基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

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(yáng)，422400；2.湖南交通工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng)，421001）

0 引言

血壓高是臨床醫(yī)學(xué)比較常見(jiàn)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(cè)工作頻率低、病人依從無(wú)法確保，危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)的采集、解析與管控及其病人的意見(jiàn)反饋時(shí)常處在互相斷離的、不持續(xù)的情況，是致使國(guó)內(nèi)高血壓病人檢出率、治愈率和達(dá)標(biāo)率低的首要緣故。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)每一年350 萬(wàn)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(dá)標(biāo)率各是為30.2%、24.7%和6.1%，且總體小于西方發(fā)達(dá)地區(qū)。考慮到國(guó)內(nèi)醫(yī)療資源過(guò)于集中化于大型的三級(jí)甲等醫(yī)院，導(dǎo)致對(duì)血壓高等慢病管理系統(tǒng)架構(gòu)不優(yōu)。

電子血壓計(jì)也成了應(yīng)對(duì)高血壓病的必備品，但是伴隨電子血壓計(jì)的運(yùn)用漸漸增多，大家對(duì)電子血壓計(jì)操控的簡(jiǎn)便性和檢測(cè)的精確性需求愈來(lái)愈高，傳統(tǒng)化的水銀血壓計(jì)雖說(shuō)檢測(cè)精確，但對(duì)操控的需求高，需要先開(kāi)展專業(yè)培訓(xùn)，因此運(yùn)用場(chǎng)地通常為專業(yè)的衛(wèi)生機(jī)構(gòu)內(nèi)，無(wú)法達(dá)到通常用戶家庭生活運(yùn)用的需求。與此同時(shí)，水銀血壓計(jì)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(diǎn)。可以說(shuō)傳統(tǒng)化的血壓計(jì)現(xiàn)已無(wú)法滿足目前的需求。

1 血壓計(jì)工作原理

血壓范圍收集運(yùn)用的是精確度高的血壓測(cè)量傳感器，而且還運(yùn)用了放大電路來(lái)對(duì)測(cè)量出來(lái)的信息進(jìn)行放大、整型，運(yùn)用放大電路主要的原因是它比較簡(jiǎn)便且可靠，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的解決工作任務(wù)，并將處置結(jié)果送去主控器進(jìn)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(hào)。

傳統(tǒng)水銀血壓測(cè)量?jī)x的測(cè)量環(huán)節(jié)是依靠有沒(méi)有聽(tīng)見(jiàn)脈搏聲來(lái)辨別收縮壓及舒張壓的。打氣環(huán)節(jié)中，從沒(méi)有聲音到有聲音過(guò)渡點(diǎn)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(guò)來(lái)。而有聲音的環(huán)節(jié)牽動(dòng)著便是血壓范圍的上下跳動(dòng)，主控器精妙地使用這一個(gè)特征開(kāi)展血壓范圍的精確測(cè)量。是因?yàn)檠獕悍秶诖驓猸h(huán)節(jié)血壓范圍改變大且不規(guī)律，本設(shè)計(jì)方案則讓血壓范圍先到達(dá)一個(gè)固定不動(dòng)的血壓范圍，使用放氣環(huán)節(jié)血壓可靠降低，測(cè)量出收縮壓和舒張壓，并利用屏幕顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

使用打氣囊向血壓袖帶當(dāng)中進(jìn)行充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到最高值的后就暫停充氣，這個(gè)時(shí)候就開(kāi)始緩慢進(jìn)行放氣，在氣壓降低環(huán)節(jié)中，會(huì)在某個(gè)時(shí)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(jì)之中第一次聽(tīng)見(jiàn)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(huì)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(cè)流程的脈搏聲顫動(dòng)時(shí)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(jì)框圖

■2.1 STC89C52 單片機(jī)

52 單片機(jī)是常見(jiàn)的嵌入式設(shè)計(jì)微控制器，由運(yùn)算器，控制模塊，存儲(chǔ)芯片，I/O 設(shè)備等組成，就好比一個(gè)小型的電子計(jì)算機(jī)。它的最主要優(yōu)勢(shì)是體型小，可放置在電子儀表里面，但存儲(chǔ)容量小，I/O 端口簡(jiǎn)易，功能模塊較低。如圖3 所示。

圖3 STC89C52 單片機(jī)

