单片机血压计设计

1、血压计设计论文摘 要现代社会的迅速发展,导致环境日益恶化,不健康的生活习性与不科学的 饮食习惯,导致人类疾病越来越多的出现。其中,有着人类第一无形杀手称号的 高血压病,已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名,长期危害着人体健康, 让饱受高血压折磨的患者痛不欲生。如何便捷有效地测量与监控高血压,从而有 效预防与治疗高血压,成为人们对抗高血压病的首要问题。于是,设计一台便捷 的测量血压的装置,成为重中之重。家用电子血压计,主要是用于家庭。家庭医疗保健已成为现代人的医 疗保健时尚。过去人们测量血压必须到医院才行,而今只要拥有了家用电子 血压计,坐在家里便可随时监测血压的变化,如发现血压异常便可及时去

2、医 院治疗,起到了预防脑出血、心功能衰竭等疾病猝发的作用。本文将详细介 绍我们设计的智能型血压测量装置。关键词:ASDX 001; AT89C51;液晶显示;压力测量。目 录前言随着生活水平的提高,人们越来越观注自己的身体健康,血压是身体健康与 否的一个重要指标。 据 2001年全国普查显示, 我国平均每三个家庭就有一个高血 压患者;慢性低血压的发病率为 4%左右,其在老年人群中可高达 10%。因此,研 制既适合家庭保健人员又适合专业人士智能型血压计具有重要的意义。在现代疾病谱上,高血压的危害无疑高居前几位。对于上了年纪的人,血压 是一个重要的健康信号。随着生活水平的提高,时下老年人对自己的血

3、压越来越 关注。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,它的危害非 常的巨大,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 增人数在 300万以上。从高血压目前的危害来看,高血压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、 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。治疗高血压病,首先是要测量准确的血压。测量血压的仪器称为血压计。 血压计可分为直接式和间接式两

4、种。两种血压计的工作原理是不相同的,直接式 是用压力传感器直接测量压力变化;间接式的工作原理则是控制从外部施加到被 测部位上的压强,并将控制的结果与其相关的柯氏音的产生和消失的信息加以判 断。前者不管对动脉或静脉都可连续测试,而后者只能测量动脉的收缩压和舒张 压。传统的血压计是模拟的血压计。 此类血压计操作比较复杂, 测量精度不够, 而且受环境影响较大。且时常需要校准精度,需用一只准确的汞柱血压计或血压 表一同校验。其方法是将听诊器上 “Y” 形管取下,其两端分别接准确的血压计 (血 压表 和校验的弹簧表式血压表,第三端接臂带及气阀,这样利用同一压力,观察 要校验的血压表与准确的血压计 (血压

5、表 的读数是否葙伺,如不同则说明该校验 的血压表已不准确,如读数相同,仅零位有偏差时,并不影响实际使用。如发现 血压表指针不能回复零位时,切勿擅自调节螺钉,以免损害表内机芯,此时应将 血压表送到生产厂家或指定服务部维修。因此,此类血压计的使用与维护相对麻 烦。为了让广大血压计使用者更方便的使用与维护血压计,也让更多的人学会使 用血压计进行简单的血压测量,我们设计出一台操作便捷,测量精确,无需维护的智能型测量血压的装置,以帮助人们对抗高血压。本论文也具有比较重要的现实意义。目前,市场上的使用的血压计大部分 仍是水银血压计,也有一些动态血压记录仪。水银血压计每次测量必须由医生戴 上听诊器进行测量,

6、 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,影响血压因素非常多,由于 每次测量的时间不可能很长,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。 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。本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压记录仪,使每 次测量结果完全透明,实时分析结合回顾分析,使医生可以对照原始波形判断数 据的真伪,有效

7、甄别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。第一章 便携式血压计装置总体概述§1.1 便携式血压计简介该产品重量轻,便携,可放入医生护士口袋。无水银,增强环保性,避免了 因水银泄露而造成的污染事故。操作简单易懂,特别适合家庭使用。 2该血压计以压力传感器测得血压值, 再将血压数据通过 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 液晶显示器上把数据显示出来。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

8、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 1020分钟, 深呼吸 23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。 7§1.2 血压计装置设计方案便携式电子血压计是传感技术和微电脑技术的结合体,它的结构应该能保证 完成三项基本任务:感应血流的压力;判别高压和低压;在屏幕上显示测 量结果。感受血流压力离不了传感器,民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是 高性能低成本的,灵敏度要高,测量范

9、围倒不需要很大。在各种传感器中有一类 是利用压电效应的,还有一种人工合成的被称为 PVDF 的压电薄膜,它是柔软的 塑料。其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器。另外,血压会通 过电子血压计的液晶显示屏进行显示。在这里介绍一下有关血压的基本知识, 血压是血液在血管内流动时对血管壁 的侧压力。血压分收缩压和舒张压。当心室收缩向动脉泵血时,血压升高,其最 高值为收缩压。心室舒张时,血压降低,其最低值为舒张压。血压通常以上肢肪 动脉测得的血压为代表,正常成年人上胶动脉的收缩压为 90140毫米汞柱,舒 张压为 6090毫米汞柱。血压过低或过高都是疾病的征象。血液在动脉血管中的压力随着心脏的

