电子血压计的设计

数字电子技术课程设计报告（论文）题目电子血压计的设计院系电气工程学院专业电子信息班级姓名学号引言现代人患心血管疾病呈现低龄化趋势，血压是最重要的健康指标，如果能经常测量自己的血压，就做到对自己的健康情况心理有数，早期发现问题，就能得到较好的治疗效果。一般医院使用的水银血压计，是基于柯氏法，专业医生可以用听诊器听到动脉血管的不同声音，来判断收缩压和舒张压的值。但科氏法存在一些固有的缺点一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。以前也出现了多种科氏法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但很快发现这类血压计未能克服柯氏法的固有缺点，误差大，重复性差。血压作为人体最为重要的生命参数，对其精确测量，在临床医学特别是危重病人及全麻病人的监护具有重要意义。心脏的泵血功能，血管血压是反映的阻力和全身血容量的重要指标。因此，血压的检测在临床和保健工作中是十分重要的。我们设计的电子血压计也采用示波法，采用MOTOROLA公司微控制器MCS51芯片及MPX53压力传感器，MCS51芯片是一块大规模专用集成电路，内含采样放大、限幅器、锁存器、比较器、控制器、存贮器、时基电路、译码器等单元电路，压力传感器直接装在印制版上。此设计操作简单，无需听诊器，血压心率测量一次完成，大屏液晶显示，低耗电设计，体积小重量轻，携带方便。1系统指标及工作原理11技术指标及功能111根据示波法的测量原理，并分析了市场上现有的血压计的功能,我们的电子血压计的设计指标是1、测量原理示波法2、显示范围0299MMHG0397KPA,299MMHG以上显示“HI”3、测量范围40270MMHG5436KPA脉率40200次/分4、分辩率1MMHG01KPA5、放气速率2360MMHG/S0308KPA/S6、静态压力基本误差3MMHG7、动态压力基本误差58MMHG8、脉率误差59、低电压显示当电池电压低于4002V时，显示低电压符号10、记忆功能能显示前次测量值。11、自动关机5MIN112主要功能1、有三个控制按钮，分别是开/关，起动和存储功能。2、具有零设定功能。3、设有“校准”状态，同时按下存储和开/关按钮（直到出现R符号后松手），进入“校准”状态，显示压力值和漏气速率，这个功能主要用于生产调试及检验。4、控制板适用于“自动充气”和“手动充气”的电子血压计。5、液晶全屏显示。6、开机启动，先自检，自检时全部液晶闪烁显示自检后，蜂鸣器发出“哗”一声响，液晶显示归零信息，提示用户可以充气测量。7、充气压力在150270（20KPA36KPA）之间，每次递增30MMHG,共分9档，根据用户的具体情况，通过手动设置或机器自动设置。8、加压充气的过程中，液晶显示袖带内渐增的气压值。9、压力达到起始设定值既停止充气，然后显示放气速率和袖带压力。10、当检测到脉搏信号时，“心”形符号开始闪烁显示。11、测量结束，蜂鸣器发“哗”一段响声，液晶自动地以MMHG和KPA两种单位交替显示所测的收缩压和舒张压，同时交替显示测出的心率（次/分），直到有按键重新测量或关机。12、错误警告（1）在尚未检测到测量结果时，袖带压力已经低于20MMHG，此种情形可能发生于测量时袖带接头突然脱落。（2）测量血压时，若血压计已检测到脉搏，此时手臂或身体若晃动，则血压计无法检测到测量值。13、记忆功能，按下记忆键可显示上次测量值。14、按电源开/关键，袖带内的残余空气排空。113电源控制由于采用4节5号电池供电，所以降低功耗，延长电池寿显得特别重要。我在电源的开关上采取了一些比较特殊的控制，开机时通过按键达到上电，并由PA0输出高电平保持电源芯片的正常工作状态。再次按开/关键，使PA0输出低电平，关闭电源芯片的输出。12示波法测量血压的工作原理示波法是根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大时，气袖的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。收缩压判据的确定通常采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度UI与最大幅度UM之比KS时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。