【《便携式家用血压、脉搏及心率监测仪的硬件和软件系统设计案例》7900字】

便携式家用血压、脉搏及心率监测仪的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u17641便携式家用血压、脉搏及心率监测仪的硬件和软件系统设计案例 1178571、硬件电路的设计 260001.1硬件电路总体框图 2295501.2传感器以及电路设计 2172251.2.1传感器 2254481.2.2传感器电路设计 3251911.3STM32单片机及其电路设计 4235541.3.1STM32单片机 434181.3.2STM32单片机电路设计 5227921.4液晶显示模块简介及电路设计 6267011.1.1液晶显示模块LCD1602 6284811.1.2液晶显示模块LCD1602电路设计 8227981.5血压、脉搏、心率测量显示电路 922671.2.1脉搏监测显示电路 9138891.1.2血压监测显示电路 10108411.2.3心率监测显示电路 102931.6蜂鸣器 11111891.7电源电路 1116911.8按键电路 12286311.9总体电路图 13269582、软件系统流程以及程序的设计 14134612.1主程序流程图 14261562.2主程序调用的4个模块 14101942.2.1测量模块 14280472.2.2信号处理模块 1547302.2.3显示模块 16160712.2.4电源模块 17123902.3子程序流程图 18248062.3.1读状态命令子程序流RDcommand 18175282.3.2读数据子程序心率血压采集模块MKB001 18273912.3.3复位子程序REST 19129012.3.4写命令子程序流程图GETWD 191、硬件电路的设计1.1硬件电路总体框图图4-1电路设计框图1.2传感器以及电路设计1.2.1传感器心率血压采集模块MKB001属于微型结构心率血压采集模块MKB0803系列。心率血压采集模块MKB系列作为一类ICT产品的加强版，Sensym公司非常认可这类产品，也是被认定机构所检定合格代表类产品。价格便宜。所有心率血压采集模块MKBDO压力传感器所具有的精度都会限定到满量程范围内。其包含了可用、单一供电电压工作的特点。在设计和制作此种传感器时都以ISO9001标准为检验标准。这种类型的传感器应用环境是那些没有腐蚀性、不是电离环境的工作流体中，诸如空气与干燥气体都属于此种类型。组成这种特定的心率血压监测结构的几个部分是：1颗YK1801脉搏进行传感器设置的芯片、1颗能够完成模拟的前端MN8802脉搏芯片和1颗SFB9712算法芯片总共3种类型的芯片组成，主要的数据是通过单片机串口进行数据读取，波特率是115200。脉搏传感器芯片感应人体脉搏具体信息最终得到这些信息的原理其实是，利用了光电式容积脉搏波描记（PPG）这种类似的进行感应和提取人体新的，采用了前端芯片MN8802与计算算法的芯片SFB9712完成最终的血压、心率等串口信号的显现和输出。在这个血压监测功能模块里涵盖了一下几部分：正确采集本次所涉及的心率血压的计算、以及快速的进行各种显示和输出脉搏波与心电波形、进一步准确的确定人体是否佩戴的何种状态，另外还包括监测人体体表温度装置、HRV-PNN50（选装）、以及正确定制人体呼吸率等用到的人体不同部位的健康指标。1.2.2传感器电路设计心率血压采集模块电路如图4-2所示图4-2心率血压采集模块电路连接图其中，心率血压采集模块的1号端口接地；2号端口接STM32单片机的A10端口；3号端口接STM32单片机A11端口；4号端口接电源。心率血压采集模块功能优点：体积非常小：客户能够根据自己喜好尺寸定制适合于自己的PCB板，最小可达；功耗极小，所有功能的功耗要小于7mA，可以全天候、长时间监测心率血压，同时还能够兼容别的功能；往外显现的内容：包括了诸如心率、血压、脉搏波与提前设置好的心电波形、识别出是否佩戴以及当前的温度数据等；导出的方式：医生通过串口uart信号能够非常方便的得到有关心率血压的具体数值；功能反应比较敏感，瞬时之间就能够给出测量者的心率和血压等数据；使用相当容易，客户能够在不同平台上无需复杂操作即可使用；灵敏度非常高：对于哪类人群不论哪个人体部位都会给出精确的测试数据；系统使用到的电路相当少，仪器周围几乎没有别的器件，这对于整个功能的开发和设计来讲非常方便、简单；系统使用环境能够有客户随意选择，包括是主动监测或者长期监测都可进行设置；为了提供后期的数据分析，系统同时提供了运动条件下对人体部位的实时监测；客制化功能：心率监测，脉搏波分析，动态血压监测。