血压计控制器设计毕业设计.doc

血压计控制器设计毕业设计血压计控制器设计毕业设计 目 录 1 绪论 1 1 1 电子血压计简介 2 1 1 1 电子血压计的介绍 2 1 1 2电子血压计的功能介绍 3 1 1 3电子血压计使用注意事项 3 1 2 血压计控制器设计方案 3 1 2 1 设计总体要求 3 1 2 2具体设计方案 3 1 3 电子血压计工作原理 6 1 3 1 血压测量的工作原理 6 1 3 2 电子血压计的工作原理 8 2 电子血压计控制器硬件设计 9 2 1 单片机电路设计 9 2 1 1 HT45F3W 单片机简介 9 2 1 2 HT45F3W 的复位电路 12 2 1 3 HT45F3W 的时钟电路 13 2 2 传感器简介以及电路设计 14 2 2 1 传感器简介 14 2 2 2 传感器电路设计 15 2 4 液晶显示部分简介及电路设计 18 2 5 其他电路设计 19 2 5 1 电源电路 19 2 5 2 电磁阀和充气 PUMP 控制电路 19 2 5 3 按键电路 20 2 5 PCB 板的设计 21 3 软件系统流程以及程序的设计 23 3 1 软件开发环境简介 23 3 2 系统软件初始化设置 23 3 2 1 系统时钟初始化 24 3 2 2 电源管理部分 24 3 2 3 静态电流发生器及驱动传感器电路 25 3 2 4 ADC 初始化 25 3 2 5 LCD 驱动器设置 26 3 3 程序设计 27 3 3 1 按键处理模块 28 3 3 2 测量模块 29 3 3 3 信号处理模块 30 3 3 4 显示模块 31 3 3 5 其他处理模块 32 4血压计控制器调试及测试 33 4 1系统组装调试 33 4 2 操作及测试 34 结 论 37 致 谢 38 参 考 文 献 39 附录 A 部分程序 40 附录 B 原理图 48 附录 C PCB 平面图 49 附录 D 血压计控制器实物图 50 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 1 页 共 48 页 1 绪论 现如今人们的生活水平提高了 越来越观注自己的身体健康 血压是身体康的 一项重要指标 血压的高低可直接影响全身各组织器官的血液供给 若血压过低 可造成组织器官供血不足 相反 血压过高 增加心脏负担 久而久之 导致心衰 同时血管弹性下降 脆性增加 脑动脉破裂 出现脑出血 在疾病排名册上 高血压的危害已居前几位 对于老年人群 血压是一个重要 的健康信号 高血压是最常见的心血管疾病 也是最大的流行病之一 高血压病不 仅是危害人体健康的一种慢性病 而且它还是脑中风 冠心病 心肌梗死 心力衰 竭 肾衰等疾病的祸首 因此被人们称为 无形杀手 高血压对人体的损害是全身性的 也是造成死亡的恶魔 直接威胁着人的生命 所以 对高血压这个无形杀手 不可掉以轻心 预防高血压病 首先量测量准确的血压 正常的收缩压为 90 140mmHg 12 0 18 6kpa 舒张压为 60 90mmHg 8 0 12 0kpa 正常血压的范围 正常成人在安 静状态时 动脉压为 30 40mmHg 4 0 5 3kpa 5 我们常用血压计测量血压 测量血压时 是以血压和大气压作为比较的 用血 压高于大气压的数值表示血压的高度 常用血压计有 1 1 汞柱式 玻璃管面 标有双刻度 玻璃管上端盖以金属帽与大气相通 下端 和汞槽相通 汞槽内有水银 特点 测得数值准确可靠 但较笨重不易携带 且玻璃 管部分易破裂 2 表式 又称弹簧式血压计 外形似表 呈圆盘状 正面盘上标有刻度及读 数 盘中央有一指针 以提示血压数值 特点携带方便 但准确性不如汞柱式血压计 3 电子血压计 袖带内有一换能器 有自动采样单片机控制数字运算 自动 放气程序 数秒钟内可得到收缩压 舒张压 脉搏数值 特点是操作方便 不用听 诊器 省略放气系统 排除听觉不灵敏 噪音干扰等造成的误差 但准确性不如汞 柱式血压计 传统的血压计操作比较复杂 而且受环境的影响较大 在使用时 需要用一个 准确的汞柱血压计一同校核 专业性较强 为了让每个血压计使用者更方便的使用 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 2 页 共 48 页 与维护血压计 我们设计了一种操作便捷 测量精确 无需维护的自动测量血压的 装置 用来帮助人们预防发现高血压迹象 目前生活中使用的血压计大部分是水银式的 水银血压计每次测量必须由医生 戴上听诊器进行测量 测量过程复杂 只能是每个医生一次对一个人进行测量 而 且对不同的医生 测量结果可能不同 对同一个人来说 影响血圧因素也非常多 测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值 血压随年龄的增加而增 高 新生儿血压最低 小儿血压比成人低 中年以前女性血压略低于男性 中年以 后差别较小 一般白天血压高于夜间 过度劳累或睡眠不佳时 血压稍增高 在寒 冷环境中血压可升高 高温环境中血压可略下降 紧张 恐惧 兴奋及疼痛均可导 致血压升高 舒张压一般无变化 劳动 饮食 吸烟和饮酒也可影响血压值 将脉 动波的记录引入动态血压技术 提供 24 小时内的每次血压测量结果 而且能再现每 次测量过程中的波形 在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的 目前市场上 2 的大部分动态血压记录仪 