PSP|UIKSUM舒张压判据的确定也是用最大振幅法来判定，不过是在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度UI与UM之比KD时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。PDP|UIKDUM根据上海医用仪表厂多年的研究成果，我们取KS058,KD077。2系统硬件设计仪器的硬件是构成整机的基础。为了才缩小仪器的体积和降低功耗，必须尽可能使接口多功能化，努力压缩硬件开销。21仪器硬件部分必须实现的重要功能211使用MCS51系列芯片的功能如下1、10位A/D采样，用于静态压力及脉搏波的测量；2、LCD显示控制器，直接驱动144段的液晶显示器，显示测量的过程及结果；3、WATCHDOG自动恢复功能，防止可能的干扰导致程序出错；4、定时器功能，用于漏气速率的计算几自动关机时间的判断；5、串行通信用于和PC机的通信，设定初始值；6、FLASH的读写用于保存当前的测量值，显示以前的测量值。212采用数字信号处理的技术对A/D采样的信号进行处理，主要有数字低通滤波和相关的计算。213电源开采用硬件控制的方法，电源关采用软件控制的方法，关机时出了稳压模块外，其它芯片处于断电状态，功耗极低。214采用了MOTOROLA的MPX53压力传感器。215功能强大，实用性强测量时可以选择MMHG和KPA作为主显示方式，测量精度高，达到静态1MMHG,动态3MMHG的测量精度，由于采用FLASH作为存储媒介，数据的保存是间很长，性能比市场上的通类产品高很多，因此，具有广阔的市场前景。22硬件框图图21硬件框图说明1、以MCS51为控制芯片，直接驱动144段液晶显示器。2、使用片内10位A/D转换器使测量精度的理论值可以达到1/1024。3、脉搏波和静态压力分两路A/D输入，其中脉搏波是静态压力值（实际上是静态压力值与脉搏波的叠加）经隔直放大得到。4、电源开采用硬件方式，关采用软件控制方式。5、低电压检测模块，当电压低于40V时报警。6、采用MOTOROLA的MPX53作为压力传感器，用来测量脉搏波的振幅及静态压力值。7、串行口与PC机通信，设定血压计的工作参数。23电子血压计系统原理图图22复位电路图23LCD驱动电路图22为单片机复位端，用于单片机复位。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失；当VCC掉到低于规定水平，而VPD在其规定的电压范围505V内，VDP向内部RAM提供备用电源。图23接液晶显示器LCD输入端。LCD有静态和动态两种驱动方式，前者在公共端加直流信号，后者则加交流信号。本设计采用动态驱动方式。其中，所加的交变方波信号由多谐振荡器提供。图24电源电路在图24中三级管作为整个电路的核心器件，担负着放大的作用。本图采用共发射极接法，为保证三级管工作在放大区，发射结必须正向运用，集电结必须反向运用。图25滤波电路图26前置放大电路通过压力传感器获得的血压信号经过图26的前置放大器逐级放大和低通滤波器逐级滤波，以求把工频干扰和其它信号干扰减少到最低的限度。图27蜂鸣电路图28振荡电路图28为振荡电路。8051内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送人内部时钟发生器。外接晶振时，CC1和CC2对频率有微调作用,振荡频率范围为12至12MHZ。为了减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定可靠地工作,谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。对于CHMOS型80C51单片机，因内部时钟发生器的信号取自反相放大器的输入端，故采用外部振荡器时，接线方式为外部脉冲信号接至XTAL1，XTAL2悬空。图29按键电路该电路中设计了四个触摸按件，键值分别由引脚P30P33读入单片机，并在软件中进行键盘去抖动处理。软件流程（测量子程序）图31子程序流程图32模块结构说明主程序依此调用5个模块及一个串行通信接口321键盘处理模块判断键盘的当前状态（开/关电源、起动/停止测量、校准状态、记忆状态）执行相应的操作。322测量模块测量信号为二路，MOTOROLAMPX53压力传感器的信号经放大送AD1，作为静态血压信号；隔直后经再次放大送AD2，作为脉搏波信号。由于MCS51系列芯片的AD为10位，因此最高精度可达1/1024。采样后的信号经信号处理模块的处理，最终计算得到收缩压、舒张压和心率。