基于不完全微分PID控制的電子血壓計設計

謝政華 陳小飛 汪昌來 汪逸超

摘要：本文針對電子血壓計氣泵充氣測量時充氣速度不穩定，提出采用不完全微分PID并結合PWM控制的方式驅動氣泵，實現測量過程的勻速加壓。在以C8051F310單片機為核心的硬件平臺上完成了不完全微分PID控制算法，實現了電子血壓計控制系統的軟硬件設計，改善了電子血壓計控制系統的動態性能，提高了測量的精度，具有更好的控制效果。

關鍵詞：電子血壓計;不完全微分PID;氣泵;PWM;單片機

中圖分類號：TP302 ?文獻標識碼：A

1引言

目前電子血壓計大多采用降壓測量血壓，測量時間過長，測量過程易出現身體不適。有少部分電子血壓計可實現充氣階段測量血壓，但氣泵加壓過程時充氣速度不穩定，穩定性不好，導致測量不準確。文中提出基于不完全微分PID控制的方式驅動氣泵的電子血壓計能在充氣過程中實現測量過程的勻速加壓，完成對血壓測量，測試時間短，精度高，操作方便靈活。

2控制系統硬件設計

本文在以C8051F310單片機為控制核心的硬件平臺上設計不完全微分PID控制器，并結合PWM控制的方式驅動電子血壓計氣泵，從而控制氣泵往電子血壓計袖套里進行充氣。同時從壓力傳感器里不斷采集血壓相關參數，再通過串口通信的方式將采集到的數據傳送到PC機，最終由PC機對采集到的數據進行保存，分析計算得到血壓值并在PC機上顯示，最后由C8051F310單片機控制器對電磁閥進行放氣控制，放氣結束則整個血壓測量結束。

血壓計硬件主要包括：C8051F310主控模塊、通信模塊、氣泵、氣泵驅動模塊、電磁閥、電磁閥驅動模塊、壓力傳感器、信號調理模塊。C8051F310主控模塊的主要功能是搭載不完全微分PID控制器，輸出PWM脈沖信號給氣泵驅動電路;通信模塊的主要功能是通過串口實現C8051F310主控模塊與PC機的通信;氣泵驅動模塊主要功能是利用小信號驅動控制電子血壓計氣泵，實現血壓計氣泵的平穩調速;電磁閥驅動模塊的主要功能是控制電磁閥的通斷;信號調理模塊的主要功能是將壓力傳感器信號進行濾波和放大。硬件結構框圖如圖1所示。

3 ?軟件設計

電子血壓計的不完全微分PID控制氣泵充氣程序主要實現血壓計氣泵的穩定調速，使氣泵以4-5mmHg/s的速度勻速加壓;數據采集部分以200Hz的采樣頻率采集數據，上位機根據采集數據計算得到心率、血壓值和脈搏值。不完全微分PID控制程序流程如圖2所示：

4 ?測試結果

為減小氣泵噪聲干擾，將PWM的占空比頻率調為23.4KHz。以占空比為0.5為例說明，在積分調節時采用不同Ki值控制對氣泵性能有較明顯的提高。合理的Kp、Ki、KD和Ku值的確定能夠使得控制系統對階躍信號有較好的適應能力，減小系統的振蕩，大大改善系統的穩定性和精確性。調節前后輸入的PWM對比波形圖如圖3所示。

5 ?結語

本文完成了電子血壓計的硬件平臺以及軟件平臺設計。在硬件設計上采用模塊化的方法，且在關鍵的電路模塊上進行光電隔離，增強了硬件的可移植性和信號干擾。在軟件上完成了不完全微分PID控制算法，提出了一種基于不完全微分PID控制的電子血壓計氣泵控制方案，改善了系統的動態性能，提高了測量的精度，具有更好的控制效果。

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作者簡介： 謝政華（1985-），男，江西上饒，碩士，工程師，主要研究方向：控制工程、人工智能。