只记录每次测量的结果 医生面对的是一批真伪难辩的 数字 本课题研究设计动态血压记录仪 使每次测量结果完全透明 实时分析 使 医生可以对照原始波形判断数据的真伪 有效查找出干扰和伪差引起的误检测 恢 复真实血压 保证血压报告的有效性和可靠性 1 1 电子血压计简介 1 1 1 电子血压计的介绍 电子血压计原理采用示波法 其原理上是准确的 电子血压计的临床验证是以 听诊法作为标准 使用统计学的方法来设计的 但这并不意味着使用水银压力表的 听诊法所测出的结果比电子血压计的测量结果准确 当然 认为电子血压计的测量 结果比使用水银压力表的听诊法所测出的结果更加准确也是错误的 医院的医生所使用的水银柱式血压计 只是压力测量的工具 认为水银柱式血 压计是精确的血压计的观点是片面的 因为水银柱式血压计只是一个压力计而已 重点在于医生通过听诊器进行的听诊 目前国际上发达国家普遍禁止使用水银柱式 血压计 而采用精度更高的电子压力计 如今电子血压计已经实现全自动智能测量 测量数据能通过网络自动传输至倍 益知心健康管理平台 并将生成健康数据报告反馈给用户 测量结果因采用更领先 的技术 也比传统电子血压计更准确了一些 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 3 页 共 48 页 对个体被测者来说 电子血压计和听诊法有差异是很正常的 1 1 2电子血压计的功能介绍 本血压计控制器的测量方式为臂式压感应测量 压力测量范围达到 40 299 毫米 汞柱 5 33 39 9 千帕 脉搏测量范围在 30 180 跳 分钟 5 静态压力精确度 3 毫米汞柱 0 4 千帕 能记忆多组测量的数据 时间 日期的显示 测量过程 一键开始 全程在一分钟左右完成 1 1 3电子血压计使用注意事项 3 1 袖带位置须与心脏高度保持一致 上臂自然下垂 肘和前臂自然地搭在桌子 上 手心向上 不要把整个胳膊平伸在高于心脏位置的桌子上 或用垫子将胳膊垫 得过高 2 每天要在固定时间和同样状态下 以相同的姿势测量血压 3 应该在安静的状态下进行测量 测量前安静休息 10 20 分钟 深呼吸 2 3 次 4 饭后或运动后至少休息一小时再进行测量 5 不要在浴后 吸烟 饮酒 喝咖啡后测血压 6 要在没有尿意时测血压 7 测量时应保持心情舒畅 没有疲劳感 不紧张 1 2 血压计控制器设计方案 1 2 1 设计总体要求 该种血压控制器是将传感技术与单片机紧密结合而成的 它的结构应该能完成 三个基本任务 1 测量血管的压力 并能够将信号转变成电信号 2 利用单片机 采集压力信号并计算出高压与低圧 3 能够在屏幕上显示测量结果 对于传感器的 要求是 高性能低成本的 灵敏度要高 而对于单片机的要求是血压变动能及时抓 住高 低压 体积小 集成度高 抗干扰能力强 可靠性高 价格低 运用灵活 易于实现产品化的单片机 显示器应该选用显示清晰 亮度高 寿命长 价格低的 显示器 1 1 2 2具体设计方案 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 4 页 共 48 页 1 整体设计方案论证选择 方案一 采用基于 AT89C51 单片机的设计方案 配合外部 A D 转换器 传感器 搭建外 部放大电路 分离电路 以及滤波电路 低通滤波器 显示部分采用 LCD12864 进行 显示 方案二 采用合泰公司最新的用于血压计开发的单片机 器内部集成 ADC 放大电路 滤波电路 外部搭建电路较少 显示采用段式液晶 2 对于单片机选用有两个方案 方案一 采用 AT89S52 片内 ROM 全都采用 Flash ROM 能以 3V 的超低压工作 同时也与 MCS 51 系列单片机完全兼容 具有 89C51 的功能 而且具有在线编程可擦除技术 当在对系统进行调试时 不需要拿下单片机进行编程 而直接进行程序调试 3 方案二 采用专用的血压计设计控制芯片 HT45F3W 单片机 该单片机是台湾 Hltek 公 司在医疗量测领域正式推出高度整合 高性价比的血压计专用 MCU HT45F3W 整合了 多个可程序调整放大倍率及偏压的专用运算放大器 内部带有 12 位模拟数字转换 器 恒定电流产生器 同时具有 ChargePump 及 Regulatr 等功能 并搭配 IAP In ApplicatinPrgramming 技术 对于程序更新及量测数据储存都可轻易完成 非常 适用于臂式血压计及腕式血压计以及各项居家医疗健康器材等产品 6 3 显示电路选择 方案一 采用数码管显示 数码管是由八个发光二极管组成 对于显示较少数据量时 功 耗要求不高的情况下可以选用 显然作为血压计这种电池供电 数据显示的也较多的 显示方式 是不合适的 方案二 采用 LCD12864 液晶显示 如采用在显示数字显得太浪费 且价格也相对较高 所 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 5 页 共 48 页 以也不用此种作为显示 方案三 采用定制的段式液晶显示 由于 HT45F3W 单片机自带有 LCD 驱动 因此采用定制 的段式液晶 同时又可对显示内容实现个性化设计 成本也较低 适合大批量生产 综合考虑 采用合泰公司最新的用于血压计开发的单片机 HT45F3W 由于内部 集成的放大电路 滤波电路 因此不需要大量的外部电路 提高了系统稳定性和准 确性 而外部电路只需传感器电路 显示电路及电源部分电路 