基于51单片机的电子血压计的设计与制作

绪论1.1课题研究背景及意义血压指血液流经人体血管时，单位面积血管壁所的侧压力，这就像电压是推动电流的动力，血压就是血液在血管内流动的驱动力。倘若高血压患者不控制或治疗，那么就会对血管和心脏造成难以预估损害甚至可能会引发中风的情况。高血压患者的血管会慢慢地失去弹性，直至患者血管破裂，造成血氧不足，引发晕倒。这对人体健康存在极大威胁。在我国，心脑血管方面的疾病是最常见的常见病，具有50%的高血压患者在平时并不知道自己的血压是否健康。随着社会的发展，医疗技术和医疗设备也在不断的进步。现如今，国内多家医院联合社区卫生机构针对高血压患者群体提出了一种以血压测量并记录为参考的新型诊疗方法，其本质是通过患者每天对自己的血压进行阶段的记录，那么医生就会通过患者血压变化的情况采取针对治疗法，现全国大部分地区已经实行这种模式。这种新型治疗模式逐渐在全国实行，患者被精准治疗的本质是阶段性测量血压。对于老年人来说老式的血压计具有一定难度，它需要用户具备一定的医学知识和操作技巧，无疑这对老年人来说是非常困难的。现在的年轻人面对着很大的生活压力、很快的生活节奏快。也不会想花时间去学习老式血压计的操作方法。那么拥有一款能测量血压和脉搏的生理参数血压计就变得十分迫切。患者在家自行预先测量血压情况，并提供给医生作为参考，这对医生针对病人病情方面具有很大的参考价值。在家自行检测也避免了去医院检测的路程时间，同时患者也可以根据自身情况在医生的建议下自行调整用药情况。电子血压计不仅对高血压患者有很大的用处，对于健康人群来说。可以通过电子血压计随时得知自己的血压健康状态，并根据血压的变化来合理的控制作息和饮食的规律，以确保身体处于健康的状态。1.2课题国内外研究现状1.2.1国外研究现状全球市场上，电子血压计相关的产品已经是不可或缺的重要产品。特别在欧美、日本等发达国家，具有60%的家庭拥有一台血压计。这表明这些产品被广泛采用和完善。追溯到1733年，英国人黑尔斯第一次给马测量了血压。到了19世纪，法国医师吉恩.伦纳德.麦瑞.泊肃叶引入了血压的测量单位mmHg。直到1905年，俄国外科医生Korotkoff改进了血压测量的仪器，并引入了听诊器，解决了检测舒张压的问题，也就是柯式音法，从此传统血压计慢慢进步发展逐步成熟起来，成为重要的标志杆。现在又出现了汞柱式血压计、无液血压计、混合型血压计。由于技术发展的推动，慢慢淘汰了传统测量仪器。国外已经进入自动化的血压计检测研究中。能实时检测用户的血压、心率、体温、血氧等生命特征。1.2.2国内研究现状我国高血压现患人数超过2.2亿，其中知晓率仅为30%左右，不到3%的人坚持定期监测血压，治愈率仅为7%。每年，大约300万患者死于心脑血管疾病，主要是由于对其血压状况的认识延迟或缺乏。因此，心脑血管疾病已经成为中国公民死亡的首要原因。随着中国人口的不断增加和人口老龄化的加速，预计高血压病例的数量将会以更快速度增长。此外，电子血压计也存在一些问题，许多国内医院和医生对这些设备的准确性心存疑虑，医务工作者们考虑继续使用传统水银泵式血压计。虽然近年来电子血压计越来越受用户们欢迎，并向不断的向智能化、多功能化发展，且主要设计针对家庭使用，但不少医务工作者仍然喜欢使用水银泵式血压计，因为它们的高精度要求。中国目前是世界上最大的电子血压计的生产国。然后，它面临着缺乏自主出口品牌、国内品牌质量参差不齐等各种挑战。因此，拥有自主知识产权的国内制造商难以进入市场与外国同行竞争。总体而言，中国电子血压计行业仍处于以仿制产品为主的起步阶段。在日益激烈的国际市场竞争中，国内制造商面临着与国外同行竞争的困难。1.3本课题研究的主要内容本论文设计的电子血压计主要是为了满足日常家庭的使用，能同时测量舒张压、收缩压和脉搏的数据。本论文讲述了电子血压计的设计方法与制作方案、硬件的制作和软件的设计、实物电路板的焊接与调试过程。具体设计内容如下：1）电路中对所需元器件的选择。2）原理图的绘制与硬件电路板的焊接。3）程序的撰写与调试。4）压力传感器针对气压数据进行采集后处理。5）电路系统仿真图及焊接完成后的调试。1.4本文结构本文第一部分对相关文献进行综述，了解国内外电子血压计控制系统的研究背景和现状。第二部分对电子血压计控制系统的详细设计说明，包括其功能模块的组成，各模块的组件选择，以及各模块实现的具体功能。第三部分重点介绍了血压计系统各部分的硬件电路设计。第四部分概述了电子血压计系统中软件程序的流程图及程序设计。第五部分详细讨论了电子血压计系统的实物模型制作过程以及焊接工艺，焊接后调试过程以及相关问题和解决方案。最后，第六部分总结了电子血压计的设计过程，同时也分析了这种系统的潜在未来发展。