■2.2 時(shí)鐘電路

52 單片機(jī)的正常運(yùn)行必須要時(shí)鐘源的功能，如果沒(méi)有時(shí)鐘電路供應(yīng)脈沖，這樣的話將難以準(zhǔn)確平穩(wěn)的正常運(yùn)行，51、52 單片機(jī)時(shí)鐘位置的設(shè)計(jì)構(gòu)思，使用的是外接11.0596MHz 的有源晶振，它所組合而成的時(shí)鐘電路為52 單片機(jī)供應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)，如圖4 所示。

圖4 時(shí)鐘電路

■2.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路和時(shí)鐘電路有相同的特性，組成比較簡(jiǎn)單，選用一個(gè)四角按鈕、電阻、電容所組成，確保控制電路運(yùn)行可以精確地運(yùn)轉(zhuǎn)，如果沒(méi)有復(fù)位電路，控制電路的運(yùn)行有可能會(huì)引起不精準(zhǔn)，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(gè)功能模塊的正常情況下工作。利用LM7805 芯片設(shè)計(jì)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(kāi)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(duì)應(yīng)裝配有SOP 封裝的壓力感應(yīng)器與數(shù)字信號(hào)處理控制電路芯片，對(duì)感應(yīng)器的偏差、精確度、溫漂和非線性開(kāi)展數(shù)字化彌補(bǔ)，以配電工作電壓為參照，形成一個(gè)歷經(jīng)校正、溫度補(bǔ)償后的規(guī)范工作電壓數(shù)據(jù)信號(hào)，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(kāi)關(guān)電容器型逐次靠近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)，擁有三個(gè)操控輸入，輸入輸出時(shí)鐘和地址輸入(DATAINPUT)該電子元器件設(shè)計(jì)構(gòu)思用來(lái)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(zhǔn)許與服務(wù)器展開(kāi)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(shí)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(gè)液晶顯示器的最關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理是憑借其運(yùn)行時(shí)的電流來(lái)激起液晶板上面的化學(xué)物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生許多的點(diǎn)、線、面，同時(shí)互相配合后背上的節(jié)能燈管來(lái)展示出所需的數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

血壓測(cè)量是整個(gè)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(duì)收縮壓和舒張壓的計(jì)算處理是該部分程序的重點(diǎn)。血壓測(cè)量流程如圖10 所示，在測(cè)量模式下，先讓氣泵自動(dòng)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(guò)程中，兩路AD 都在工作，脈搏波的波峰時(shí)就要記錄下相應(yīng)的氣袖壓力值。在先前的測(cè)量原理中介紹過(guò)，必須先測(cè)出脈搏波的最大波峰值，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式算出收縮壓和舒張壓的大小。一般取脈搏波增大過(guò)程中最大脈搏波波幅的0.6 倍處的脈搏波所對(duì)應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓，而取脈搏波減小過(guò)程中最大脈搏波波幅的0.75 倍處的脈搏波所對(duì)應(yīng)的袖帶壓力為舒張壓。

圖10 血壓測(cè)量的流程圖

血壓計(jì)的檢測(cè)形式，它是運(yùn)用檢測(cè)操作過(guò)程中感應(yīng)器收集的血壓數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)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(jì)中最重要的方面，其效果好否也直接地危害到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)同時(shí)發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)展數(shù)據(jù)信息的運(yùn)算，最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示出來(lái)。如圖11 所示。

圖11 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件是針對(duì)硬件配置上所獲取的數(shù)據(jù)信號(hào)開(kāi)展A/D轉(zhuǎn)化，進(jìn)而獲得測(cè)得的血壓值，再按照本設(shè)計(jì)所運(yùn)用的血壓測(cè)量工作原理開(kāi)展信息處理，以無(wú)源蜂鳴器當(dāng)做檢測(cè)流程人機(jī)互動(dòng)的功能模塊，以便于精確獲取準(zhǔn)確的收縮壓與舒張壓，并從液晶屏幕上顯示信息出來(lái)，如圖12 所示。

圖12 LCD1602 顯示

系統(tǒng)軟件是一個(gè)可反復(fù)的操作系統(tǒng)，即操作系統(tǒng)在檢測(cè)流程中，不過(guò)經(jīng)過(guò)重置或者是重啟開(kāi)關(guān)電源來(lái)開(kāi)展下一次檢測(cè)，而可以反復(fù)檢測(cè)，進(jìn)而也可使操作系統(tǒng)運(yùn)用顯得愈發(fā)人性化管理。在檢測(cè)流程需要顯示信息測(cè)的壓力值、放氣速度；檢測(cè)完畢后以動(dòng)態(tài)化形式顯示信息收縮壓、舒張壓及脈率；電子血壓計(jì)校正時(shí)候需要顯示信息測(cè)得壓力值、放氣速度。LCD1602 液晶屏幕用來(lái)顯示血壓信息，單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部的處理后發(fā)送給LCD1602 屏幕進(jìn)行顯示，然后記錄好血壓值之后，可以按鍵對(duì)液晶屏幕進(jìn)行清零，方便下一次血壓測(cè)量和顯示。