本设计是基于 HT45F3W 单片机设计的 具体装置方案如图 1 1 所示 HT45F3W单片机 MPS 3117 压力传感器 LCD液晶面板 气泵 电磁阀 电源 按键 气袖 图 1 1 血压计各部件连接图 系统工作示意图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 6 页 共 48 页 接通电源 单片机系统初始化 内部放大调理电路 初始化 ADC开始工作采集 数据 数据处理 LCD显示 等待按键唤醒 系统进入睡眠 图 1 2 系统工作示意图 系统启动后 系统进行简单初始化即进入睡眠状态 等待开始按键 若按下开始 按键 系统则对芯片内部的 ADC PGA 滤波器 液晶驱动等模块初始化 参数设置 后 系统利用 PWM 波控制气泵同时系统将会启动 A D 转换 转换结束后将进行数据 处理阶段 若未转换完毕将进行程序循环继续转换 数据处理阶段将会对转换的数 据进行采样 分析数据 按血压原理定为收缩压和舒张压 经由单片机将其送到 LCD 液晶面板进行显示 1 3 电子血压计工作原理 1 3 1 血压测量的工作原理 由于心搏动力学作用 在袖带里所发生的压力变化将能够准确的反映出心搏压 力的波动 即脉搏波 因此随着袖带里压力的变化 脉搏波将呈现以下的变化趋势如 图 1 3 所示 1 当袖带压力远高于收缩压时 脉搏波消失 2 随着袖带压力的下降 脉搏波开始出现 并呈现逐渐增大的趋势 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 7 页 共 48 页 3 当袖带压力从高于收缩压降到收缩压以下时 脉搏波会突然增大 4 当袖带压力降到平均压时 脉搏波的幅度达到最大值 5 当袖带压力继续下降 袖带与胳膊的压力紧密程度下降时 脉搏波的幅度也 开始减小 6 当袖带压力从舒张压降到低于舒张压时 脉搏波的幅度会突然减小 7 当袖带压力低于一定的数值时 脉搏波消失 图 1 3 示波法血压测量原理 示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与袖带压力之间的关系来计算血压的 其 计算方式如下 当脉搏波的幅度最大时 过程 D 此时袖带里的压力对应的为平均压 用一个 比例参数 a 0 a 1 乘以平均压力所对应的脉搏波 最大脉搏波 用乘得的结果作为 一个比较因子 在整个测量过程中检测到的第一个脉搏波和最大脉搏波之间找到与 之匹配的脉搏波 此脉搏波所对应的袖带压力就为收缩压 同样 用另外一个比例参数 b 0 b 1 乘以平均压力所对应的脉搏波 最大脉搏 波 用乘得的结果作为另外一个比较因子 在最大脉搏波和整个测量过程中检测到 的最后一个脉搏波之间找到与之匹配的脉搏波 此脉搏波所对应的袖带压力就为舒 张压 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 8 页 共 48 页 1 3 2 电子血压计的工作原理 当袖带充气时 袖带内部便会产生一定压力 压力传感器 MPS 3117 感应到该压 力时 经过 HT45F3W 单片机内部放大以及滤波电路后 由单片机的 ADC 读入 并进 行 A D 转换 单片机在程序的控制下 得到脉搏波的交流分量和直流分量 对数字 信号进行运算 得到收缩压和舒张压还有脉搏 然后经 LCD 液晶显示模块进行显示 并将数据和时间保存 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 9 页 共 48 页 2 电子血压计控制器硬件设计 2 1 单片机电路设计 2 1 1 HT45F3W 单片机简介 HT45F3W 型单片机是台湾 Hltek 公司在医疗量测领域正式推出高度整合 高性 价比的血压计专用 MCU HT45F3W 整合了多个可程序调整放大倍率及偏压的专用运算 放大器 内部带有 12 位模拟数字转换器 恒定电流产生器 同时具有 ChargePump 及 Regulatr 等功能 并搭配 IAP In ApplicatinPrgramming 技术 对于程序更 新及量测数据储存都可轻易完成 非常适用于臂式血压计及腕式血压计以及各项居 家医疗健康器材等产品 HT45F3W 型单片机 CPU 特性 6 1 工作电压 在 4MHz 2 2V 5 5V 在 8MHz 3 0V 5 5V FSYS 12MHz 的 4 5 5 5V 2 高达 0 33 s 指令周期在 VDD 5V12MHz 系统时钟 3 五种振荡模式 外部高速晶振 HXT 外部 32 768kHz 晶振 LXT 外部 RC ERC 内部 RC HIRC 内部 32kHzRC LIRC 4 多模式操作 正常 低速 空闲和休眠 电源关闭 5 在一个或两个指令周期内执行所有指令 63 条功能强大的指令 查表指令 位操作指令 6 高达 12 层硬件堆栈 HT45F3W 型单片机的外设特性 1 闪存程序存储器 16K 16bit RAM 数据存储器 512 8bit EEPRM 存储器 64 8bit 2 看门狗定时器功能 3 多达 29 个双向 I O 线 两个共用引脚的外部中断 4 定时器模块实现时间测量 输入捕捉 比较匹配输出 PWM 输出或单脉冲输 出功能 5 两个串行 SPI 接口 6 双时基功能用于生成固定时间中断信号 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 