基于STC89C52的电子血压计设计 分析

1、基于STC89C52的电子血压计设计 摘 要本文论述了主要由STC89C52单片机，MPS40-GSF传感器及LCD1602显示电路等构成的基于STC89C52的电子血压计的设计。本设计采用5V电源供电，按下开始测量开关后，单片机控制鼓风电机充气袋进行，电磁阀门进行放气，并在从充气到放气过程之中，由可充气式绑带中的压力传感器作为测量血压的工具，完成高压和低压以及脉搏周期跳动的测量。随后按照程序进行计算，并由MPS40-GSF血压传感器测得血液压力和动脉的搏动信号，并进行一系列处理与计算，将经过处理的信号输入STC89C52中进行控制，并最终在1602液晶显示器上加以显示。关键词：单片机；传感器

2、；液晶显示器；血压计目 录一、绪论1（一）选题意义1（二）国内外发展现状分析1（三）本文的研究内容与文章结构2二、电子血压计的测量原理及设计方案的确定3（一）电子血压计的测量原理31、血压的形成及血压测量的工作原理32、电子血压计的工作原理3（二）控制方式的选择31、控制芯片的选择32、传感器的选择43、显示器的选择4三、硬件电路的设计6（一）系统的功能分析及其体系的结构设计61、系统的功能分析62、系统总结构6（二）模块电路的设计71、MPS40-GSF传感器72、STC89C52单片机的简介及电路设计83、液晶显示电路的设计104、电源电路115、泄气电磁阀门的控制电路126、充气泵控制电

3、路137、按键电路138、峰鸣器报警电路149、LED信号指示灯电路14四、系统软件设计16（一）编程语言的选择16（二）系统工作主流程图16（三）血压检测流程图17五、系统的焊接与调试19（一）硬件电路焊接19（二）系统调试191、系统程序调试192、硬件测试20总结1致谢2参考文献3 3一、绪论（一）选题意义当前世界的发展不断加快，经济的增长率更是逐年提升，人们日常生活的平均水平有明显的提升，导致生活的方式和习惯也发生了改变，由此引发了一系列问题，给人们健康带来了重大威胁。近年来，心血管方面的病症尤为常见，其中高血压由其发病的概率高，患病年龄广，影响程度大等特点位居心血管方面疾病的前列，使

4、患者饱受疾病的摧残。血压的高低在日常生活中又很难被人们所察觉到，所以导致其有极高的患病率而患者的得病知情率低，从而错失了最好治疗的机会，导致病变进一步的加剧，更不用说预防了。因此，设计一款可以方便，快捷且准确的测量血压的装置对人们至关重要，其使人们可以随时的测量和监测自身血压，为高血压的预防和治疗提供了重要参考数据，为人们的身体健康带来保障1。（二）国内外发展现状分析当前电子血压计主要使用示波法原理生产制造，而此类血压计又分为臂式和腕式3。由示波法原理生产制造的血压计的发展大体经历了三代4：第一代电子血压计，由于受限于当时的技术，构成模块简单，其包括加压气泵，压力传感器和两个不同的排气阀门，特

5、意使用两个排气阀门，目的在于加快其放气的速度，使排放气的时间减少，并在放气时测量血压。其测量特点为加压和放气的速度快。第二代电子式血压计是在上一代的基础上做了升级与更新，其主要的变动为去除了机械放气阀门，由电磁排气阀门来代替，使其能够真正的定速排气且可以智能加压，大大提高了测量结果的稳定性。第三代电子血压计是在前二代的基础上的进一步的升级与优化，运用了与前两代截然不同的测量方法，即在加压的进程中完成对血压的测量。其测量的主要特点为可以快速放气，并对加压的速度可以进行控制，在此过程中完成血压的测量。目前由于第一代电子血压计测量误差大且控制比较粗糙已在被淘汰的边缘，第三代电子血压计采用MWI技术，

