便携式家用医疗血压计的设计说明书

- 1 -1 前言为了更好的预防高血压疾病，设计出适合大众使用的血压计成为迫切需求。尽管目前市场上血压计的测量方法很多，但依然存在缺陷。因此，设计出具有测量方便、可靠性高、价格便宜的血压计具有重要的意义和广泛市场。1.1 高血压情形与危害在现代疾病病谱上，高血压带来的危害无疑是高居前几位，高血压是世界最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一。据有关统计资料显示，我国现有的高血压患者已达一亿，并且每年新增加的高血压人数在 300 万以上。从高血压目前的危害来看，高血压疾病已成为人类的头号隐形杀手病。高血压病不但是长期危害人体健康的一种慢性病，而且它还是脑中风、心肌梗死、冠心病、肾衰、心力衰竭等疾病的祸首，因此被人们形象称为“无形杀手” 。因此，血压是一个非常重要的健康指标，如果人们能经常测量自己的血压，就能做到对自己的健康状况心里有数，早期发现问题，早期解决，就能取得较好的治疗效果。1.2 血压测量方法目前血压测量的方法很多，最常用的无创血压测量方法是柯氏音法和示波法。一般医院使用的水银血压计就是基于柯氏音法。专业医生使用听诊器听到动脉血管的不同声音，来判别收缩压与舒张压的值。但是，柯氏音法存在一些固有的缺点：首先是放气的快慢对读数有直接的影响，国际标准放气速度为 35mmHg，而不同的医生放气有快有慢，会影响测量的准确度；其次是此法凭人的视觉和听觉来判断，带有主观因素，除非是专业医生，一般人很难测出准确的血压。以前也出现了很多种柯氏音法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但是很快发现这类血压计未能克服柯氏音法的固有缺点，测量精度不高，重复性差，误差大，使用不方便。所以目前国外大多数无损自动血压自动检测仪器都是使用示波法原理来测量血压 1。在利用示波法进行测量时，其原理与柯氏音法类似，上臂动脉血流的阻断都是通过充气袖套来完成。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即为脉搏波。脉搏波消失出现在气袖压力远高于收缩压时，当匀速放气，袖套内的压力开始降低，开始显现脉搏。当袖套内的压力降到收缩压以下时，脉搏波的幅值就会增大，脉搏波的最大值出现在袖套压力的平均压。此后随着袖套压力下降，脉搏波幅值不断衰减。通过气袖内的压力与脉搏波振幅之间的联系来估计血压值，这就是示波法的血压测量。其中，脉搏波最大值对应于血压的平均压，- 2 -通过确定脉搏波最大幅值的比例来获得舒张压和收缩压 2。1.3 研究便携式家用医疗血压计的意义血压是指血液在血管内流动时对血管壁所施加的侧压力，是人体的重要生理参数，它反映心脏和血管的功能状况，在疾病诊断、治疗效果观察和进行预后判断等方面都有重要的意义。因此，为了方便人们测量出自己的血压，时刻关注自己的身体健康，这就需要有使用方便、操作简单、测量精确、体积轻巧便于携带的血压计。本课题研究是采用示波法的原理来设计一个便携式数字电子血压计，最终旨在设计出方便快捷、测量精度高的血压，保证每次测量结果完全透明，实时分析与回顾分析相结合，医生可以对照原始波形来判断数据的真伪，能够有效的甄别出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实的血压，从而保证血压报告的有效性和可靠性，其低成本、小型化、自动化程度高等优点，倍受人们青睐。- 3 -2 便携式血压计装置总体概述本章不仅介绍了便携式家用医疗血压计的基本知识和使用注意事项，而且阐述了血压测量原理以及血压计工作原理，同时说明了本课题的设计方案和要求，加强了对血压计的了解。2.1 便携式家用医疗血压计简介2.1.1 便携式家用医疗血压计介绍该产品不仅重量轻而且便携，可以轻松地放入医生护士口袋。该血压计不使用水银，增强环保性，避免了因水银泄露而造成的污染事故。同时操作简单易懂，是一台使用操作非常简单的仪器，真正的做到了老少皆会，它非常适合家庭使用。该血压计以 US9111 型压力传感器测得血压信号，经过信号放大电路测出血压信号的直流分量，确定出收缩压与舒张压的值；再经过滤波电路得出血压信号的交流分量，确定出收缩压与舒张压的位置。再将血压模拟信号通过 A/D 转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由控制核心单片机控制，经主程序处理数据之后，在液晶显示器 1602A 上把数据显示出来。2.1.2 便携式家用医疗血压计使用注意事项 2（1）袖带位置必须要与心脏的高度保持一致，肘和前臂自然地搭在桌子上，上臂自然下垂，手心朝上，整个胳膊不要平伸在高于心脏位置的桌子上，或用垫子把胳膊垫得过高，否则都会影响测量结果的准确性，得不出可靠性的血压值；（2）每天要在同样状态下和固定时间，并以相同的姿势测量血压；（3）血压测量应该在安静的状态下进行，血压测量前要安静休息 1020 分钟，深呼吸 23 次；（4）饭后或运动后，必须要休息一小时以上，再进行血压测量；（5）不要在浴后、饮酒、吸烟、喝咖啡后进行测量；（6）要在没有尿意时测血压，这样有益于提高血压测量的准确性；（7）测量时应保持心情舒畅、身体放松，没有疲劳感，不紧张；（8）不应使本产品受到强烈冲击。