10 页 共 48 页 7 8 通道 12 位分辨率的 A D 转换器 一个通道 16 位 D A 转换器 8 低电压复位功能 低电压检测功能 9 LCD 驱动器功能 10 PGA 和 Regulatr 模块 11 电荷泵和 3 3V 稳压器的模拟电路 现今的应用要求单片机具有较高的性能及尽可能低的功耗 这种矛盾的要求在 便携式电池供电的应用领域尤为明显 高性能所需要的高速时钟将增加功耗 反之 亦然 该系列单片机提供高 低速两种时钟源 它们之间可以动态切换 用户可通 过优化单片机操作来获得最佳性能 功耗比 单片机为 CPU 和外围功能操作提供了多种不同的时钟源 用户使用配置选项和 寄存器编程可获取多种时钟 进而使系统时钟获取最大的应用性能 主系统时钟可来自高频时钟源 fH 或低频时钟源 fL 通过 SMOD 寄存器中的 HLCLK 位及 CKS2 CKS0 位进行选择 高频时钟来自 HXT ERC HIRC 振荡器或 EC 可通过配置选项选择 低频系统时钟源来自内部时钟 fL 若 fL 被选择 可通过配 置选项设定为 LXT 或 LIRC 振荡器 其它系统时钟还有高速系统振荡器的分频 fH 2 fH 64 另外两个内部时钟用于外围电路 次时钟源 fSUB 和周期时钟 fTBC 这两个时 钟源来自 LXT 或 LIRC 振荡器 通过配置选项选择 快速唤醒发生后 fSUB 为单片 机提供一个次时钟 使系统能够在更短的时间内快速唤醒 fSUB 和 fSYS 4 用于看 门狗定时器的的时钟源 fTB 用于时基 0 1 中断功能的时钟源 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 11 页 共 48 页 图 2 1 HT45F3W 单片机的系统时钟 HT45F3W 包含有 16KWordFlash 程序内存 512Byte 数据存储器 64ByteDataEEPRM 及 8LevelStack 等核心规格 同时具有实用的外围电路 例如 LCDDriver 可支持多达 160 点 LCDPanel 多组多功能定时器模块可实现包含捕获 比较 PWM 等功能 另有两组 SPI 接口作为通讯使用 并有用于语音的 D A 可弹性 实现语音播放的功能 HT45F3W 型单片机具有丰富的功能 还有针对血压计的片内 外设 是设计电子血压计控制器的不二首选 多样化的功能可以很容易完成产品的 开发与应用 HT45F3W 型单片机系统的结构框图如图 2 2 所示 6 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 12 页 共 48 页 图 2 2 HT45F3W 单片机的系统框图 Hltek 同时提供软硬件功能齐全的发展系统 在硬件上使用 e Link 搭配专用的 OCDS OnChipDebugSupprt 架构的 MCU 可提供与最终 MCU 相同的封装及特性的模 拟 在软件上使用 HT IDE3000 包含有实时仿真 内存 缓存器存取 硬件断点逻 辑设定 执行追踪分析等等功能 适合需要更快速并更具效率来开发程序及调试的 用户进行产品开发 2 1 2 HT45F3W 的复位电路 复位功能是任何单片机中基本的部分 使得单片机可以设定一些与外部参数无 关的先置条件 最重要的复位条件是在单片机首次上电以后 经过短暂的延迟 内 部硬件电路使得单片机处于预期的稳定状态并开始执行第一条程序指令 上电复位 以后 在程序执行之前 部分重要的内部寄存器将会被设定为预先设定的状态 程 序计数器就是其中之一 它会被清除为零 使得单片机从最低的程序存储器地址开 始执行程序 由于复位引脚与PB 4共用 复位功能必须使用配置选项选择 虽然单片机有一 个内部RC复位功能 如果电源上升缓慢或上电时电源不稳定 内部RC振荡可能导致 芯片复位不良 所以推荐使用和RES引脚连接的外部RC电路 由RC电路所造成的时间 延迟使得RES引脚在电源供应稳定前的一段延长周期内保持在低电平 在这段时间内 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 13 页 共 48 页 单片机的正常操作是被禁止的 RES引脚达到一定电压值后 再经过延迟时间单片机 可以开始进行正常操作 在许多应用场合 可以在VDD和RES之间接入一个电阻 在VSS与RES之间接入一 个电容作为外部复位电路 与RES脚上所有相连接的线段必须尽量短以减少噪声干扰 当系统在较强干扰的场合工作时 建议使用增强型的复位电路 如图2 3所示 6 图 2 3 HT45F3W 单片机复位电路设计 2 1 3 HT45F3W 的时钟电路 振荡器除了作为系统时钟源 还作为看门狗定时器和时基功能的时钟源 外部 振荡器需要一些外围器件 而集成的两个内部振荡器不需要任何外围器件 它们提 供的高速和低速系统振荡器具有较宽的频率范围 所有振荡器选择通过配置选项选 择 较高频率的振荡器提供更高的性能 但要求有更高的功率 反之亦然 动态切 换快慢系统时钟的能力使单片机具有灵活而优化的性能 功耗比 此特性对功耗敏感 的应用领域尤为重要 此单片机有5个系统振荡器 包括三个高速振荡器和两个低速振荡器 高速振荡 器有外部晶体振荡器 外部RC振荡器 外部时钟和内部8MHz RC 振荡器 两个低速 振荡器包括外部32 768kHz振荡器和内部32kHz振荡器 见表2 1 6 表 2 1 HT45F3W 振荡器类型表 