元件。電子血壓計(jì)系統(tǒng)中的功率單元只有氣泵和放氣閥。驅(qū)動(dòng)電路主要完成對(duì)流過(guò)線圈中的電流進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷的控制。由此，采用共射極驅(qū)動(dòng)電路控制氣泵和放氣閥。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器主要實(shí)現(xiàn)將充氣袖帶中的氣壓值的轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)。設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣生產(chǎn)的US9111-006型壓力傳感器。

圖1 電子血壓計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖

2.4 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)方案

考慮到電子血壓計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)模數(shù)混合系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中應(yīng)盡量將模擬電路與數(shù)字電路進(jìn)行分割保護(hù)，以保證設(shè)備工作的精度。

3 電子血壓計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容以及提出設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)給出設(shè)計(jì)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該硬件系統(tǒng)由六大電路構(gòu)成。分別為單片機(jī)電路、驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)放電路、按鍵電路、液晶電路構(gòu)成和電源電路。

3.2 單片硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選取Freescale公司生產(chǎn)的16位的單片機(jī)MC9S12XS128。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和下載電路構(gòu)成的。

3.2.1 時(shí)鐘電路硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

由于MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部具有鎖相環(huán)單元，鎖相環(huán)單元通過(guò)使外部時(shí)鐘信號(hào)的頻率提高，從而產(chǎn)生系統(tǒng)工作的總線頻率，可以達(dá)到40MHz。由此可見(jiàn)，只有設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、可靠的時(shí)鐘電路，可能為單片機(jī)的可靠工作提供有力的保障。

本設(shè)計(jì)中采用外部時(shí)鐘，完成時(shí)鐘電路的硬件設(shè)計(jì)，所謂外部時(shí)鐘電路，指的是系統(tǒng)的時(shí)鐘是由外部獨(dú)立的時(shí)鐘電路產(chǎn)生，其工作不依賴(lài)單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器，采用該方法進(jìn)行時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)能有效抑制外界干擾，以保證系統(tǒng)時(shí)鐘的可靠運(yùn)行[4]。

3.2.2 復(fù)位電路硬件設(shè)計(jì)

復(fù)位電路主要完成對(duì)系統(tǒng)各個(gè)寄存器的初始化，以保證系統(tǒng)的可到運(yùn)行。系統(tǒng)復(fù)位電路一般分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式，本設(shè)計(jì)中將兩種復(fù)位功能集成在一個(gè)硬件電路上實(shí)現(xiàn)， 由于MC9S12XS128單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)為低電平有效，本設(shè)計(jì)中使用專(zhuān)用的復(fù)位芯片MAX6822位單片機(jī)提供有效的復(fù)位信號(hào)，以保證對(duì)單片機(jī)各個(gè)寄存器進(jìn)行成功的初始化[5]。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)接收來(lái)自MC9S12XS128的控制信號(hào)，并將其功率放大轉(zhuǎn)而去控制氣泵和放氣閥。

3.3.1 氣泵驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用共射極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵SC3302PM的有效控制。選擇NPN型三極管TIP41作為驅(qū)動(dòng)元件。TIP41采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，能夠有效的對(duì)集電極電路進(jìn)行放大，以滿足設(shè)計(jì)的需求。

3.3.2 放氣閥驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

放氣閥硬件電路的設(shè)計(jì)與氣泵采用同樣的共射極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，對(duì)放氣閥的控制原理同上述氣泵的控制原理一致。

3.4 運(yùn)放電路的硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)放電路主要完成對(duì)壓力傳感器US9111-006輸出信號(hào)的濾波和樹(shù)枝轉(zhuǎn)換，已達(dá)到MC9S12XS128單片機(jī)中ADC能夠識(shí)別的電壓值。設(shè)計(jì)采用專(zhuān)用的儀器儀表放大器INA121P實(shí)現(xiàn)對(duì)US9111-006壓力傳感器輸出信號(hào)的放大。

3.5 按鍵電路的硬件設(shè)計(jì)

按鍵電路主要完成人機(jī)交互功能，為節(jié)省CPU的資源，保證設(shè)計(jì)的合理性，本設(shè)計(jì)中采用行列矩陣鍵盤(pán)。

3.6 液晶顯示電路硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中要求能夠?qū)崿F(xiàn)血壓值和脈搏值的顯示，主要以字符為主。因此本設(shè)計(jì)選擇LCD1602作為液晶顯示單元。LCD1602能夠的顯示2行16列32個(gè)字符。同時(shí)，模塊內(nèi)有相應(yīng)的控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)對(duì)其的控制方便。

3.7 系統(tǒng)電源硬件設(shè)計(jì)

電子設(shè)備中的最大干擾源，來(lái)自于系統(tǒng)的供電電源。因此為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和測(cè)量的精度值，本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字電路與模擬電路獨(dú)立供電的設(shè)計(jì)方案。

3.7.1 數(shù)字電路供電電源硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)中大部分設(shè)備為數(shù)字設(shè)備，因此數(shù)字電路的功耗較大，為體現(xiàn)便攜式設(shè)備的低功耗特性，本設(shè)計(jì)中選用LM317T開(kāi)關(guān)電源芯片為數(shù)字電路提供供電。該電路中將鋰電池輸出的電壓通過(guò)直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片LM317T輸出，通過(guò)調(diào)整該電路中的R12的阻值，可以輸出穩(wěn)定的3.3V電壓，同時(shí)該芯片輸出電流最大為3A，能夠?yàn)閿?shù)字電路提供可靠供電。

3.7.2 模擬電路供電電源硬件設(shè)計(jì)

圖2 電子血壓計(jì)硬件結(jié)構(gòu)框圖

考慮到系統(tǒng)中模擬設(shè)備輸出的信號(hào)較弱，若系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源為模擬電路供電，會(huì)對(duì)傳感器輸出的信號(hào)產(chǎn)生。因此本設(shè)計(jì)中選用LM1117-3.3V線性穩(wěn)壓電源為模擬電路提供供電。

該電路中將鋰電池輸出的電壓通過(guò)直流線性穩(wěn)壓電源LM1117-3.3V輸出，輸出電壓值穩(wěn)定在3.3V，同時(shí)該芯片輸出電流最大為1A，能夠?yàn)槟M電路提供可靠供電。

5 系統(tǒng)測(cè)試

表1為本設(shè)計(jì)制作出的電子血壓計(jì)與普通水銀血壓計(jì)對(duì)人體血壓值進(jìn)行測(cè)量后的數(shù)據(jù)比對(duì)表格。

電子血壓計(jì)實(shí)現(xiàn)了血壓測(cè)量的全自動(dòng)化過(guò)程，對(duì)于普通用戶而言只需按下按鍵就可以按成血壓的測(cè)量。但水銀血壓計(jì)所針對(duì)的用戶必須掌握一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)也能進(jìn)行血壓測(cè)量。綜上所述，電子血壓計(jì)無(wú)論在對(duì)人體血壓的測(cè)量過(guò)程中和可操作性上，都比傳統(tǒng)的水銀血壓計(jì)性能更勝一籌。

參考文獻(xiàn)

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