如碰撞、跌落等；（9）要避免在高温和直射阳光下存放；（10）长时间不用，应将电池取出。- 4 -2.2 便携式家用医疗血压计装置设计方案2.2.1 设计总体要求便携式电子血压计是微电脑技术和传感技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务：一是感应血流的压力；二是判别出高压和低压；三是在屏幕上显示出血压测量结果。感受血流压力离不了压力传感器，民用的便携式血压计中所用到的压力传感器必须满足高性能、低成本，灵敏度高，测量范围合适的要求，在各种传感器中有一类是人工合成的被称为 PVDF 的压电薄膜，它是柔软的塑料；还有一种就是利用压电效应的压阻式压力传感器，根据压力的变化转换成电压的变化。其次就是能根据血压变动，能及时抓住高、低压的微处理器，例如单片机。另外，血压值通过血压计的液晶显示屏进行显示。2.2.2 具体设计方案首先，我们对血压是如何产生的，应该有基本的了解。血液流动时对血管壁的造成的侧压力我们称为血压，它有收缩压与舒张压之分。当心脏收缩向动脉送血时，血压升高，其最高值我们称为收缩压；心脏舒张时，血压降低，其最低值我们称为舒张压。一般以上肢肪动脉测量出的血压值为代表，正常成年人收缩压范围在90140mmHg，舒张压范围在 6090mmHg。血压过高或过低都会是疾病的征兆。本设计采用示波法测量血压。首先，单片机 PWM 输出控制气泵充气至200mmHg 高，慢慢以每秒约下降（35）mmHg 的速度放气。在放气过程中，利用BP01 型压力传感器将用户的血压变换成电压信号，它是为监测血压而专门设计的。其转换过程为：心脏射血产生压力作用于臂带传感器内压力发生变化硅杯压阻器件阻值变化电压或电流输出。输出的信号，经过由 LM324 构成差动输入，单输出的放大电路，采样袖带内气压直流分量以便取得收缩压和舒张压，这种放大电路能够有效的抑制温漂，从而保证输出的稳定性。血压信号再经过由 LM324 组成滤波放大电路，采样袖带内气压交流分量，经分析计算后确定收缩压和舒张压的瞬态时间位置。这两种信号都得经过模数转换器 ADC0809 变换成数字量后，再送入AT89C51 单片机进行处理。通过软件将计算出的收缩压和舒张压结果输出至 LCD 1602A 显示。其设计方案框图如图 2.1 所示。- 5 -压力传感器信号处理电路单片机AT89C51 LCD 驱动气泵图 2.1 设计方案框图血压计的系统工作示意图如图 2.2 所示。否是否是接通电源键盘输入设置参数启动 A/D 转换转换结束否显示结果数据处理结束否结束图 2.2 系统工作示意图电源开启后，系统的默认参数若有必要修改，将由键盘输入对其进行设置。经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作。初始化完成之后，将启动 A/D 转换，等待直至 A/D 转换结束。然后将 A/D 转换结果送入单片机。待采样的时间达 1 秒钟后，分析数据结果，求出其最大值与最小值，将这些数据处理后的结果，即为收缩压和舒张压。将它们送往 LCD 液晶显示器进行显示。2.3 系统工作原理2.3.1 血压测量原理- 6 -血液每时每刻都受到心脏对其施加的压力，随着血液的流动，这个压力会传递到血管壁。当心室收缩，血液受到的压力达到最大值，叫做收缩压（高压） ，心室舒张，当血液流回心室时，血液受到的压力为最小值，叫做舒张压（低压） 。血压测量原理：给袖带冲气迫使测量部位的血流产生阻断，随着袖带中的气体不断排放，血液重新流动，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。血液重新流动时，血压值则根据血流声音及振动的变化来判定。本设计采用示波法（振荡法）来测量血压，袖带内的压力与血压相等时，血液开始可以流通而产生所谓的袖带声，这时也就是收缩压，必须开始从这里做记录，直到最后当袖带声没有的时候，此点即为舒张压。当袖带压力 P 远远高于收缩压时，没有出现脉搏波，当袖带压力不断下降，开始出现脉搏波。当袖带内压力下降，直到收缩压 Ps以下时，脉搏波幅度就会突然加大，在平均压 Pm 时，脉搏波幅值出现最大。随后脉搏波幅值随着袖带内的压力降低而不断的衰减。居于示波法的血压测量，是依据袖带压力与脉搏波之间的联系来计算血压的。脉搏波幅值最大值的位置对应的就是平均压，收缩压 Ps 与舒张压 Pd 确定，是按脉搏波最大幅值的一定比例来获得。其对应关系如图 2.3 所示。 3图 2.3 脉搏波的波幅与袖带内的压力对应关系利用示波法原理来确定收缩压与舒张压的方法比较多，主要分为两种：波形特征法和幅度系数法。波形特征法基本原理是利用脉搏波包络线的拐点来测量血压，上升时拐点对应的静压力为收缩压，下降时拐点对应的静压力为舒张压。这种方法测量精度不稳定，测量的个体适应性较差，逐渐被幅度系数法所替代。幅度系数法又称“归一法” 。