类型名称频率引脚 外部晶振 HXT400kHz 12MHzOSC1 OSC2 外部RC ERC4MHz 12MHzOSC1 内部高速RC HIRC8MHz 外部低速晶振 LXT32 768kHzXT1 XT2 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 14 页 共 48 页 内部低速RC LIRC32kHz 我们这里的振荡器采用内部高速RC和外部低速晶振的组合 外部32 768kHz 晶 体振荡器是一个低频振荡器 经由配置选项选择 时钟频率固定为32 768kHz 此时 XT1 和XT2 间引脚必须连接32 768kHz 的晶体振荡器 需要外部电阻和电容连接到 32768Hz晶振以帮助起振 一些配置选项决定是否XT1 XT2 脚是用于LXT 还是作为普通I O口使用 若 LXT 振荡器未被用于任何时钟源 XT1 XT2 脚能被用作一般I O口使用 若LXT振荡器被 用于一些时钟源 32 768kHz晶体应被连接至XT1 XT2脚 外部32 768kHz 晶体振荡 器接法如图2 4所示 6 图 2 4 外部低速晶体振荡器接法 2 2 传感器简介以及电路设计 2 2 1 传感器简介 本设计采用台湾全磊公司的MPS 3117压力传感器 该传感器具有价格优势之SMD 封装型式宽广温度 操作范围 40 到 85 固态可靠性 容易使用 容易嵌入 OEM 装置 等特点 MPS 3117产品尺寸7 7mm的压阻式压力传感器 可经由定电压 5 Vdc 或定电流 1 1 5 mA 驱动产生正比于输入压力之毫伏等级电压输出讯号 具有 优异的性能与长时间稳定性 大量应用在数位血压计 数字压力计 环境监控 消 费性电子产品 医疗监控仪器上 7 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 15 页 共 48 页 图 2 5 MPS 3117 压力传感器外观图 技术指标 压力范围 0 15 PSIG 最大压力 30 PSIG 操作温度范围 40 85 操作湿度范围 15 85 RH 驱动电压 5V DC 驱动电流 1 mA 5kohm 线性度 0 05 其等效电路如图 2 6 所示 8 图 2 6 MPS 3117 压力传感器内部等效电路 2 2 2 传感器电路设计 MPS 3117的外围引脚共有6个 其中4脚为空脚 压力传感器的SVIN脚和SVIP 7 脚引分别与单片机引脚SVIN脚和SVIP脚相接 1脚和6脚接到单片机的CCVIP脚 3脚 接到单片机的CCVIN脚 电路连接图见图2 7 9 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 16 页 共 48 页 图 2 7 MPS 3117 压力传感器电路连接图 HT45F3W单片机提供一个静态电流发生器 图2 8 用来驱动压力传感器的电桥 驱动电流可以通过编程决定 该电路可以通过设置CCVREFC寄存器来选择的输出 6 电压为0 2V 0 95V之间 以0 05V的间隔 该电压可在脚CCVREF接一个电容到地实 现稳定的目的 这个电压被提供给一个内部的正输入端运算放大器 通过连接一个 外部电阻到负运算放大器的输入 一个恒定的电流可以被设置 图 2 8 静态电流发生器框图 MPS 3117压力传感器电桥产生的差分信号 要进过单片机内部相关电路进一步 处理 并进行A D转换过后 供程序处理计算 得到收缩压和舒张压以及脉搏 压力 传感器的调理电路如图2 9所示 6 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 17 页 共 48 页 图 2 9 压力信号处理电路 1 其中差分信号通过SVIP SVIN引脚进入单片机内部的差分放大器PGA1 该 PGA1输入电压范围为 20mV到100mV的 PGA1增益分为两个阶段 在第一阶段 被称 为G11 具有8 16 32或64的倍数 是由寄存器P GAC0控制 在第二阶段 被称为 G12 具有 32 63 32的倍数 并通过控制 PGAC1寄存器 PGA1的失调电压 VOF1 可以是 PGAVREF 4 0 32 VOREG 一系列的32个离散值 并且是由PGAC0 寄存器控制 该PGA1输出电压 VPGAO1 由下式给出如下公式 6 2 1 11211 1VOFGGVVPGAO PGA2的增益固定为2 PGA2偏置电压VOF2以下公式给出 2 2 256 255 0 3 3 2 VVREG VOF 该PGA2输出电压 VPGA02 给出下式 2 3 2 21 2VOFVPGAOVPGAO 它是被提供给A D转换器 用于测量血压的直流分量信号 用作记录当前袖带内 的压力值 2 该电路包括一个带通开关电容滤波器 SCF PGA输入电压范围VIN 是30 V 到150 V SCF的低通滤波器的截止频率可以使用SCFC0寄存器被选择为 9Hz 10Hz 11Hz 12 Hz 高通滤波器的截止频率是固定在0 7Hz SCF的还包括一 个PGA功能 其增益可以使用SCFC0寄存器设置一个在56和308之间的值 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 18 页 共 48 页 SCF的增益由下式给出如下公式 2 4 05 456 增益SCFSCF 对SCF需要具有大约为100Hz的频率的时钟 