6、技术的难度较大，掌握此项技术的公司少，所以目前国内外主流的都为第二代电子血压计。（三）本文的研究内容与文章结构第一章主要介绍了血压计的分类及发展状况；第二章主要说明了血压计的测量原理与设计方案的确定；第三章主要介绍了硬件的电路设计与组成；第四章主要介绍了软件的设计；第五章主要介绍系统的调试。二、电子血压计的测量原理及设计方案的确定（一）电子血压计的测量原理1、血压的形成及血压测量的工作原理血液压力的形成是在足够循环的血液量的基础上，心脏在收缩的期间射血，血液就会对血管的侧壁产生压力（即为收缩压）。具有弹性的动脉，将压力转化为能量进行储存，在心脏舒张期间又释放此能量，驱动血液的流动，从而维持了血

7、液对血管侧壁的压力（即为舒张压）9。由于人体上肢距心脏距离较近，所以测量后臂处的血压可以近似为人体血压。电子式血压计测量的数据即为收缩压和舒张压，简称为高压和低压10。测量是通过向可充气式绑带充气，当其上的压力达到一定的压力值后，在可充气式绑带缓慢排气的过程中，当血液开始流动时，可充气式绑带上的压力与血压值可视为等同。此时即为收缩压，当袖带中的气体放完没有压力时，此时测得血压为舒张压11。一般运用最大振幅法来确定收缩压与舒张压，即分别在动脉搏动的振动幅度包络线的上升和下降过程，若其振动波的图形的振幅和最大振幅值的比例小于等于Kd时，即分别对应着高压和低压。收缩压表示公式为：（公式1-1）舒张压

8、表示公式为：（公式1-2）先测出振幅的最大值，振幅最大值的一半所对应的值即近似收缩压。振幅最大值的五分之四倍处所对应的值即近似舒张压。最后算出的值即为所测的血压。2、电子血压计的工作原理本设计采用5V电源供电，按下开始测量开关后，单片机控制鼓风电机充气袋进行，电磁阀门进行放气，并在从充气到放气过程之中，由可充气式绑带作为测量血压的工具，完成高压和低压以及脉搏周期跳动的测量，并由MPS40-GSF血压传感器测得血液压力和动脉的搏动信号，并进行一系列处理，将经过处理的信号输入STC89C52中进行控制，并最终在1602液晶显示器上加以显示。（二）控制方式的选择1、控制芯片的选择方案一：MSP430

9、单片机芯片，其内部集成度极高，除了集成有最基本的CPU外，还集成有多种功能不同的模拟、数字电路，因此应用范围极广。且因其性能稳定优越，安全度高，很适合用来作为血压计的控制芯片。但由于此单片机的价格偏高，遂不予考虑。方案二：Atmega16单片机芯片，其作为一款优越的控制处理器，除了单片机通用的标准性能外，此单片机独有的优势为其运行速度极快，最快为16M，且其肋部集成有A/D转换模块，不用再外接A/D转换器就可以对信号进行处理，检测与控制。但最总还是因其价格高，遂不予考虑。方案三：STC89C52单片机芯片，其性能虽没有MSP430单片机芯片优越，但因其损耗低，且有大量的接口可供使用，再加上其价

10、格较低廉，综合考虑后选定此单片机。综合比较，选择方案三。2、传感器的选择传感器为可以将所测得的信息经过处理后，最总以其合适的形式输出的检测装置，所以其在现今运用极广。本设计所用的传感器为物理类中的压敏传感器，用来采集血压脉搏信号并对其进行处理转换，此类传感器的型号众多，基于各种因素，对以下几种传感器进行比较与选择。方案一：OMRON电容式压力传感器CP10，其可测量介质与测量温度范围都为根据人体特征进行设定，因其设计的理念，此款传感器为电子血压计专用OMRON电容式传感器，但因其成本问题，遂决定淘汰。方案二：MPS40-GSF压力传感器为固态，运用MEMS技术，可靠性高价格低廉，且可测量的介质