2系统总体设计2.1电子血压计系统所实现的功能1）当用户给出开始测量的指令时，通过气泵对袖带进行充放气。2）开始测量时，袖带开始充气，压力传感器能检测到袖带内气压的变化。在整个充放气过程中，将压力变化所产生压力值转化为相对应的电信号发送给模数转换模块。3）在测量开始前和检测结束后会显示器会显示测量开始界面与血压情况的数据变化。4）系统根据按键指令来判断用户是否启动测量。开始测量后，系统会协调各功能模块进行有效的顺序工作。在收到用户测量指令后，通过气泵向袖带内进行充放气，随后通过压力传感器和模数转换模块将数据传输到单片机再经显示器显示血压检测结果。2.2电子血压计系统总体设计电子血压计系统的结构包括STC89C52、LCD1602液晶显示器、压力检测模块、充放气模块、数模转换模块。如图2-1系统框图所示。单片机是整个电子血压计系统的中央处理单元，它的主要功能是处理和协调各模块工作并进行决策，同时还需要控制系统内各模块的正常运行不出问题，压力检测模块在测量过程中能够实时连续的监测用户上臂压力值的变化，然后由数模转换模块处理得到的电信号。该转换模块再将得到的数据交由控制器处理成数字量。LCD1602液晶显示器作为人机交互基本界面，再运行过程中提供系统状态实时反馈，并向用户显示重要测量数据。同时，在单片机的控制下，充放气模块的正确运行以协助压力传感器完成精确测量。图2-1系统框图2.3元器件选型2.3.1控制器的选型电子血压计系统需要一个复杂的高性能计算芯片，以确保在不同地理区域的各种室内环境中精确可靠地运行。因此，选择STC89C52单片机作为本次电子血压计系统的控制器使用。因为它与51系列无缝兼容，成本效益高、运算速度快、功耗小。该单片机通过提供卓越的运行速度、最佳的功率效率和各种环境的强大适应性，有效地满足了系统的设计要求。2.3.2按键的选型在电子血压计电路按键的选择上，根据市场上常见的主流按键有侧插按键、贴片按键、立式按键。且引脚又分为四引脚和六引脚等很多种类。在考虑成本效益，操作的可靠性，交互时的触觉反馈，以及随着时间的推移耐丢或损坏等方面。故选择采用四引脚立式微动按键。2.3.3显示器的选型电子血压计的显示器设计优先考虑简单清晰。出于成本考虑，我最后选择了LCD1602显示器，它提供了一个清晰可见的屏幕，简单的控制，即插即用的能力，便于调试。这些功能符合我们的设计要求，并确保有效的用户界面。2.3.4压力传感器模块的选型在电子血压计的设计中，保证系统的准确性需要仔细考虑压力传感器的灵敏度和转换延迟。因此，在本次设计中，选择XGZP6847压力传感器，因为它体积小巧、易于安装、具有温度补偿功能，压力测量范围。符合本次设计要求。