对SCF是从系统时钟源 并使用在 SCFC1和SFCKD寄存器位细分 SCF的时钟是由给定的下列公式计算 2 5 1 SCFCKD FSCF SCF时钟 其中SCFCKD代表的8位在SCFCDK寄存器中的十进制值 通过设置SCFC1寄存器相 应的位在fSCF FSYS 8 16 32 64 128 256 512 1024中选择 SCF PGA输出信号为测量血压的交流分量 相当于袖带内的脉搏波 利用ADC可 以检测出脉搏波的最大值 从而计算出收缩压和舒张压 2 4 液晶显示部分简介及电路设计 HT45F3W 其中集成了一个 LCD 驱动 使用起来更加灵活方便 而不是用更昂贵的 基于字符显示的 LCM 降低了成本显著 但是 需要相应的 COM 和 SEG 信号 HT45F3W 包含的 LCD 驱动 可以内部设置 LCD 电路及各种选项 就会自动产生时间 与增益可变的信号直接驱动 并可以轻松连接多种自定义的液晶显示器 液晶面板与单片机的连接见下图 图 2 10 单片机与 LCD 面板原理图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 19 页 共 48 页 2 5 其他电路设计 2 5 1 电源电路 电源采用 4 节 AA 电池提供 6V 电压 6V 电压可以驱动气泵和电磁阀 同时采用 HT7540 给单片机提供稳定的 4V 电压 8 图 2 11 供电原理图 另外单片机内部集成了 Charge Pump 和 Voltage Regulator 功能如图 2 12 所 示 可以提供 2 倍的电源电压 和稳定的 3 3V 电压供给 ADC 作参考电压 图 2 12 Charge Pump 和 Voltage Regulator 功能框图 2 5 2 电磁阀和充气 PUMP 控制电路 这里电磁阀采用三极管 S8050 驱动 充气泵通过三极管 PXT8050 驱动 而充气 泵则利用了单片机的 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调变 波控制充气的速度 原理图如下图 4 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 20 页 共 48 页 图 2 13 电磁阀和充气 PUMP 控制原理图 2 5 3 按键电路 按键电路采用独立按键 由于 HT45F3W 单片机的 IO 口带有内部上拉电阻 故按 键电路不需要外部上拉电阻 原理图如下 关关 关关 关关 关关 GND KEY1 KEY2 KEY3 图 2 14 按键设计原理图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 21 页 共 48 页 2 5 PCB 板的设计 本设计的血压计本着便携式的特点 因此对 PCB 的大小有较高要求 这里 PCB 的尺寸为 80mmX60mm PCB 设计片面图及 PCB3 维图 见图 2 14 2 15 图 2 15 PCB 设计片面图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 22 页 共 48 页 图 2 15 PCB3 维图 PCB 设计中 预留调试接口 以便于最后的调试 传感器预留测试点 气泵 电磁阀接口用排阵引出 以便调试时连接 设计中还预留了一块 Flash 芯片 喇叭驱动及接口以便日后升级语音功能使用 按键电路引出 以应对产品的差异化按键设计 为了减少干扰 PCB 设计中 两面采用覆铜方式 电源线远离信号线 晶振电 路离单片机尽量靠近 保证时钟频率准确 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 23 页 共 48 页 3 软件系统流程以及程序的设计 3 1 软件开发环境简介 HT IDE3000 Integrated Development Environment 是一个具有高效能 使 用于合泰公司8位MCU应用程序的整合开发环境 系统中的硬件及软件工具能够帮助 用户使用8位MCU芯片 快速且容易地编写应用程序 在IDE整合开发环境中最主要的 组件HT8OCDS ICE 专为 Flash MCU 量身打造 它们提供了8位微控制器的实时仿真 功能以及强而有力的调试与跟踪功能 在软件方面 HT IDE3000发展系统提供友善的工作平台 将所有的软件工具 例如编辑器 组译器 连结器 函式库管理员和 整合成为一窗口环境 使程序开 发过程更为容易 图 3 1 HT IDE3000开发环境 3 2 系统软件初始化设置 系统初始化模块 包括对系统时钟的初始化 电源管理部分 静态电流发生器 以驱动传感器 ADC 初始化 LCD 液晶驱动的寄存器设置 以及 IO 口的配置 以便 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 24 页 共 48 页 接下来能正常工作 3 2 1 系统时钟初始化 产生系统时钟有五种方法 三个高速振荡器和两个低速振荡器 高速振荡器有 外部晶体 陶瓷振荡器 外部 RC 振荡器和内部 8MHz 的 RC 振荡器 两个低速振荡器 为内部 32kHzRC 振荡器和外部 32 768kHz 晶体振荡器 选择是否在低速或高速振荡 器作为系统振荡器使用 SMOD0 寄存器的 HLCLK 位以及及 CKS2 CKS0 位 通过配置选项也可以用于实际高速和低速振荡器的时钟源选择 