11、受限程度小，适合使用的温度范围宽，比较适合用作血压计的传感器电路的设计。方案三：电容式压力传感器SENSOR101，其除了具有电容式压力传感器的共有优点外，且其信号不用进行模数转换处理就可有较高的分辨率，但因其成本问题，遂放弃此款传感器。综合比较，选择方案二。3、显示器的选择方案一：LED显示器其为由多个发光的二极管构成的显示器，其虽然原理简洁明了，电路容易连接，成本低，但由于其只能简单的显示数字，无法满足电子血压计显示的需要，遂放弃此方案。方案二：LCD液晶显示器，其由多个液晶模块构成，可以对字母、符号和数值进行显示，比较符合电子血压计对显示的要求，遂采取此方案。综合比较，选择方案二。三、硬

12、件电路的设计（一）系统的功能分析及其体系的结构设计1、系统的功能分析系统主要由STC89C52单片机，MPS40-GSF传感器，LCD1602液晶显示器及其它电路等构成的，基于STC89C52的电子式血压计的设计，通过传感器获取血压信号，随后对此信号经过一系列处理，最后把经过处理后合适的信号输入STC89C52内进行控制与显示。为了实现此系统具有脉搏血压的检测功能，血压的高压和低压判别功能，对信号处理和显示功能。1.当佩戴好袖带后，按下电源键接通电源，在按测量键，则充气泵在单片机的控制下对袖带进行充气加压，随后在排气过程中降压并完成血压的测量。2.在测量结束后，蜂鸣器会发出提示音，提示测量者测

13、量已完成，此时液晶显示器上显示为SBP：XXXmmHg DBP：XXXmmHg Pulse：XXX，其显示的数据依次对应为高压，低压和脉搏的数据信息。3.经过多次的测量后，取数据的平均。2、系统总结构本系统的原理：当测量开关按下，通过袖带内的压力传感器，将压力转化为电子信号，随后对信号经过一系列处理，过滤掉干扰信号及模数转换，并按照算法算出血压和心率，最后经过单片机的控制将结果输送到显示器上进行显示。本系统具体框图如图所示： 图3-1基于STC89C52的电子血压计设计的总结构（二）模块电路的设计1、MPS40-GSF传感器（1）简介 本次设计采用的MPS40-GSF为一款低成本电子血压计压力

14、传感器，其被封装成DIP-6直插型架构，且其为通过MEMS技术制造，高可靠性，价格低廉，测控介质种类受限小，工作温度范围广，有多种量程可供选择。易用，易安装于ONE设备应用领域，在汽车，工业，病人监测和诊断设备中被大量使用。MPS40-GSF的主要特点：（1）量程：40kpa（差压）；（2）输出：mV信号；（3）供电：5VDC或恒流1mA；（4）线性精度：0.25%FS；（5）低功耗。（2）内部结构图3-2 MPS40-GSF的内部结构图由内部结构可以看出MPS40-GSF内有A/D转换器，控制器，多路分配器构成。（3）压力传感器电路的设计MPS40-GSF采用6引脚式外围封装，通过引脚将其安

15、插在电路板上。其NC引脚不接入电路，1引脚GND接地。MPS40-GSF的正常工作的电压为5V，所以3引脚VCC接+5V电压并连入STC89C52D的VCC引脚，其2引脚VOUT为信号的输出端口，与STC89C52的P1.0引脚相连，将信号送入单片机中。如图所示： 图3-3 MPS40-GSF 与单片机的连接电路原理图2、STC89C52单片机的简介及电路设计此STC89C52芯片为51系列单片机的升级，采用DIP40引脚封装,与51单片机完全相同，但性能却得到很大提升，C52单片机能够实现高度的灵活性和高效的能力。其通用功能与51单片机无差异，本文不再罗列。（1）STC89C52的优点为：其

16、数据和程序的存储空间与传统51系列系列的单片机相比，有很大提升，分别扩展到了8K字节与512字节。且其在带电的状态下，可以进行程序的擦除与编程。只读存储器的存储容量扩展为4K字节，串口还可以直接进行下载Error! Reference source not found.。（2）STC89C52单片机引脚图芯片引脚图如图所示： 图 3-4 STC89C52单片机（3）STC89C52单片机的最小系统：单片机最小系统原理很简单，其为用最少的构成部分就能完成单片的正常工作，在此单片机其只由三个部分构成，包括复位，时钟和电源这些基本单路。在此基础上，可扩展其它的电路来完成系统功能的实现。1）复位电路的