3硬件电路的设计3.1硬件电路结构设计本次设计的电子血压计控制系统硬件电路由STC89C52、LCD1602、XGZP6847压力传感器、出气电磁阀、按键、气泵、压力传感器、报警电路组成。按键控制着启动、恢复、初始化,STC89C52是对压力传感器传输进来的模拟量进行分析变换成数字量输出，LCD1602显示器用于显示血压与脉搏数据，XGZP6847是压力传感器用于接收血压的压力值。硬件电路总体结构如图3-1所示。图3-1系统硬件电路结构框架3.2最小系统电路设计电子血压计的最小系统电路由复位电路和时钟电路构成。同时最小系统电路也是整个电路中很重要的一部分。如图3-2电子血压计最小系统所示。图3-2电子血压计最小系统其中复位电路作为单片机最小系统中不可或缺的部分，虽电路精简但在保障系统稳定和可靠工作方面有着举足轻重作用。复位电路由电阻、按键、电容组成。K1按键的上端接至VCC，下端串联10K电阻和RST，10K电阻的另一端接地。电容的正极接VCC，负极接RST，电容的两端并联按键。如图3-3复位电路所示。图3-3复位电路时钟电路的存在是为了保证系统软件程序在统一时序下运行，也是保证系统正常运行必不可少的角色。电路由两个30pF的电容、一个12MHz的晶振构成。时钟电路具体连接如图3-4时钟电路所示。图3-4时钟电路3.3显示电路设计本次设计选用LCD1602作为设计的人机交互界面。GND引脚和16引脚接地，VCC和A接VCC，VO串连一个3k电阻，电阻另一端接地，RS、RW、EN分别连接单片机P25、P26、P27，DO到D7连接单片机P00到P07。如图3-5显示模块设计所示。图3-5显示模块3.4按键电路设计功能模块主要由按键组成，本次设计功能电路由1个按键组成，按键按下时系统开始测量工作，即通过按键启动系统测量。具体电路如图3-6所示。图3-6按键电路图3.5电源电路设计本次设计中因电路简单，各项选件在5V状态下都可以运行。所以选用了5V供电，所以系统选用外部直流5V电源接入给单片机以及各模块供电。DC电源插孔引入接自锁开关保证电路可靠工作，同时单片机和其他电路模块可正常运行。电源电路具体连接如图3-7所示。图3-7电源电路3.6压力检测电路设计因为电子血压计对压力检测的实时检测性能要求较高。所以选择XGZP6847与TLC2543相连接，组成系统内的压力检测电路。袖带中的气压值经XGZP6847检测后，由TLC2543将得到的电信号转换为数字信号，然后由单片机读取数字信号，并进行数据的分析与计算处理，最终得到的数据。由LCD1602显示当前的血压与脉搏值。如图3-8压力检测电路所示。图3-8压力检测电路3.7蜂鸣器报警电路电路连接：通过单片机的P34脚有一个低电平信号传输给R6电阻，经Q3导通，提供了5V电压，Q3导通后输出一个5V的电压至LS1，随即LS1接通。如图3-9报警电路所示。图3-9报警电路3.8充放气电路充气过程：R4接收到单片机输出的低电平信号，经Q2导通，提供了一个6V电压，Q2导通后将+6V的电压输出给P3，P3导通开始充气，D4为保护二极管，保护P3稳定工作。放气过程：当充气量达到180mmHg时，袖带开始放气，此时单片机P20脚输出一个低电平信号，经R3至Q1，Q1导通后，输出一个6V的电压给P2，P2导通开始出气，D3保护Q1和P2正常工作。如图3-10充放气电路所示。图3-10充放气电路3.9电子血压计系统总电路设计电子血压计系统的主要由控制器、压力检测模块、模数转换模块、显示模块、充放气模块组成。整个系统的核心是控制器部分，负责处理各模块的数据分析并进行决策，具有协调各模块的功能，压力检测模块实时监测测量过程中气体压力的变化，并将相应的电信号传输给数模转换模块。该部分负责将检测到的压力值转换为可由控制器处理的数字量后交给显示模块。用户通过显示模块可直观看到当前的压力值和系统工作状态与测量结果。最后，充放气模块通过气泵控制空气的进气与放气来协助完成测量过程。系统主电路详见附录1。