MKB001引脚功能，如表4-1所示：表4-1MKB001的引脚功能1.3STM32单片机及其电路设计1.3.1STM32单片机单片机其实和我们经常说的小型计算机基本一样。通常情况下在控制领域中使用。是微型计算机中不可或缺的必要的一部分。在大家的日常生活里经常使用到它来进行各种控制。单片机的构成其实主要是集成电路而组成的。在其内部其主要包括了cpu处理芯片，这种芯片也被称为中央处理器，另外一个就是常说的IO与处理器。对于我们来讲，仅仅把对应的编译器用程序来实现就可以控制外围相关的器件。相对于单片机来讲，通常会以STM32C8T6核心板来进行重点选型设计。STM32单片机具体的特点是：电压低、微处理性能非常高，能够迅速檫除不需要的字节。而对于我们来讲，这种方式是十分简单、易用的。通常被广泛用于医疗机构与工业生产中，能够实时控制各种器械、停车场的运用、计算机外围设备进行各种控制，通信设备所相关的不同领域都使用到了这种单片机。STM32F103单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，STC公司在创立之初以工业控制为目的而创造的性能单一的单片机。它能够操作不同类型的传感器与外设，并通过自己单独计算而获得某种数据与信号，继而给出相对应的操作，这使得具体的工业生产有了指挥的大脑。打个比方，和平常我们用到的电脑作比较，那么单片机就只够叫做微乎其微级别的电路集成系统，也使得它的作用不是很大，造就了只是可以完成一些非常容易的控制功能。生活中，使用单片机的领域非常多，大部分电器其实都是受单片机所控制，在我们家庭中，无论大家电还是小家电，像冰箱、空调、洗衣机、电视机，还有遥控器、鼠标、键盘、闹钟等等这些电子产品，都离不开一个或多个单片机的控制。在仪表仪器领域，单片机被使用的更为广泛，比如航空航天，家用电器以及医用设备上都要用到这种单片机。通常情况下，现在所有智能设备没有单片机就不会被称作智能化，如今出现的多样化的传感器也对单片机有了一些菲比寻常的要求，这也就造成了很多的更加智能的单片机越来越多的出现了。对于本次设计，我们采纳了STM32F103C8T6单片机作为我们的专业单片机。这个单片机与51系列相对照，增加了非常多的功能，其运行的速度要比后者快上好几倍，与此同时，自身也对外提供了2个AD转换器，当我们完成设计烟雾与CO时，不必要额外添加与之相对应的外表的ADC来进行此种转换，十分方便；STM32所具有的通信和控制作用不是一般性功能可以比拟的。根本不需要拿51单片机和它进行对比。由于51单片机仅仅内置了1个串口来完成通信，对于STM32单片机来讲，它内置了5个串口来完成通信，因此，对那些必须使用串口完成通信的功能组来讲，其本身不必用到通过CD4052等双串口功能来具体转换，因此，这一典型特点可以在市场上快速而且广泛得到运用，32单片机由于其自身能够完成不同种类时钟模数并且在此基础上进行各种工作，因此，这个功耗通常情况下会在对于能耗要求严格的产品里占有相当大的市场份额。STM32优点如下：1.STM32C8T6系列器件中所包含的起振晶组件使用到了RTC，其负载很低，不会出现过去那种比较廉价的圆柱晶振。2.引脚个数为48个。3.工作频率为72MHZ。1.单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。2.单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。6.使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。7.支持ST-LINK和JTAG调试下载。8.存储资源为64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32实物图如图4-3所示：图4-3STM32F103C8T6实物图1.3.2STM32单片机电路设计要使用这种单片机完成不同的功能，首先要做的就是把单片机和电路与外部的各种功能进行完整的关联起来，才能够得到不同的信息交流。此时，会用得上管脚连接单片机和其它组件，起到联通的作用，这也意味着管脚把单片机所具有的外在特性给完美的展现出来。现在的科技在不断的进步，对于单片机来讲，其外在的体积变得更小，外观变得更好，这就使得诸多学者创新出了诸如使许多引脚具有两个或两个以上功能的特性。以现阶段的具体事宜来看，有各种各样的包装STM32单片机的形式，在本文所用的设计里，仅仅使用到了40线双列直播式封装，并给予极为详细的说明，如图4-4所示。