17、作用是复位。在单片机接上电源以后，或电源出现较低的电压时，将单片机的存储器进行复位操作，使其各项数据处于初始的状态，即处于电源接通时的标准程序的状态，以消除由于某种原因的程序错乱。单片机的复位电路有上电复位和手动复位两种形式，其有按键，电容和接地电阻构成。本系统采用手动复位电路，所以着重分析手动复位。当按下复位开关K时，电容C3就与接地电阻R10串联进行分压。随后，就会产生一个高电平，手动复位完成。其电路原理图如图所示： 图3-5 手动复位电路图2）STC89C52的时钟电路分为内部时钟电路和外部时钟电路两种，由于其内部时钟性能已比较优良，能满足此次设计的需要，所以这里直接使用其内部时钟。其构

18、成为在单片机的内部振荡器的外部引脚间，将晶振与电容并联接入，就创建完成了时钟电路。其电路原理图如图所示： 图3-6 时钟电路图3、液晶显示电路的设计（1）LCD1602的特点本次系统的设计采用的是LCD1602，其为一款字符型的液晶显示模块，是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示的模块。分4位和8位数据传输的方式。提供5X7点阵+游标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM,可以使用CGRAM来存储自己定义的限多8个5X8点阵的图形字符的字模数据，且提供了丰富的指令。（2）LCD1602电路设计1.将其GND引脚接地，VCC引脚接电源，V

19、0引脚外接接地电阻，构成其显示电路。如图所示： 图3-8 液晶显示电路原理图2.LCD1602与单片机的连接，LCD的2引脚接VCC电源，单片机的16引脚P3.6接LCD的5引脚RW，由单片机控制其寄存器的选择。单片机的P0-P7引脚对应接LCD1602的DB0-DB7引脚进行数据传输。单片机的15引脚P3.5接显示器的4引脚RS,单片机的17引脚P3.7接显示器的6引脚EN端，控制其显示。如图所示： 图3-9 LCD1602与单片机连接电路图4、电源电路本系统其MPS40-GSF传感器正常工作的电压为3V5V,STC89C52单片机正常工作的电压为3.3V5.5V，LCD1602液晶显示器的

20、正常工作的电压为4.8V5.2V，充气气泵和排气阀门的正常工作的电压均为5V。由以上各部分器件的工作电压范围，所以此系统选择LM7805芯片作为5V电源的控制芯片。本系统选择LM7805电源电路模块作为此系统的电源。核心LM7805为芯片。（1）模块主要特点：此系列三端稳压IC组成的稳压电源所需的外围元器件少，电路内部还有短路保护，过热保护，调整管的保护电路。且其只有三引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。其输出的电流为1A，输出的电压为5V。它的外型像是普通的三极管，TO- 220的标准封装，使用起来稳定，方便。（2）稳压电路设计此电路由7805及电源，运算放大器，电容，电阻，三极管等构成

21、。电容C6为其输入端的滤波电容，电容C8和C9为其输出端的滤波电容，二极管D2与电源相连，为负载电阻，其主要的功能为限制电路中电流大小的作用，防止电流太大，损坏元器件。当开关S3按下，3V的电源电压经过运算放大器放大为5V，使三极管Q4接通，接入7805的输入端Vin。如图所示： 图3-12 7085电源电路电路图5、泄气电磁阀门的控制电路放气的速度以PWM方式的进行控制，由单片机在规定的范围类调整其放气的速度。工作的方式为：当气体压力升高到一定压力值时，开始放气，由IC发出一个信号给P1.2脚，流过保护电阻R到Q3，导通三极管Q3，为L1提供工作电压。D5与Q3串联，其作用为与Q3分压，防止