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理,通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压 5。如图 2.4 所示。- 7 -图 2.4 归一化值曲线收缩压对应的脉搏波幅度为 As，平均压对应的脉搏波幅度为 Am，舒张压对应的脉搏波幅度为 Ad。As/Am 的值 C1 为收缩压的归一化值，Ad/Am 的值 C2 为舒张压的归一化值。取 C1 为 0.5，C2 为 0.8。血压信号以及收缩舒张压的位置如图 2.5 所示。图 2.5 血压交直流信号及收缩压与舒张压位置通过软件设计，找到 0.5Amax 和 0.8Amax 脉搏波幅度（血压交流分量）位置，与其所对应的静压力（血压直流分量）位置即为收缩压与舒张压，然后将计算出的收缩压和舒张压结果输出到液晶驱动器显示 7。2.3.2 血压计工作原理马达在充气时，袖带内部产生压力，US9111 型压力传感器将感应到的压力值，经过放大滤波电路后，经过 A/D 转换后，进入单片机。其中，一路 AD 采样袖带内- 8 -气压直流分量以便取得收缩压和舒张压；一路 AD 采样袖带内气压交流分量经分析计算后确定收缩压和舒张压的瞬态时间位置。单片机在程序的控制下，严格按照压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进运算，然后经 1602A 液晶显示模块进行显示。血压计的工作原理示意图如图 2.6 所示。单片机压力传感器放大电路滤波放大电路A/DA/D液晶显示按键启动加压泵臂带、人体信号源排气阀泵驱动电路阀门开关电路直流量交流量图 2.6 血压计的工作原理示意图- 9 -3 硬件电路设计在硬件电路设计部分，主要介绍了元器件的性能及用途，元器件之间的连接，并对信号的处理电路进行设计及分析，使其满足设计要求。一个好的硬件电路不仅能提高测量的精度，而且能很好的降低成本。因此做好硬件电路的设计很关键。3.1 US9111 型压力传感器US9111 系列压力传感器采用了硅微机械加工的固态传感器，采用 6 引脚双列直插式封装或 8 引脚（SO - 8 封装）或 6 针（苏- 6）表面贴装封装，在本设计采用 6脚（苏- 6）表面 贴装封装。2 脚接电源，4 脚接地；3 和 5 脚为电压输出端。实物图如图 3.1 所示。图 3.1 US9111 实物图本设计采用此压力传感器不仅满足测量精度的要求，而且价格便宜，具有很好的性价比。是对于要求低迟滞、高可靠性和稳定性应用的理想选择，其工作范围为0300mmHg。表 3.1 US9111 技术指标工作电压 5VDC 或 1.5mA满量程输出 705mV- 10 -零位输出 25mV非线性 0.3%F.S(典型值)重复性 0.05%F.S(典型值)工作温度范围 -40125满量程电压温度系数 -0.05%F.S/或-0.21%F.S/3.2 AT89C51 单片机的简介和电路设计3.2.1 AT89C51 简介AT89C51 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压 、高性能 CMOS 8 位单片机，AT89C51 片内含有 4K 字节可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 字节的随机存取数据存储器 RAM 。该器件是采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产制造，兼容工业标准的 MCS-51 指令系统，片内设置有通用 8 位中央处理器(CPU) 和 Flash 存储单元，是一种高效微控制器，其中 AT89C2051 是它的一种精简版本。具有强大功能的 AT89C51 单片机能应用许多高性价比的场合，可灵活、方便地应用于各种控制领域，如工业控制、家电行业、医疗行业都得到了广泛的运用。AT89C51 单片机的引脚如图 3.2 所示。图 3.2 AT89C51 单片机的引脚图3.2.2 主要性能参数（一）主要特性： 11（1）与 MCS-51 兼容； - 11 -（2）4K 字节可编程闪烁存储器； （3）寿命：1000 写/擦循环；（4）数据保留时间：10 年；（5）全静态工作：0Hz-24MHz；（6）三级程序存储器锁定；（7）1288 位内部 RAM；（8）32 可编程 I/O 线；（9）两个 16 位定时器/计数器；（10）5 个中断源； （11）可编程串行通道；（12）低功耗的闲置与掉电模式；（13）片内拥有振荡器与时钟电路；（二）管脚说明：（1）VCC （40 脚）：供电电压端，正常运行和编程校验时为+5V 电源。（2）GND（20 脚）：接地端。（3）P0 口 （3239 脚）：P0 口做为一个 8 位漏级开路双向并 I/O 端口，每个引脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写入“1”时，被定义为高阻输入。当 P0 口访问外部程序、数据存储器，它被定义为数据总线和地址总线的低八位复用；外部不扩展而单片运用时，则作双向 I/O 口用。