4 調(diào)試

本設(shè)計(jì)使用示波法設(shè)計(jì)的數(shù)字血壓計(jì)，通過(guò)測(cè)出平均血壓壓力值進(jìn)而轉(zhuǎn)換成為收縮壓和舒張壓。在本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)部分廣泛使用國(guó)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(jià)格的實(shí)惠奠定了基礎(chǔ)，如使用AT89C51單片機(jī)、LCD1602、ADC0809、儀用放大電路等，這些芯片都是大家耳熟能詳?shù)模倚阅芊€(wěn)定。通過(guò)這些器件的使用大大降低了生產(chǎn)成本。不僅如此，設(shè)計(jì)的性能也不錯(cuò)，該設(shè)計(jì)與其他一些電子血壓計(jì)進(jìn)行比較，系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性比較高。而且重復(fù)測(cè)量的一致性也比較高。此外本設(shè)計(jì)也從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)考慮，對(duì)電路進(jìn)行精簡(jiǎn)細(xì)化，去除一些繁雜電路。本設(shè)計(jì)的初始目的就是使設(shè)計(jì)出的電子血壓計(jì)具有可靠性高、攜帶性好、操作簡(jiǎn)便老少皆宜的電子血壓計(jì)。通過(guò)努力基本達(dá)到目的，但是，本血壓計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)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(diǎn)漂移影響初始輸出值，使其不為零；（2）使用間接法測(cè)量血壓，得到的是血壓平均值，而通過(guò)血壓平均值轉(zhuǎn)換到收縮壓和舒張壓是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換而來(lái)，這之間存在著誤差。

調(diào)試內(nèi)容：

（1）對(duì)單片機(jī)MC-51 最小系統(tǒng)的調(diào)試。

（2）對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0809 的調(diào)試。

（3）對(duì)壓力傳感器的調(diào)試。

（4）對(duì)氣泵系統(tǒng)的調(diào)試。

（5）對(duì)整個(gè)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(kāi)焊接工作。

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

（3）當(dāng)?shù)诙嚼^續(xù)正常工作時(shí)，開(kāi)啟電源，啟動(dòng)電路的各模塊，逐個(gè)檢查各模塊，確認(rèn)是否正常工作，最后測(cè)試整個(gè)電路。

（4）程序調(diào)試：軟件調(diào)試是檢查并修改程序在實(shí)際運(yùn)行之前，主要是語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤，這樣防止結(jié)果與實(shí)際情況不符合，影響整個(gè)設(shè)計(jì)的進(jìn)程，這也是確保計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)正確性的不可或缺的關(guān)鍵點(diǎn)。在測(cè)試的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并進(jìn)行追根刨底，查出漏洞的根本原因進(jìn)而解決各個(gè)問(wèn)題點(diǎn)。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(jì)的需求，編寫(xiě)出相應(yīng)的單片機(jī)程序；第三，把程序燒錄到單片機(jī)中，然后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行仿真操作；第四，倘若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，首先分析的問(wèn)題是與邏輯有關(guān)還是與硬件有關(guān)，方便更好地解決問(wèn)題；最后，將已經(jīng)編好了的軟件寫(xiě)入單片機(jī) 的flash中，進(jìn)行加密處理。在整個(gè)過(guò)程中需要不斷地進(jìn)行修改與完善。在Keil 軟件編寫(xiě)好程序代碼。下載到單片機(jī)中測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)物圖

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心芯片構(gòu)建的能進(jìn)行血壓與脈搏的測(cè)量的系統(tǒng)，有著測(cè)量準(zhǔn)確、方便攜帶、功能多樣、造價(jià)便宜，使用方便快捷、易上手等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)有著上述優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字式血壓儀進(jìn)行了了解和設(shè)計(jì)，利用各類軟件進(jìn)行編程，最終基本上實(shí)現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的數(shù)字血壓儀的各項(xiàng)基本功能和性能要求。

在該設(shè)計(jì)中，還理解了單芯片微計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及不同的設(shè)計(jì)需求中需要什么MCU 來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。對(duì)MCU 的使用有很大的了解，包括學(xué)習(xí)軟件編程方法。同時(shí)，一些其他裝置如傳感器、LCD 屏幕、鍵盤(pán)按鍵等。