22、Q3上电压过高。D5与L1并联，起到分流的作用。如图所示： 图3-14 泄气电磁阀门的控制电路6、充气泵控制电路工作的方式为：由IC的P1.3脚输出一个低电平信号，流经保护电阻R13，VCC为Q2提供导通电压，Q2导通输出6V的电压经MG1，为MG1提高其工作电压。二极管D4与MG1并联，起到分流的作用，防止MG1上的电流太大。如图所示： 图3-15 充气泵控制电路7、按键电路本系统的电源开关K，其由按键K与STC89C52的P2.5引脚相连构成，电路如图所示： 图3-16 按键电路8、峰鸣器报警电路工作的方式为：由IC的P2.4脚输出一个低电平信号，流过电阻R8，使三极管Q1接通，VCC为L

23、S1提供工作的电压。当测量完成时，蜂鸣器LS1就会在MCU的控制下发出提示。如图所示： 图3-17 峰鸣器报警电路 9、LED信号指示灯电路LED 发光二极管其由VCC提供工作电压，R3为保护电阻，接单片机的P2.3引脚。其特点是单向导电性。功能是起限制电路中电流的作用。一旦电流太大LED灯就会被损坏。STC89C52的引脚输出为低电平时，LED灯就点亮，当其为低电平时，灯不亮。其电路原理图如图所示： 图3-18 LED信号指示灯电路四、系统软件设计（一）编程语言的选择由于大学比较早就接触了C语言，所以对其比较熟悉。C语言作为一种比较古老且基础的汇编语言，经过多年的实践，表明其有很多独特的优势

24、，如问题描述的速度快，工作的量小，具有很好的可读性及方便修改和调试，其最大的优点为移植性好。因其众多优点，使C语言被广泛运用与推广。且因其移植性好，使其几乎可以适用于任何系统。其运用到51系列的单片机上的优点更多，比如不需要知道处理器的指令集和存储器的结构，在编写程序的时候不用考虑存储器的地址和数据的类型等，而且C语言其库文件中数据丰富，样板的例程特别多等。编程的软件选择keil，因简单的单片机使用这种软件进行开发，可以使开发的周期变短，成本降低。Keil中代码很多都是集成的，方便使用。所以keil在单片机的开发中作为主流的软件。（二）系统工作主流程图本系统为基于第二代电子血压计的原理进行的设

25、计，其在减压时完成对血压的测量。电源接通后，系统首先对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化的工作。初始化完成后，当测量开关按下，充气泵开始充气。充气气压达到一定条件后，通过单片机控制排气阀门排气，在排气过程中，完成血压信号的测量。将测量的信号经过处理。并按照算法算出血压和心率，最后经过单片机的控制将结果输送到显示器上进行显示。如图4-1所示： 图4-1 主流程图（三）血压检测流程图如图4-2所示： 图4-2 血压检测流程图血压检测：当按下测量开关后，由STC89C52控制气泵对可充气式绑带快速充气。在此过程中，系统对可充气式绑带上的压力进行采集，当可充气式绑带上的压力达到一定的压力值时，气

26、泵停止充气，STC89C52控制泄气阀门开始逐渐泄气。当脉搏波的信号消失时，测量完成。接着对信号进行一系列处理，最后通过计算得出血压和心率。其计算为先得出其最大的振幅值,其振幅最大值的一半处所对应的血压值即为高压,在找其振幅最大值五分之四处，其瞬时位置对应血压值即为低压。五、系统的焊接与调试（一）硬件电路焊接在现在自动化的时代，虽焊接等工作已有机械可代替，但手工焊接仍是我们需要精通的必不可少的技能，因为电子从业者在其工作中难免会遇到元器件方面焊接，系统的调试等问题，此时就需要自己动手来完成相关焊接工作。且此项工作完成的质量，直接的关系到系统的功能能否正常实现，所以此项工作极其的重要，需要慎重的