4控制程序设计本次设计的电子血压计系统程序由信息读取处理部分、血压检测部分、数据显示部分、按键控制部分。首先根据系统功能画出软件流程图，再根据流程图设计系统的软件程序部分。如图4-1电子血压计控制程序组成所示。程序源代码详见附录2。图4-1电子血压计控制程序组成

4.1控制程序总流程设计通电开始，系统开始运行，显示程序开始工作。接着系统调用按键程序，检测按键是否已经按下，确认按键按下后系统启动，延时开始。检测模块启动，数据检测子程序开始实时处理和分析袖带中的压力值，并通过显示器与用户交互。然后单片机开始检测分析得到的血压数据。当达到预先设定的阈值，显示界面就会显示高压值、低压值、脉搏值，从而可以评估用户当前的血压状态，是否在健康范围内，还是表明高血压或低血压。如图4-2电子血压计控制系统主程序流程图所示。图4-2电子血压计控制系统主程序流程图4.2信息处理部分流程图通过定时/计时器0的定时/计数器1的计数读取信息。单片机得到实时数据后进行分析处理，计算当前压力值。如图4-3信息处理部分流程图所示。图4-3信息处理部分流程图4.3按键程序设计系统采用了独立按键作为整个系统的主要控制方式，当用户按下启动检测按键后，整个电路便开始运行，开始测量当前的血压值。如图4-4按键处理部分流程图所示。图4-4按键处理部分流程图4.4血压检测流程图部分单片机接收到检测指令，各模块开始运行，压力传感器负责将检测到压力值转换为电信号，再由转换模块将电信号转化为数字信号交由单片机进行分析和计算。如图4-5血压检测流程图所示。图4-5血压数据检测流程图4.5数据显示流程图部分测量工作完成后，由单片机分析得出的测量结果通过LCD1602显示器显示交互高低压和脉搏的实时结果。如图4-6数据显示流程图所示。图4-6数据显示流程图

5制作与功能调试5.1系统仿真本次电子血压计系统的仿真是使用Proteus8进行的，由于仿真软件Proteus8中缺少相关电子血压计系统中的气体压力传感器的元件。所以主要对显示功能模块、按键模块、数模转换模块、充放气模块进行仿真调试。通过LCD1602显示器我们看到系统目前处于初始状态，表明显示模块的功能正常。当按下测量按键后，延时电路开始工作，电子血压计系统的充放气模块和按键均正常工作。图5-1为仿真图。图5-1仿真图

5.2实物焊接过程焊接电路板，首先需要准备焊接电路所需的工具和设备还要准备电路中需要焊接的元器件。焊接电路的工具包括电烙铁、海绵、锡焊丝、松香、尖嘴钳、镊子、吸锡器等工具。本次焊接电路中必要的元器件包括面包板、电阻、电容、芯片、芯片底座、二极管等组装单片机所需元器件。需要准备的焊接元器件和焊接设备的准备分别见图5-2焊接前设备准备、图5-3焊接元器件。图5-2焊接前设备准备图5-3焊接元器件在焊接所需要的组件准备好了以后，开始焊接。在焊接前需要提前预热和清洁焊头，以确保焊接过程顺利进行。除了对电烙铁进行清洗外，提前安排布局和元器件的布线也是焊接过程中的重要一步，这将大大节约焊接时间，且便于后期的故障排查。如图5-4元器件排布所示。图5-4元器件排布元器件布线好后，就必须根据设计好的硬件电路图进行焊接。在焊接过程中需要小心使用跳线，以避免过多的跳线可能导致线路混乱或与其它元器件存在潜在干扰。在完成焊接后，为了防止因元件引脚过长导致短路或其它故障，对每个元器件的引脚都需要进行一丝不苟的修建。如图5-5焊接走线图所示。图5-5焊接走线图在焊接完成后可以清晰的看到，电子血压计的控制系统主要由电源模块、充放气模块、显示模块、按键模块等构成。如图5-6焊接后实物图所示。图5-6焊接完成后实物图