10、收缩、舒张而不断变化,而人的心脏的 收缩频率即心率比较低,一般在 30300bpm,由此血压脉动镶号是相对而言还是 属于一种缓慢变化的信号,我的设计是采用外接式的结构,以 89C51单片机为核 心,由其内部自带的 10位 8通道 A/D转换模块构成的采样模块, ,该模块的采样 数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口 COMI 或 COMZ , 形成种连续 数据采集串行数据传输的方式本设计是基于 89C51单片机的设计,具体装置方案如下图 1-1所示: 图 1-1便携式血压计设计方案系统工作示意图: 图 1-2 血压计系统工作示意图硬件工作流程图如图 1-2所示。电源开启过后,若有必要修改

11、系统的默认参数,将由键盘输入或 PC 机对其 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转换结果送入上位机。待采样的时间达 1秒钟后将分析数据结果,求出 最大值和最小值, 将这些数据处理后即为收缩压和舒张压。 将它们送往 LED 数码 管进行显示。§1.3 便携式血压计工作原理血压有两种 , 一是收缩压 :是当心脏收缩把血液打到血管所测得的血压 , 二是舒 张压 :是心脏在不收缩所得的压力。当袖带的压力等于血压时 , 血液开始可以流通 而产生所谓的袖带声 , 这时

12、候也就是收缩压 , 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。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的时候,气袖的压力是动脉的 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。收缩压判断的确定:通常采用最大的振幅法,即在放气过程中脉搏波振幅度 包络线的上升段,当某一个脉搏波的幅度 Ui 与 Um Um 之比 Kd时,就认为此时 对应的气袖压力为收缩压。Um Ks Ui P Ps *=| (1-1舒张压判断的确定:也是用最大的振幅法来判定,不过是在脉搏波

13、振幅包络 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。Um Kd Ui P Pd *=| (1-2血压信号以及收缩舒张压的位置如图 1-3所示 图 1-3 血压交直流信号及收缩压和舒张压位置先找出最大振幅值 Amax ,在往前找幅值为 0. 5Amax的瞬态位置对应血压直 流分量即为收缩压 , 往后找幅值为 0. 8Amax 的瞬态位置对应血压直流分量即为舒 张压 , 将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示马达在充气时,袖带内部产生压力,数字压力传感器 ASDX 001感应到该压 力值, 经过放大以及滤波电路后, 由单片机

14、 89C51的第 1脚读入, 并进行 A/D转 换。单片机在程序的控制下,严格按照 ASDX 001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 DM-162液晶显示模块 进行显示。第二章 硬件电路的设计§2.1 传感器简介以及电路设计ASDX 001属于微型结构压力传感器 ASDX DO系列。 ASDX 系列是 Sensym 公司检定合格的 ICT 代表产品的一种增强型品种。 也是工业水平领先的一种 SDX 系列传感器增强型。 ASDX 001 传感器的外形尺寸要比 SDX 稍大, 能提供高电平 (4.0 V测量范围 的输出电压,价格便宜。 ASD

15、X 001压力传感器内置专用集成电 路(ASIC 经全面 CI 校准并有温度补偿。 ASDX 001压力传感器采用标准 DIP 封 装,可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。 ASDX 001采用了 IC 兼容性协议, 无需额外的元件或电子电路, 就可容易地连接最常用的微 控制器和微处理器。所有 ASDX DO压力传感器的精度在满量程范围内为 。 具有可用单一 5 c Vd 供电电压土作的特性。 传感器的设计和制造均遵循 ISO 9001标准。 此系列传感器 可用于非腐蚀性、非电离的工作流体,如空气和干燥气体。传感器的输出是一个 16进制格式的己校正的压力值,其分辨率为 12

16、位。 该压力传感器可用于测量绝对压、差力压和表力压。范围从 1PSI 到 100PSI , 绝压型传感器有一个内部真空参比值 (基准值 ,因此可直接输出一个与绝对压成 比例的信号。差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力,可用于压力差的测 量。数字压力传感器 ASDX 001的结构(1外部结构: 图 2-1 ASDX 001外部结构图(2内部结构ASDX 001的内部结构主要包括 4部分: 多路分配器;模 /数转换器;微控控制;模 /数转换器。如图 2-2所示: 图 2-2 ASDX 00内部结构图ASDX 001的外围引脚共有 8个, 其中 5个为空脚。 工作电压为正 5负。 由 Vs 脚引