27、对待。硬件的焊接：（1）根据每个元器件的性能和其封装，对每个元器件在电路板上的位置进行合理的安排。此项工作看似很简单，但好的排版可以给整体线路的焊接带来简化。（2）完成元器件在电路板上整体位置的分配后，就需要将元器件排版逐个的进行焊接，此阶段主要的就是细心。（3）完成焊接工作后，需整体观察下每个焊接点的焊接情况，对焊料不够，焊点不圆的地方进行补焊。对焊料过多的地方进行适当处理。（二）系统调试系统在最终的调试前，需对系统硬件的焊接进行进一步的检查，除肉眼观察外还需用万用表进行检测，排除正负极反接，短路，虚焊等问题。1、系统程序调试本系统的程序由Keil4软件完成编写与调试，先在此软件中创建一个工

28、程，器件选择AT89C51；接着新建用户源文件，完成代码的编写。最后进行程序的编译与调试，当系统对文件进行运行时，会在其输出的窗口给出相关信息的提示。若有错误，按照提示信息进行修改，直到没有错误为止。如下图所示。当程序的修改完成后，就可以对程序进行调试了，此阶段可查看单片机的状态，并进行断点等方式调试。 图5-1 信息提示图2、硬件测试此为调试的最后阶段，需要由直流电源，万用表和示波器对系统进行综合的测试。以确保每个元器件都能正常工作。其步骤如下：先用万用表排除电路中的短路，虚焊等问题；接着接通电源并配合示波器检测每个元器件是否正常工作，并逐一测试其功能；最后为动态的调试，检测每个元器件是否可

29、以正常的进行工作，以及系统功能能否正常的实现。 4中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）总结通过此次对电子血压计实物设计的完成与实现，让我对大学几年来学的知识进行了回顾，运用与深化了理解，更是对这几年学习收获的最好检验。此次设计的经历，让我深刻的认识到了单片机的强大功能及运用的广泛，及硬件电路与软件不可分割，硬件为软件提供了载体，软件为硬件功能的实现提供控制。两者同样重要，不可重此失彼。在我们用单片机构建系统，实现系统的功能时，单片机就相当于国家的元首，其它硬件就像下属行政部门，其功能的实现，都在单片机的控制下进行完成。其它部分的硬件更新换代很快，不同版本可能性能都会有很大

30、改变，所以我们选购的时候必须要仔细的了解产品的参数与性能，不可盲目。在做设计时我们应大量的查阅其相关的资料，做到对要设计的系统有全面深刻的认识，以及了解其最新的发展的动态与技术，对其新技术的了解与运用，可以使我们的设计简化，且使系统的性能得到提升。我再对系统的有了比较全面的认识后，我们应按照其所要实现的功能，完成此系统控制芯片及其他硬件的选择，可能符合系统功能要求的芯片有多种，但我们都需要对其了解，并对其进行各方面的比较，最后考虑各方面的因素后，选择最优的方案。在设计方案确定后，我们应根据其原理先画出电路的原理图，此项工作必须细致，且要结合各器件的器件参数与性能合理绘制。上述工作完成后，就可以

31、根据原理图完成实物系统的焊接工作，在此期间，一点小小的错误，就会导致系统不能工作，甚至是元器件的烧毁，所以我们更应细心。最后便是程序的编写与系统的调试工作，此阶段工作比较简单，但需要多用心，才能圆满完成。致谢从不了解写论文过程到顺利完成本论文的过程中，在这个过程中收获来很多。虽然在进行写作论文的过程中遇到了很多的问题，在老师细心的指导下和同学的帮住下最终完成了论文写作的任务。开始对于论文的构思不够了解，通过在知网上进行查阅大量的资料并且对于这些资料的数据进行总结和分析，使我对于该论文的具体的写作的构思有所了解。尤其是对于我的论文指导老师感谢，在论文写作的过程中给于了我很大的帮助，没有她对我进行了不厌其烦的指导和帮助，是其孜孜不倦的为我指导论文写作，直到我顺利的完成论文写作，在这里我对于我的老师以及帮助过我的同学深深的由衷的感谢。同时在完成论文写作过程的这个过程中我将