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 口输出原码，此时 P0 口外部必须被拉高。（4）P1 口 （18 脚）：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向并行 I/O端口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。当 P1 口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，当 P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收口。（5）P2 口 （2128 脚）：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向并行 I/O 端口，P2 口缓冲器即可接收，也可输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写入“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。当 P2 口用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址和控制信号。（6）P3 口 （1017 脚）：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向并行 I/O端口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口被写入“1”后，其管脚被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL） ，这是由于内部上拉的缘故。- 12 -P3 口还为 AT89C51 单片机提供了特殊的第二功能，它的每一位均可独立定义为第一功能的 I/O 口或第二特殊功能，第二特殊功能具体含义为：P3.0（10 脚） RXD：为串行数据接收端。P3.1（11 脚） TXD：为串行数据发送端。P3.2（12 脚） /INT0：为外部中断 0 请求端，低电平有效。P3.3（13 脚） /INT1：为外部中断 1 请求端，低电平有效。P3.4（14 脚） T0：为定时器/计数器 0 外部事件计数输入端。P3.5（15 脚） T1：为定时器/计数器 1 外部事件计数输入端。P3.6（16 脚） /WR：为外部数据存储器写选通，低电平有效。P3.7（17 脚） /RD：为外部数据存储器读选通，低电平有效。P3 口有时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。（7）RST （9 脚）：RST 即 Reset（复位）信号输入端，当振荡器件工作时，由该引脚输入脉宽个以上机器周期的高电平时复位单片机。当外部在 RST 与 VCC之间接一个电容（约 10uF）和在 RST 与 GND 之间接一个电阻（约 8.2K）时，就可实现加电复位功能。V PD 为备用电源输入端，既当 VCC 掉电时，由此引脚提供备用电源，以保持内部 RAM 的信息。（8）ALE/PROG（30 脚）：ALE，允许地址锁存信号输出。当访问外部数据存储器时，ALE 信号的负跳变将 P0 口上的低 8 位地址送入锁存器。在非访问外部数据存储器间，ALE 仍以 1/6 振荡频率固定不变的速率输出，因而它能作外部时钟或定时信号用。当访问外部数据存储器时，将以 1/12 振荡频率输出。/PROG 为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行编程时，由此引脚输入编程脉冲。（9）/PSEN（29 脚）：访问外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在访问读取指令码时每个机器周期产生 2 次/PSEN 信号。在执行片内程序存储器取指令时，不产生/PSEN 信号；在访问外部数据存储器时，亦不产生/PSEN 信号。（10）/EA/VPP（31 脚）： /EA 为访问内部或外部程序存储器选择信号。当/EA 保持高电平时为访问内部程序存储器；当程序指针 PC 值超过片内程序存储器地址时，将自动转向外部程序存储器继续运行；当/EA 保持低电平时，则只能访问外部程序存储器。当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。（11）XTAL1 ：（19 脚）：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是反向振荡放大器的输入，以及内部时钟工作电路的输入端。- 13 -（12）XTAL2 ：（18 脚）：接外部晶振的另一个引脚。它是反向振荡器的输出输出端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。