图4-4STM32单片机管脚图1.4液晶显示模块简介及电路设计1.1.1液晶显示模块LCD1602我们认识到工业字符型液晶中还包含了具有典型特征即是HJ1602A，它能够一边工作一边完成16*02即总共32个字符的展示，也就是代表了16列2行的数据显示。一般大家平日日常生活中，通常情况下液晶显示器不会陌生。在大量的电子产品中尤其液晶显示器中，它所通过器件务必要借用这种液晶显示模，用一个恰当的比喻，诸如计算器、万用表、电子表或者和它们非常相似的家里使用的电子产品中都必须通过液晶显示出我们所关注到的内容，这些内容可能是数字，或者某种特殊符号，或者以图形的方式进行显示。通常情况下，在单片机里，人机交流界面有这么几种方式展示出来：一种是发光管，另外的是LED数码管，多数情况下是液晶显示器。发光管与LED数码管是最常用的器件，尤其对于软硬件来讲，相对简单很多。一般情况下，正是因为液晶显示器有更优于其它器件的特点，我们通常会在单片机系统使用它。液晶显示中对应的每个点一旦收到信号，则会保持住最初的亮度和色彩状态，发光非常恒定。而相对的，阴极射线管显示器（CRT）则不是那样，相反，它要随时随地的对接收到信号的点进行刷新。这就是意味着液晶显示器肯定会具有画质高、不会闪烁的缘故。还有一点就是，液晶显示器全部用数字式方式显示，它和跟它自己所属单片机系统包含的接口比较容易兼容，从而让这个接口更加简单可靠，可以非常方便的操作。在液晶显示器中，其上的电极能够控制液晶分子的具体状态以便给出想要的显示状态，这就使得和过去老旧的显示器相比，其要轻便的多。和其他显示器相比，这种液晶显示器主要依靠内部包含的电极与驱动IC进行功能显示，功耗也主要发生在这两件组件上。这也使得其比其它显示器功耗要少的多。正是因为液晶显示器功耗非常小，体积小，还可以显示各种各类的内容，更为重要的是，其具体超博轻巧的特点，从而使得他受到了袖珍式仪表与低功耗应用系统更多的青睐。我们给出一种叫做字符型液晶显示器，它包括了点阵图形以便更好的显示字，其可以显示包括1行16个字、2行16个字、2行20个字等等方式，实物图片如图4-5和图4-6所示。图4-5液晶屏正面图4-6液晶屏背面1602采用标准的14脚接口，其中：第1脚：VSS代表了地电源第2脚：VDD联通5V正电源第3脚：能够使用V0进行各种调整液晶显示器的能见度，再和正电源连接时，能够使得对比度变成最小的量，在和接地电源时联通时，能够使得对比度变成最大的数值，对比度过于高时能够产生所谓的“鬼影”，一般情况下可以借助诸如10K的电位器来完成对比度完成的全部调整。第4脚：RS代表了寄存器选择，电平变高时就可以指定选择数据寄存器、电平低时可以指定选择指令寄存器。第5脚：RW代表了读写信号线，高电平时能够准确完成读操作，低电平时能够准确完成相对的写操作。如果RS和RW一块作为低电平时即能够写入指令或者显示出具体的地址，假如RS相对的是低电平然而RW相对的是高电平时能够读忙信号，假如RS是高电平RW是低电平的时候，就可以快速的写入数据。第6脚：E端代表了使能端，假如E端从高电平逐渐转换成某种特定的低电平时，液晶模块则立即完成各种执行命令。第7～14脚：D0～D7代表了8位双方向的数据线。第15～16脚：空脚。1.1.2液晶显示模块LCD1602电路设计液晶显示的原理是这样的：我们要使用的是液晶所具有的特种物理特性，让电压控制那些区域要进行显示，当来电时，则显示该区域，这就促使此区域内提前设置的图形被显示出来。这种液晶显示器的特点就是轻巧、单薄、非常适合巨大规模范围内的集成电路，从而能够完成大面积驱动图形的具体显示，更进一步，哪些有特征的就可以进行全彩色显示图形。现在大家生活的时代，每种诸如便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等等都可以连接并使用这种液晶显示器。图4-7液晶显示模块连接图其中，LCD1602模块4，5，6号端口分别接STM32单片机的22，23，24号端口；LCD1602模块的7，8，9，10号端口分别接STM32单片机的32，31，30，29号端口；LCD1602模块的11，12，13，14号端口分别接STM32单片机的28，27，26，25号端口。VSS代表了地电源，VDD则要求一定连接到电压是5V的正电源，能够使用V0对其进行各种调整液晶显示器的对比度，假如和正电源完成各种连接时，很自然的让对比度变成最小的值，假如与接地电源完成各种连接时，很自然的让对比度变成最大值，对比度过高时会产生所谓的“鬼影”，一般情况下可以借助诸如10K的电位器来完成对比度完成的全部调整。