323信号处理模块主要功能是脉搏波的判断和检测，主要分两步第一步，对A/D采样的脉搏波信号进行低通滤波处理，排除因外界干扰造成的信号读数的误差；第二步，采用相关运算，最大程度地排除因手臂的运动造成的误差。在这基础上，分析信号，得到波形的峰峰值（供判断断收缩压，舒张压和平均压），得到每个脉搏波的时间（供心率的计算）324电源处理模块用于稳压模块的控制，按开/关键时，稳压模块的控制端为高电平，稳压模块处于正常输出状态，MCS51系列芯片上电复位，立刻对PA0置高电平，维持稳压模块的的正常输出状态，此时，血压计处于“开”状态；再此按开/关键，置PA0低电平，关闭稳压模块的输出，处于断电的“关”状态。此外，如果3分钟没有操作，就置PA0为低电平，自动关机。4使用方法我们设计的电子血压计，采用的是MOTOLORA微控制器MCS51系列芯片以及MPX53压力传感器，操作简单，显示清晰无需听诊器，血压心率测量一次完成，超大屏液晶显示，方便老人，美观便携，低耗电设计双弧流线型机体，体积小重量轻，方便携带，因此，广泛应用于家庭中。家用电子血压计以其方便、快速、准确、保健作用等优点受到普通百姓家庭的欢迎,但是有些家庭在使用电子血压计中也出现了一些问题,如测量出的血压值每次都有所不同,在家中测量的血压值和医生测量的血压值有时不同等等，究其原因,有以下三个方面一是电子血压计本身的质量问题有些电子血压计质量比较差,所以消费者在选购血压计时应注意其质量与精度,应查看是否有国家及省级技术监督部门颁发的有关证书。目前市场上出售的血压计品种很多,其中日精牌、西铁城是日本原装机,其质量和精度较高欧姆龙和松下是组装或合资生产,质量也较好。二是血压计使用中的问题消费者应选择一个安静、温度适当的环境且充分休息1020分钟后再测量，最好在早晨起床后无尿意时或长时间睡眠休息后测。测量时应注意姿势,正确姿势应该是卧势或坐势,身体正直放松,手掌向上水平,测量部位与心脏水平，因为运动、吃饭、吸烟、饮酒都会引起血压变化,所以测量前应尽量避免测量中应避免紧张,不要移动手臂,更不要与人交谈，测量血压时,每两次测量间,应间隔几分钟,让血管恢复正常,利于测量准确。三是对测量结果的判断在医生面前测量血压一般会有一些紧张而易引起血压略有升高,其变化因人而异,一般在3050MMHG之间，对待各个测量结果时,不要以每次或高或低的血压值随意判断,重要的是应纵观自己的血压变化趋势,是稳定还是逐渐升高或降低,了解了这个趋势,才能达到保障健康、预防疾病的目的。5使用注意事项电子血压计和适用人群的选择电子血压计有两种手臂式和手腕式。手腕式电子血压计不适合患有末梢循环障碍的人群，因为患有末梢循环障碍的病人手腕血压与上臂血压的测量值会相差很大。糖尿病、高血压、高血脂和老年患者都会有不同程度的末梢循环障碍,不宜选用手腕式电子血压计，故手臂式血压计比较常用。由于电子血压计采用的原理和水银血压计采用的原理不同,它也不适合下例人群使用1过度肥胖者；2心率失常的病人；3脉搏极弱,严重呼吸困难和低体温病人；4连接人工心肺机的病人；5心率低于40次/分和高于240次/分的病人；6测压期间血压急剧变化的病人；7帕金森氏症患者。目前市场上还有指套式血压计和手表式血压计,严格的讲只能称其为指端脉搏压力计，因为其测量方式决定其所测得的“血压“仅仅是指端脉搏压力值,与真实的动脉血压值之间存在较大的差距，不能作为血压计使用。结束语经过将近两周的努力，终于完成了这次课程设计，我的学习能力和解决问题的信心都得到了极大的提高。弥补了平时动手能力的不足，课程设计是对理论进行深化和重新认识的实践活动，在设计中，遇到了很多困难，但是在查阅了很多有关书籍和向相关老师请教后终于解决了。通过这次设计，我不仅对理论知识有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的是增强了克服困难的勇气和信心。最后，在这次课程设计中，我们对学习和生活又有了新的认识，在每次遇到困难时，我们总是在鼓励自己，通过请教老师和查阅资料，最终排除了问题，同时我们也深深地认识到任何成功的取得都不是一蹴而就的，我们一定要以这次经历作为新的起点，做好以后的每项工作。同时借此机会，向在这次设计中付出辛勤劳动的指导老师说声谢谢参考文献1康华光电子技术基础（第四版）北京高等教育出版社，19982电子制作第2004年合定本3电子线路设计指导北京航空航天大学出版社主编李银华4王鹏巨，杨原茂，田孝文，周山宏，用示波法实现动脉血压的自动检测。5刘晓风，测