3.2.3 AT89C51 电路连接（1）复位时钟电路：在第 9 脚引出一个 10uF 的电容和一个 10K 的电阻，电容接+5V 的电源，电阻接地，组成一个复位电路 11。AT89C51 的+5V 电源由 40 脚引入，第 20 脚接地，第 18 脚和第 19 脚间由 12MHz 的晶振及两个 30PF 的无极性电路组成一个时钟振荡电路，其复位时钟电路如图 3.3 所示。图 3.3 AT89C51 复位电路原理图（2）外围连接电路：P0 口用于把数据输送到 1602A 液晶显示器，与 1602A 的8 位数据口连接，其中 P0.0 口输送最低位数据，P0.7 口输送最高位数据。P1 口与ADC0809 的 8 位二进制数据输出口连接，用于接收数字量血压信号，其中 P1 口的低三位同时用于 8 路模拟通道的选择。其它控制信号的连接见附录 D。3.3 LCD 显示电路3.3.1 液晶显示模块 1602A（1）1602A 简介液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等许多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。其具有两种显示格式：57点阵，510 点阵，这里介绍的 1602A 字符型液晶模块是一种用 57 点阵图形来显示字符的液晶显示器，液晶显示模块是在一块双面印刷线路板上，它的一面用导电橡胶将电路与液晶显示器连接，另一面装配所需要的驱动器和控制器以及驱动所需要的分压电路。根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等，这里以常用的 2 行 16 个字的 1602A 液晶显示模块来介绍它的功能和编程方法。162 点阵字符液晶模块是由点阵字符液晶显示器和专用的行、列驱动器，控制器及必要的连接件，结构件装配而成，可以显示数字和英文字符。每个点阵字符都- 14 -可以先是一个字符，点阵字符位之间有一个点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。这种点阵字符模块本身带有字符发生器，显示容量大，功能丰富。实物图片如图 3.4 所示。图 3.4 1602A 实物图（2）1602A 主要特性显示容量：162 个字符工作电压：4.5-5.5V工作电流：20mA模块最佳工作电压：5V提供各种控制命令，如：清除显示器、字符闪烁、光标闪烁、显示位移等多种功能。反视度（明暗对比度）可调整字符发生器 CGROM 有 160 个 57 点阵字型字符发生器 CGRAM 可由使用者自行定义 8 个 57 的点阵字型（3）1602A 引脚说明1602A 采用标准的 16 脚接口，引脚图如图 3.5 所示。图3.5 1602A引脚图- 15 -第1脚：GND为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源对比度最弱，接地电源对比度最高，对比度过高会产生“鬼影”，使用时可通过一个10K 的电位器来调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择引脚，选数据寄存器时，为高电平；选指令寄存器时，为低电平。第5脚：RW为读写信号线，高电平时用做读操作，低电平时用做写操作。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平转变为低电平时，液晶模块开始执行命令。第714脚：D0D7为8位数据端口。 第 15 脚：接背光源正极。 第 16 脚：接背光源负极。（4）指令表表 3.2 1602A 的指令表指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3置输入位置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *6置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7置字符发生存储器地址0 0 0 1 字符发生存储器地址（agc ）8置数据存储器地址 0 0 1 显示数据存储器地址（add）9读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址（ac）10写数到cgram或ddram1 0 要写的数11从cgram 或 ddram读数1 1 独处的数据它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。想要在 LCD1602A 屏幕的第一行第一列显示一个A字，就要向 DDRAM 的00H 地址写入“A”字的代码就行了。一行有 40 个地址，在 1602A 中我们仅用前- 16 -16 个地址，第二行也一样，用前 16 个地址。对应关系如表 3.3。