5.3硬件调试过程中的问题及解决方案电源是调试电路板的第一步，电源不出问题就表示本次设计成功了一半。电源调试如下：（1）上电前用万用表测量各电路间是否短路，避免上电烧毁元器件。（2）在电路板上设置电源指示灯，如果上电后电源指示灯不亮，立即断电检查。（3）通过观察和触摸电源周围的元器件温度，判断是否有异常电路情况。焊接中比较常见的几类故障：1、设计错误：原理图绘制错误。2、器件错误：买错用错或焊错元器件。3、设计错误：设计时元器件的应用不合理导致功能异常。4、焊接错误：焊接时粗心焊错元器件位置、焊反元器件。焊接出错如何处理：（1）先目检，一些元器件的问题和布线的问题是可以通过原理图发现的。（2）换新的元器，如何是元器件的问题我们可以替换器件。（3）耐心细心的检查，电路中焊接存在的错误也会发生。（4）电源的功率选择是很重要的，合理的电源功率选择才不会在后期的工作中发生其他问题，所以在调试功能时也需要注意电源功率是否合理。电源调试完成后，就可以烧写程序了，根据各个模块的不同功能进行调试。问题1：在将程序下载至单片机中后，观察到LCD1602显示时出现背光问题，导致用户无法正常读取字符和数据。解决方法：首先检查显示模块引脚与附近走线是否连接正确，观察焊接点均是否存在虚焊漏焊问题。在排除硬件电路显示部分的可能存在的潜在错误后，进一步检查了单片机在开机后能否正常工作。结果检查发现单片机的GND引脚未接地，导致了显示器功能异常。在处理完这个问题后，显示器便能够清晰正常的显示。问题2：在血压计的调试过程中，发现血压计的复位按键在按下后，电路不能够进行正常复位。解决方法：首先检查复位按键周围的电路连接走线是否正确，引脚是否存在漏焊错焊的情况，后来发现复位按键的引脚没有正确接入单片机的复位引脚，而错接到了旁边的引脚上。在改焊后，重新调试测试功能，复位键可以正常工作，故消除故障。5.4功能调试5.4.1显示模块调试电子血压计系统的显示模块是在整个血压测量过程中提供全面信息的最关键部分。在测量过程中，会实时显示袖带内压力变化。测量完成后，显示屏能显示最终的血压测量结果以及脉搏数据。表明血压计此时正常工作。如图5-7显示模块调试过程所示。图5-7显示模块调试过程

5.4.2测量按键功能调试血压计的测量按键控制着系统的开始测量与复位功能。按下按键，系统开始工作,若此时用户再次按下按键，系统会立即恢复初始状态。气泵开始工作后，袖带开始进气，我们可以通过显示屏看到压力值也在跟随变化。图5-8为测量按键调试过程图。图5-9为复位按键调试过程图。图5-8测量按键测试过程图图5-9复位按键测试过程图5.4.3数据检测模块测试在数据检测模块的调试过程中，模数转换模块会将实时监测到的压力值转换成经过单片机的分析处理后的数字量。通过显示器交互。用户按下测量按键后，系统开始工作，在此期间可以看到显示屏上压力值的在跟随袖带内的气压不断的变化，说明该模块功能正常。如图5-10数据检测模块的调试过程所示。图5-10数据检测模块的调试过程5.4.4充放气模块测试充放气模块对血压检测工作起到辅助作用。不按下测量键系统不工作，按下测量键后气泵开始运作，袖带开始充气。到达预定值180mmhg后，气泵立即停止充气，并将袖袋内气体排除。袖带恢复原状，测量完成。如图5-11充放气模块的调试过程所示。图5-11充放气调试过程