其中 两个振 荡器的选择必须作出即一个高速和一个低速系统振荡器 smod0 0 x03 8M HIRC 32 768K LXT 本设计采用配置选项 选择系统时钟为内部 8MRC 振荡器和外部 32 786kHz 的晶 体振荡器 3 2 2 电源管理部分 HT45F3W 单片机采用单个寄存器 CHPRC 控制电荷泵和稳压器的整体运作 控制 功能 如开启 电荷泵关闭 开 关调节器 并确定时钟分频值 以生成电荷泵的时 钟频率 寄存器 CHPRC 的 REGCEN 位是稳压器 电荷泵模块使能 禁用控制位 如果该位被 禁用 则稳压器和电荷泵都将被禁用 以节省电源 如果该位被设置为 0 那么 电荷泵和调节器模块将被断电不论 CHPEN 位的设置 如果 REGCEN 位设置为 1 时 该稳压器将被启用 如果 CHPEN 被启用时 电荷泵将被激活并使用 VDD 作为输入 生成双电压输出 双电压将被用作调节器的输入 如果 CHPEN 位被设置为 0 时 电荷泵被禁止 电荷泵的输出将等于充电泵输入的 VDD 当使用调节器 有必要采 取在 VDD 电压的音符 如果电压是 3 6V 下然后 将 CHPEN 位应设置高 使能电荷泵 否则 CHPEN 应清除为零 如果电荷泵被禁用 VDD 为 3 6V 以下 则输出电压监管 机制将无法得到保障 电源部分初始化 cpden 0 电荷泵输入检测禁止 chpen 0 电荷禁止 regcen 1 使能稳压模块 ccvrefc 0 x0f 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 25 页 共 48 页 ccvrefen 1 3 2 3 静态电流发生器及驱动传感器电路 恒定电流发生器必须将 CCVREFC 寄存器的 CCVREFEN 位置高 来首次启用 如果 清 0 电路会自动关闭 这将是在电池供电的设备的一个重要的考虑因素 该 VCCREF 电路的输出电压可以被选择为 0 2V 0 95V 之间 以 0 05V 的间隔 CCVREFC 寄存器的 BIT3 BIT0 提供 16 个选择 该电压可在针 CCVREF 到一个电容应 用于连接稳定的目的 这个电压被提供给一个内部的正输入端运算放大器 通过连 接一个外部电阻到负运算放大器的输入 一个恒定的电流可以被设置 6 ccvrefc 0 x89 恒定的电流使能 电压 0 9V 表 3 1 CCVREFC 寄存器 3 2 4 ADC 初始化 A D 转换控制寄存器 ADCR ACSR ANCSR 控制 A D 转换器的功能和操作 为 ADCR 三个控制寄存器 这些 8 位的寄存器定义功能 如选择其中模拟通道连接到内 部 A D 转换器 数字化数据格式 该 A D 时钟源 以及控制启动功能和监测的 A D 转换器的结束的转换状态 在 ACS2 ACS0 位 ADCR 寄存器定义 ADC 输入通道号 由 于设备仅包含一个实际的模数转换器的硬件电路 每个各个 8 个模拟输入必须被路 由到该转换器 它是 ACS2 ACS0 的功能位来决定哪个模拟通道输入引脚实际上是连 接到内部 A D 转换器 该 ANCSR 控制寄存器包含 PCR3 PCR0 位的确定哪个引脚 上的端口 B 被用作模拟输入的 A D 转换器的输入 哪些引脚不被用作 A D 转换转换 器的输入 设置相应的位高将选择 A D 输入功能 清除位为零将选择的 I O 或其 他引脚共用功能 当引脚被选择为一 A D 输入 其原有的功能是否它是一个 I O 或 其他引脚共用功能将被删除 在此外 连接到这些引脚的任何内部上拉电阻会自动 被取消作为一个 A D 输入端 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 26 页 共 48 页 图 3 2 ADC 寄存器分布 下面是 A D 转换轮询 ADCR 寄存器的 EOC 位的方法来检测转换周期的完成的例子 ADE 0 禁止 ADC 中断 ACSR 0 x01 选择 fSYS 8 作为 A D 时钟 ADOFF 0 ANCSR 0 x0f ADCR 0 选择 AN0 作为 A D 接口 开始转换 START 0 START 1 复位 A D START 0 开始 A D While EOCB 循环查询 EOCB 位 adrl buffer ADRL 读转换结果低字节 adrh buffer ADRH 读转换结果高字节 3 2 5 LCD 驱动器设置 LCD 控制寄存器 用来控制 LCD 的各种设置功能驱动程序 各个位 这些寄存器 控制功能 如占空比和偏压类型 偏压电阻选择以及整体 LCD 启用和禁用 LCDCTRL 寄存器中 LCDEN 位 它提供了整体的 LCD 使能 禁止功能时 才会生效 时 该设备是在正常 慢速或空闲模式 如果设备处于睡眠模式 则显示将会一直 被禁用 位 RSEL0 和 RSEL1 在 LCDCTRL 寄存器选择内部偏置电阻用正确的偏置电压 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 27 页 共 48 页 供应 LCD 面板 可选择最适合使用的 LCD 面板在应用程序中 可以选择也尽量减少 偏置电流 SEGCR 寄存器用来确定输出功能 SEG0 SEG7 作为段驱动器或 CMOS 输出 如果作 为 CMOS 输出则输出引脚电平 VLCDC 寄存器有 LCD 电源控制控制位 