表 3.3 DDRAM 地址与显示位置的对应关系3.3.2 LCD 电路连接图 3.5 为 LCD 的电路连接，LCD 的 8 位双向数据端口与单片机的 P0 口连接，接收数据与指令；V0 口接一个 10K 的电位器，用于液晶显示器对比度的调整；RS接/RD ，用于选择寄存器；R/W 接/RD，用于控制读写信号；E 端接 T1，控制 LCD是否工作。图 3.5 LCD 电路连接3.4 模数转换器 ADC08093.4.1 ADC0809 简介ADC0809 是常用的 8 位 A/D 转换器，属逐次逼近型。 ADC0809 由单一+5V 电位置 1 2 3 4 5 6 7 8第一行 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H第二行 40H 41H 42H 43H 44H 45H 46H 47H位置 9 10 11 12 13 14 15 16第一行 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH第二行 48H 49H 4AH 4BH 4CH 4DH 4EH 4FH- 17 -源供电，它由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成，多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换，完成一次转换约需 100us。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。可直接与 MCS-51 系列单片机数据总线相接，通过适当的外接电路，还可对05V 的双极模拟信号进行 A/D 转换 14。ADC0809 内部的逻辑结构如图 3.6 所示。8路模拟量开关8 路A/D转换器三态输出锁存器IN0+IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7AALECB VREF(-)VREF(+)OEEOCD3D2D1D0D5D7D6D4地址锁存与译码器图 3.6 ADC0809 内部逻辑结构（1）主要特性 14分辨率为 8 位；总的不可调误差为1/2LSB 或1LSB ；转换时间为 100us；无零点和满刻度调整；单一+5V 供电，模拟输入电压为 0+5V，5V，10V ；8 路通道转换，带锁存控制逻辑；具有所存的三态输出，输出与 TTL 兼容；功耗为 15mW。（2）引脚说明ADC0809A/D 转换器由 28 个引脚组成，其引脚图如图 3.7 所示。CLKST- 18 -图 3.7 ADC0809 引脚图各引脚的功能含义如下：D0D7：8 位二进制数字量输出端口。IN0IN7：8 路模拟量开关输入端口。Vcc：+5V 工作电压源。GND：接地端。VREF（+ ） 、V REF（- ） ：参考电压（ +） 、 （-）连接端。START：启动 A/D 转换信号输入端口，高电平有效。ALE：地址锁存允许信号输入端口，ALE 的下降沿将地址打入锁存器。EOC：A/D 转换结束信号输出端口，开始转换时为低电平，一旦转换结束后输出高电平。OE：完成转换后数字量输出允许控制信号输入端口，高电平有效，用以打开三态数据锁存器的输出。CLK：为时钟脉冲信号输入端口。A、B、C 、：地址输入端，用 3 位二进制数编码组成 3:8 译码输出，选通 8 路模拟量开关，实现 IN0IN7 的 8 路选 1。3.4.2 ADC0809 的应用- 19 -在本设计中，选用 0 通道和 1 通道分别作为血压直流量与交流量的模拟转换通道，其对应的 A、B、C 、地址为 0、0、0 和 0、0、1；进行 A/D 转换时，采用查询EOC 的标志信号来检测 A/D 转换是否完毕，若完毕则把数据通过 P1 口读入单片机。通过执行 ST0，ST 1，ST0 产生启动转换的正脉冲信号；其编程思路为：（1）向 AD0809 写入通道号并启动转换；（2）查询 EOC 是否出现高电平；（3）给 OE 置高并读入转换数据存入数据地址或数组中。3.5 偏置电源电路3.5.1 双运放 LM10 简介LM10 是美国 NS 公司生产的一种带基准电源的高性能运算放大器，是一种特殊运算放大器。它除了有一个独立的高质量的运算放大器外，在同一芯片上还有一个精密基准电压源及辅助放大器，基准电压源为 0.2V。它的特点是，既可以单电源、低电压（1.1V）条件下工作，也可以在20V 较宽的双电压条件下工作。低电压型的 LM10XL 系列，其最高工作电压为 7V，它的耗电量仅为 0.27mA，非常适合单电源供电。LM10 内部运放有较高的输出驱动能力，内部的基准电压源具有良好的稳定性，它的温度漂移仅有 0.002%/。LM10 双运放由 8 个引脚构成，其引脚图如图 3.8 所示。图 3.8 LM10 引脚图内部结构如图 3.9 所示。- 20 -图 3.9 LM10 内部结构Vn（1 脚）：辅助放大器输出端；IN-（2 脚）：运算放大器反向输入端；IN+（3 脚）：运算放大器同向输入端；V-（ 4 脚）：电源负端；BAL（5 脚）：失调电压调整端；V0（6 脚）：运算放大器输出端：V+（7）：电源正端；Vf（ 8 脚）：辅助放大器反向输入端。