6总结6.1总结在当今快节奏的社会中，日常生活负担日益加重，人们对高血压的预防和治疗也越来越重视。传统的血压计是检测血压的重要工具，由于其技术原因，对于老年人来说使用起来可能具有挑战性。此外，生活繁忙的年轻人也可能发现使用这种专业设备的不方便。为了解决这些问题，本文设计了一种基于单片机技术的电子血压计。这种创新的设备通过一按即可测量血压和脉搏，同时将结果无缝显示给用户，提供了一种经济高效且友好的解决方案。同时为不同年龄段用户提供了不一样选择。本毕业设计的电子血压计选用了51单片机为控制器。辅以LCD1602显示屏和按键等外围设备。在用户按下测量按键后，它会自动检测用户的的血压和脉搏，并在完成后显示在屏幕上。这种设计不仅简化了血压检测，而且使用的用户可以根据自己的血压值及时调整休息模式或饮食。它还使用户能够相应的调整药物剂量。从本质上来说，这个设计扩大了我对自动化和单片机应用的理解，同时解决了实际医疗保健需求。6.2展望本次设计基于51单片机的电子血压计的设计与制作，其基本功能已然实现。但在设计过程中却更多的暴露了我知识上的空白和系统上的不足。我将此次设计过程中发现的制作问题与不足之处进行总结分析：1）本次设计中选择的压力传感器和数模转换模块存在延时的情况，同时延时的存在会对用户血压检测的测量精度产生一定的影响。2）电子血压计尚且不能联通互联网与他人相互传输数据，如果可以联网，对于血压患者具有巨大的便利性。3）电子血压计在检测完成后不会记录和存储用户的血压测量数据，每次测量后，需要用户自行记录实时数据，不够智能。4）在制作完成电子血压计制作后，发现测量虽然方便但是过于简陋，精密度不够有待改进。未来电子血压计系统还有很大的扩展潜力，可以使电子血压计体积更小、更智能化，功能更人性化、更完善。例如：1）将电子血压计与社区卫生机构组网，将通讯距离进一步扩大到千米级别,测量完成后数据可及时上传到社区卫生的服务器，通过这样的数据传输，社区卫生机构就可以及时掌握社区居民的健康状况。2）未来可以继续拓展血压计功能，不仅仅是只有血压，可以加入血糖及其他生理指标，成为一个小型化、智能化的多功能、多生理参数综合检测仪器。

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附录1原理图

附录2程序源代码#include<REGX52.H>#include"TLC2543.h"#include"LCD1602.h"uintVoltage=0; uintVoltage_Value=0; uintchange=0;uintchange1=0;sbitBleed=P2^0;sbitWater_pump=P2^1;sbitkey=P3^6;bitkey_flag=0;ucharms=0;ucharji_shu1=0;ucharji_shu2=0;ucharxin_lv_num=0;bitxin_lv_flag=0;uintblood_pressure_H=0;uintblood_pressure_L=0;uintblood_pressure=0;uintgao_ya=0;uintdi_ya=0;bitxianshi_flag=0;bitstar=0;bitstar_flag=0;voiddisplay(){LCD1602_write(0,0x80);LCD1602_write(1,0x30+Voltage/1000%10);LCD1602_write(1,0x30+Voltage/100%10);LCD1602_write(1,0x30+Voltage/10%10);LCD1602_write(1,0x30+Voltage%10);LCD1602_writebyte("");LCD1602_write(1,0x30+gao_ya/100%10);LCD1602_write(1,0x30+gao_ya/10%10);LCD1602_write(1,0x30+gao_ya%10);LCD1602_writebyte("");LCD1602_write(1,0x30+di_ya/100%10);LCD1602_write(1,0x30+di_ya/10%10);LCD1602_write(1,0x30+di_ya%10);LCD1602_writebyte("");LCD1602_write(0,0xC0);LCD1602_write(1,0x30+change/1000%10);LCD1602_write(1,0x30+change/100%10);LCD1602_write(1,0x30+change/10%10);LCD1602_write(1,0x30+change%10);LCD1602_writebyte("");LCD1602_write(1,0x30+ji_shu2/100%10);LCD1602_write(1,0x30+ji_shu2/10%10);LCD1602_write(1,0x30+ji_shu2%10);LCD1602_writebyte("");LCD1602_write(1,0x30+xin_lv_num/100%10);LCD1602_write(1,0x30+xin_lv_num/10%10);LCD1602_write(1,0x30+xin_lv_num%10);}voidkey_dispose(){if(!key){ if(key_flag) { key_flag=0; if(star==0) { star=1; star_flag=0; gao_ya=0; di_ya=0; blood_pressure_H=0; blood_pressure_L=0; } } } elsekey_flag=1;}voidmain(){uchari=0;TMOD=0x01;TH0=0x3C;TL0=0xb0;ET0=1;TR0=1;EA=1;LCD1602_cls();while(1){ Voltage=Voltage*0.9+read2543(0)*0.1;