和设置 LCD 供电电压 本设计 LCD 设置为 3V 电压 3 3 程序设计 主程序流程如图 3 3 所示 开始 系统初始化 进入睡眠 等待按键是否唤醒 判断按键 启动气泵 关闭电 磁阀 AD采集数据 监测到最大脉 搏波 保存并处理 得到舒张压 收缩 压 心率数据 LCD面板显示 显示历史测量记录设置时间模式 图 3 3 主程序流程图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 28 页 共 48 页 主程序依此调用几个模块 系统初始化模块 按键处理模块 开始测量模块 信号处理模块 显示模块 3 3 1 按键处理模块 按键处理模块包括 按键唤醒部分 按键扫描部分 按键功能实现部分 其中 按键唤醒部分是 系统进入睡眠后 通过按键进行唤醒 唤醒后 对一些寄存器的 设置 保证系统时钟 系统参数正常 可以正确测量血压 按键扫描部分是按键唤 醒单片机后 通过此部分程序进行识别是哪一个按键按下 为按键功能部分提供处 理条件 而按键功能处理 是对应查询 测量 设置三个按键的具体功能的实现 按键处理模块流程图如图 3 4 所示 等待按键是否唤醒 判断按键 执行测量模块程序查询历史记录设置时间模式 通过LCD显示判断按键 加一操作切换 进入睡眠模式 图 3 4 按键处理模块流程图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 29 页 共 48 页 3 3 2 测量模块 测量模块 包括控制气泵和电磁阀 ADC 采集部分来采集压力数据 以供给信号 处理模块进一步处理 系统首先关闭电磁阀 打开气泵 给袖带充气 同时 ADC 开 始工作 直到系统检测不到脉搏波时停止充气 进入缓慢泄气状态 ADC 在泄气过 程中检测脉搏波的最大值 并对压力的直流分量不停的保存 供给数据处理模块处 理 得出结果 测量模块流程图如图 3 5 所示 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 30 页 共 48 页 是否检测到脉搏波 打开电磁阀快速泄 气ADC停止工作 保存采集数据 否 开始测量 关闭电磁阀 启动气泵 ADC开始工作 关闭气泵 ADC采集 是否检测到最大脉搏波 测量结束 是 是 否 图 3 5 测量模块流程图 3 3 3 信号处理模块 信号处理模块主要是将 ADC 采集的数据进行进一步处理 将电压信号转换为压 力信号 并根据最大脉搏波时的压力值 计算出舒张压和收缩压 另外根据脉搏波 的频率得出心率 计算处理后的结果保存 计算收缩压和舒张压是根据 ADC 采集的数据 找到脉搏波最大振幅 Amax 的那一 点的静态压力 往前找到幅值为 0 5Amax 的瞬态位置处 此位置所对应的血压直流 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 31 页 共 48 页 分量的值定为收缩压 往后找到幅值为 0 8Amax 的瞬态位置处 此位置所对应的血 压直流分量定为舒张压 如图 3 6 所示将计算出的收缩压和舒张压的值保存 供显示 程序输出到 LCD 液晶面板上显示 图 3 6 计算收缩压及舒张压 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 32 页 共 48 页 3 3 4 显示模块 显示模块的目标是将测量结果在 LCD 液晶面板上进行显示 HT45F3W 的液晶驱动 提供一段显存 RAM 只需把对应的点阵信息写到对应的 RAM 即可 驱动器就会自动产 生驱动波形 驱动液晶面板正常显示 extern unsigned char SEG 22 0 x180 定义显存区 void LCD init 初始化设置 unsigned char i lcdctrl 0 x47 type A 1 6 Duty 1 3 bias segcr 0 x00 vlcdc 0 x88 3 0v for i 0 i 401 cnt 0 time process 一秒时间处理 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 43 页 共 48 页 if key release key release 0 switch key val case 1 set mode set mode set count 1 if set mode 0 sw flash 0 min flash 0 hour flash 0 day flash 0 month flash 0 else sw flash 1 break case 2 if set mode switch set count case 1 if min 60 min 0 break case 2 if hour 24 hour 0 break case 3 if day 32 day 1 break case 4 if month 13 month 1 break default break else 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 44 页 共 48 页 abc 5 break case 3 if set mode switch set count case 1 if min 255 min 59 break case 2 if hour 2