1 脚和 8 脚的外接电阻可以改变缓冲器的增益，以获得所需基准电压值输出。3.5.2 电源电路偏置电源电路由带有内置参考电压的双运放 LM10 组成，其中 A1 构成同相放大器，A2 构成跟随器，它们的作用是将内置参考电压放大后用作压力传感器US9111 的偏置电压 Vs，其 Vs 值下公式决定：Vs=Vref（1+R1/R2）式中：Vref 是 LM10 运放的内置参考电压，其值为 200mV。将电路中的 R1 和R2 的值带入上式中，可求得偏置电压 Vs 为 5V。其构成的电源电路如图 3.10 所示。- 21 -图 3.10 电源电路3.6 信号放大电路LM324 是带有真差动输入的四运算放大器，在这里，信号放大电路采用 LM324构成差动输入，单输出的放大电路，这种放大电路能够有效的抑制温漂，从而保证输出的稳定性。3.6.1 LM324 简介LM324 系列运算放大器是价格便宜的带有差动输入功能的四运算放大器。LM324 内部含有四个运算放大器，采用 14 脚双列直插塑料封装。有相位补偿电路，电路功耗很小，LM324 工作电压范围宽，电压范围是 3.0V-32V 或正负双电源15V15V 工作，它的输入电压可低到地电位。内部的运算放大器完全相同，除电源共用外，四组运算放大器相互单独。LM324 有有 5 个引出脚，其中“V+”、“V-”分别为正负电源端；“+ ”为同相信号输入端，“-”为反相信号输入端；Vo”作为输出端。 17 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，可单电源使用，静态功耗小，价格低廉等特点，因此他被非常广泛运用于各种电路中，如传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合等。其管脚图如图 3.11 所示。- 22 -图 3.11 LM324 管脚图LM324 主要特点 （1）具有内部频率补偿；（2）电压增益高(约 100dB)； （3）单位增益频带宽(约 1MHz)； （4）电源电压范围宽：单电源(332V)：双电源 (1.516V)；（5）低功耗电流，可用电池供电； （6）低输入偏流； （7）低输入失调电压和失调电流； （8）共模输入的电压范围宽，包括接地； （9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围； （10）输出电压摆幅大(0 至 VCC-1.5V)。3.6.2 放大电路由 LM324 构成的放大电路如图 3.12 所示。- 23 -图 3.12 放大电路图从图中可以看出 A3、A4 两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器 A5串联组成三运放差分放大电路。电阻在电路中保持严格对称，具有以下优点：A1 和 A2 提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比；在保证有关电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比 KCMRR 没有影响；电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近零。因为电路中 R5=R7、R8=R9、R10=R11 ，可导出两级差模总增益为： 810652RAvd带入数值得两级差模总增益约为 60 倍。由前面介绍的压力传感器可知，US9111 压力传感器的满量程输出与偏置电压有一定的关系，当 5V 偏置时，在 200mmHg 压力下的输出为 50mV，在 300mmHg 压力下，压力传感器输出电压为 75mV。而在血压- 24 -测量中，袖带内压力一般不会超过 300mmHg，而 A/D 转换的模拟输入电压可为05V。因此，总增益为 60 倍满足量程要求。首先确定 R6，通常在 1K10K 内，这里取 R61K，则可由上式求得R5=59/2=29.5K，取标称值 30K。取 R8=R9=R10=R11=10K，要求匹配性好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在 10K几百 K 间选择。通常 RS1 和 RS2 不要超过 R6/2，这里选 RS1 RS2510，用于保护运放输入级。3.7 滤波放大电路从压力传感器出来的信号是静压信号和脉搏信号的混合，同时夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。前置放大电路对脉搏震荡信号的放大有限，主要是静压信号的放大。因次，在滤掉直流成分和高频噪音时，还应对交流信号进行放大。滤波放大电路仍然由 LM324 构成，其电路图如图 3.13 所示。图 3.13 滤波放大电路如图 2.14 所示，滤波放大电路由两个决定截止频率的 RC 网络组成。这两个截止频率的计算公式如下：， 121CRf212CRf考虑低血压患者的血压和心率比正常人都要低，又要保证滤除干扰分量，在这里设定脉搏波频率为 0.55Hz，则取 R1=1M，C1=0.33 ，R2= 1K，C2=33F- 25 -。