17、入正 5负电压, Vout 为数据输出脚,将所测量得到的数字电压信号传送到单 片机的 P1.0脚, ASDX 001的地脚为 GND 脚,接地。因此,这个电路连接十分简单,只需要将传感器的输出脚 V out 连接到 AT89C51单片机的 1脚上即可。如图 2-3所示: 图 2-3 ASDX 001与单片机的连接电路原理图§2.2 AT89C51单片机的简介及其电路设计AT89C51是美国 ATMEL 公司生产的低电压 , 高性能 CMOS 8位单片机, 片内含 4k bytes的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes的随机存取数 据存储器 (RAM ,器件采

18、用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存储技术生产, 兼容 标准 MCS-51指令系统,片内置通用 8位中央处理器 (CPU和 Flash 存储单元,功 能强大的 AT89C51单片机能应用许多高性价比的场合, 可灵活应用于各种控制领域。AT89C51的封装如图 2-4所示: 图 2-4 AT89C51封装图(1主要特性:118·4K 字节可编程闪烁存储器;寿命:1000写 /擦循环;数据保留时间:10年 ·全静态工作:0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部 RAM·32可编程 I/O线·两个 16位定时器 /计数器

19、·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路(2管脚说明:VCC :供电电压。GND :接地。P0口:P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1口的管脚第一次写 1时,被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储 器,它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时, P0 口作为原码输入 口,当 FIASH 进行校验时, P0输出原码,此时 P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口, P1口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。 P1

20、口管脚写入 1后,被内部上拉为高,可用作输入, 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口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口, P2口缓冲器可接收, 输出 4个 TTL 门电流,当 P2口被写“ 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。 P2口当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,当对外部八位地址数据存储器进行读写时

21、, 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信号和控制信号。P3口:P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口, 可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3口写入“ 1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输 入,由于外部下拉为低电平, P3口将输出电流(ILL 这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:口管脚 (备选功能P3.0 RXD(串行输入口P3.1 TXD(串行输出口P3.2 /INT0(外部中断 0P3.3 /INT1(外部中断 1P3.4 T0(记时器 0外部输入P3.5 T1(记时器

22、 1外部输入P3.6 /WR(外部数据存储器写选通P3.7 /RD(外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST :复位输入。 当振荡器复位器件时, 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时, ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器 时,将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8

23、EH 地址上置 0。此 时, ALE 只有在执行 MOVX , MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被 略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个 机器周期两次 /PSEN有效。 但在访问外部数据存储器时, 这两次有效的 /PSEN信 号将不出现。/EA/VPP:当 /EA保 持 低 电 平 时 , 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器 (0000H-FFFFH ,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时, /EA将内 部锁定为 RESET ;当 /EA端保持高电平时,此间内部程

24、序存储器。在 FLASH 编 程期间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP 。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。(3振荡器特性:XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置 为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件, XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器, 因此对外部 时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(4芯片擦除整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合, 并保 持 ALE 管脚处于低电平 1

25、0ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“ 1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。此外, AT89C51设有稳态逻辑, 可以在低到零频率的条件下静态逻辑, 支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下, CPU 停止工作。但 RAM ,定时器, 计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存 RAM 的内容并且冻结 振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。§2.3 单片机电路设计同时在第 9脚引出一个 22uF 的电容和一个 2K 的电阻接 +5V的电源组成一 个复位电路。如图 2-5所示: 图 2-5 AT89C51复位电路原理图第三章 软

26、件系统流程以及程序的设计§3.1 单片机主程序流程图主程序流程 图 3-1主程序流程图流程图说明主程序依此调用 5个模块:处理模块、测量模块、信号处理模块显示模块、 显示模块、电源处理模块§3.2 处理模块判断键盘的当前状态(是否开 /关电源 ,执行相应的操作。 图 3-2 处理模块流程图3.3测量模块测量信号为二路, 压力传感器的信号经放大送 AD1, 作为静态直流血压信号; 隔直后经再次放大送 AD2,作为脉搏波信号。由于传感器的 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。§3.4 信号

27、处理模块主要功能是脉搏波的判断和检测, 主要分为两步: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,最大程度的排除因手臂的运动造成的误差。在这基础上,分析信 号, 得到波形的峰值 (供判断收缩压, 舒张压和平均压 , 得到每个脉搏波的时间。 图 3-3 信号处理模块流程图§3.5 显示模块主要显示 3种信息:测量过程显示当前压力值、漏气速率;测量结束后分别 以 mmHgH 和 Kpa 方式滚动显示收缩压、舒张压及心率;校准状态下显示当前压 力值、漏气速率。串行通信模块采用 PC 机主叫的中断方式,一旦接到 PC 机发来的命令,对血压进行初始 值的设定,主要包括起始加压值,每次的压力递增值和最高压力限制。LCD 显示子程序流程 LCD1602:调RESET 数据送P1口 N 调Drcommand 修改显示位置