所以，此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号，还对微弱的脉搏信号进行放大。F脉搏信号的强度虽然因人而异，但是一般都在 13mmHg，根据压力传感器 BP01 的传递函数，这个压力了转换的电信号为 0.250.75mV，在前置放大电路中，其电信号放大了 60 倍，为 1545mV，将滤波放大电路的放大倍数设定为 100，使得信号的变化范围为 1.54.5V，为 A/D 转换灵敏度较高的区域，可以提高数据的采集精度。3.8 充放气电路3.8.1 充气 PUMP 控制电路PUMP control 讯号控制 PUMP 动作，R7 为限流电阻。充气控制电路具体工作方式：首先由单片机 28 脚输出一个低电平约（0.6V ）信号给 R7，经 Q1 导通，同时为 Q1 提供 5V 的电压，Q1 导通输出一个约为 5.2V 的电压经 PUMP，使 PUMP 导通。D1 为稳压二极管，起保护作用，使 PUMP 能稳定工作 21。其电路图如图 3.14 所示。图 3.14 充气控制电路3.8.2 放气电路以 PWM（Pulse Width Modulation 脉宽调变）方式来控制泄气速率，MCU 将依据压力值之泄气变化调整泄气速率在规格范围内。C6 与 C7 做为稳定电源与滤波作用，减少 PWM 控制时，出现电源变动造成的电压不稳。具体工作方式：当充气到200mmHg 时，开始漏气，由单片机发出一个信号给第 27 脚，经 R8 限流电阻后，流过到 Q2，使 Q2 导通，输出一个大约 2.7V 的电压给 V1，使 V1 开始工作，D2 稳- 26 -压二极管的作用是保护 Q2 和 V1 的正常工作，放气电路图如图 3.14 所示。 21图 3.14 放气电路图4 软件设计- 27 -软件部分是整个系统有效工作的核心，系统只有软件和硬件有效配合，才能正常工作。本仪器控制软件使用 C 语言编写，采用模块化结构。主要包括：处理模块、测量模块、信号处理模块、显示模块。主程序流程图如图 4.1 所示。NNYY开始系统初始化是否按下血压测量启动键记录血压数据充气是否到定值计算出收缩压和舒张压显示结束图 4.1 主程序流程图4.1 初始化对 AT89C51 单片机中的寄存器、中断、变量进行初始化，输入输出端口的初始化；LCD 的初始化。4.2 按键输入未按键时，键盘输入端口为大电阻上拉状态；有按键时，低电平脉冲通过此端口输入，开始血压测量。判断端口状态，连续读到 2 次低电平，说明按键有效，这能有效的消除按键抖动。4.3 气泵充气判断按键是否有效后，气泵开始对臂带充气。停止充气必须同时满足两个条件：一是 ADC 通道 0 测出的血压直流分量大于 4V；二是 ADC 通道 1 测出的血压交流分量为 1.5 4.5 V 之间。如果满足，则表示气压已足够，开始放气。此时气压大于200mmHg。4.4 测量血压- 28 -脉冲的峰峰值，通过 ADC 信道 1 采样血压交流分量测出，在这个脉冲时间段内，计算出 ADC 信道 0 测到的血压直流分量的平均值。把峰峰值和直流平均值作为一对数据记录起来，每个心跳脉冲都会对应一对数据。4. 5 计算收缩压和舒张压单次测量结束的标志是当 ADC 信道 0 测到的血压直流分量小于 0.5V，此时气压小于 50mmHg。通过记录下来的若干峰峰值，找出峰峰值最大的值 Amax，其中与 0.5Amax 对应的血压直流分量即为收缩压，与 0.8Amax 对应的血压直流分量即为舒张压。最后将计算出的收缩压与舒张压输出至 LCD。血压计算流程图如图 4.2 所示。YY计算血压峰值序列的最大值计算收缩压计算舒张压记录收缩压舒张压是否找到？收缩压是否找到？结束开始记录舒张压NN图 4.2 血压计算流程图- 29 -5 结 论随着生活水平和城市老龄化比例的不断上升，家庭化、智能化的医疗电子设备逐渐成为趋势。本文给出便携式家用医疗血压计具有三大有点：（1）体积小，便于携带；点阵显示，可方便显示文字；（2）采用 Flash 存储血压数据，可以长期记录用户血压变化情况，有利于掌握病人的病情，进而作出更加合理的治疗方案。 （3）成本低，使用寿命长，非常适合家庭使用，具有比较广泛的市场。通过一系列的分析、研究和改进，设计的系统较好的达到我们测试的要求，测量快速、便捷、结果误差小。在血压测量的过程中，被测者应该做到保持身体不动，否则，可能由于被测者的动作形成一个假脉冲信号，同时可能改变 CP 信号，影响测量结果。但仍存在一些问题，袖套内空气体积与所测血管体积之比，对平均压测量精度有较大影响，另外，脉搏波的波形及幅度受到动脉弹性、心率、袖套顺应性、压力与组织的拐合情况等因素影响，这样，根据单一固定的经验判据来确诊多人的血压，产生误差会较大。因此如何综合考虑各个影响因素，更好地判断出血压值，仍是一个有待解决的重要问题。由于本人能力有限，在设计方面存在不少的缺陷，有待提高和改进。同时，由于成本的限制，采用的芯片并不是最新版本，系统计算速度上不如同类产品，精度也比上最新的同类产品；能源消耗量还没有完全优化。如果采用成本