RS代表了寄存器选择，电平变高时就可以指定选择数据寄存器、电平低时可以指定选择指令寄存器。RW代表了读写信号线，高电平时能够准确完成读操作，低电平时能够准确完成相对的写操作。如果PS与PR一块作为低电平时即能够写入指令或者显示出具体的地址，假如RS相对的是低电平然而RW相对的是高电平时能够读忙信号，假如RS是高电平RW是低电平的时候，就可以快速的写入数据。1.5血压、脉搏、心率测量显示电路1.2.1脉搏监测显示电路在输入级端实际上使用的是光电式传感器来完成信号的拾取，因为光敏二极管所具有的反向电流和光强呈线性对比关系，也就意味着，得到这个电流就能够知道脉搏的变化情况，1.5MΩ电阻是光电二极管的负载.把此光电信号所对应的电流变化可以顺畅的转变为电压变化。它的幅度会跟随血液流动状况发生变化而有所不同。从图4-8中可以看到，光电二极管使用的是暗电流相对微弱的硅光敏二极管。对于检测获得的脉搏信号，通常情况下，必须进一步进行诸如滤波、放大、整形的处理才可以供医生使用，也作为数据进行计数。通常情况下，脉搏信号频谱大多数是在20Hz左右，所以我们有针对性的使用了运算放大器来构建我们想得到的类似同相交流放大电路，继而使得直流信号无放大。一般情况，我们可以借助已经存在的反馈电容来屏蔽掉最常见的50Hz工频干扰，得以让低于20Hz的低频信号顺畅通过，在此基础上，对这些低频信号多次多级别放大，最后经过施密特触发器完成最终的整形。图4-8脉搏检测电路脉搏测量，不能只进行简单的计数，应该有一个时间段的控制，才能得到单位时间(1分钟)内的脉搏数，因此我们应用门控信号得到一定时间段(6秒钟)内的脉搏数的二进制码n，应用并行二进制乘法器SN74284乘以系数(1010)，便得到单位时间(1分钟)内的脉搏数N(二进制码)，即为了译码显示可以应用SN74185进行二进制BCD转换。图4-9脉搏计数显示原理图1.1.2血压监测显示电路选取的NovaSensors公司NPC-107医用血压传感器，它也被视为压阻式传感器。这个传感器中起关键作用的是扩散型硅桥组件，它所承受的压力敏感元件与电信号转换元件一般情况下作为一个整体发挥作用的。这个传感器能够稳定的输出被使用精确的1.5mA恒流源。它的运输电流能够在第一级中使用并且很快的应用放大器OP227来完成差动再次放大，CA3420把第一级所能够得到的差动浮动电压会很快的直接改变为单向输出电压。VSS代表了地电源，VDD联通5V正电源，V0代表了液晶显示器对比度调整端具体情况，接正电源时其所对比度非常的弱，接地电源时它所能够完成的对比度非常的最高，对比度极高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS代表了寄存器选择，电平变高时就可以指定选择数据寄存器、电平低时可以指定选择指令寄存器。RW代表了读写信号线，高电平时能够准确完成读操作，低电平时能够准确完成相对的写操作。如果PS与PR一块作为低电平时即能够写入指令或者显示出具体的地址，假如RS相对的是低电平然而RW相对的是高电平时能够读忙信号，假如RS是高电平RW是低电平的时候，就可以快速的写入数据。依据转换精度与真正的实例要求，一般人们会使用Motorola公司制造的特别大的性能位位A/D转换器件MC14433，它的片内包含有振荡器，假如外接两只电容与两只电阻就能完成各种操作，这里，给出输出量程为199.9mV，MC14433的输出信号端中是BCD码数据输出端，代表了千位、百位、十位与个位数所对应的输出选通信号。凭借调节电阻R的阻值就能够完成MC14433的输出BCD码和输入电压保持一致。这里所陈述的MC1403作为精密电源的MC14433所给出的参考电压。在完成A/D所有数据的转换后得到的数字信号必须借助于锁存器并与之一起传输到译码显示电路，这时，得必须与脉搏信号完成各种属性的一致性配合就能够得到想要测量的舒张压与收缩压。所以，这种情况下，使用脉搏信号作为锁存器的控制信号其具体目的就是为了完成具体的控制显示。当脉搏产生的瞬间按照一定测量结果会给出收缩压，完成之后，血压会逐渐的慢慢减小，最终减小到一定程度就变成了舒张压。1.2.3心率监测显示电路心率血压采集模块MKB001属于微型结构心率血压采集模块MKB0803系列。心率血压采集模块MKB系列是Sensym公司检定合格的ICT代表产品的一种增强型品种。价格便宜。所有心率血压采集模块MKBDO压力传感器的精度在满量程范围内为。具有可用单一5Vdc本设计使用主控单片机为STM32F103系列，当时钟频率为72MHz时，从闪存执行代码，主控单片机功耗36mA，相当于0.5mA/MHz，速度快且低功耗，适合用来开发智能手环[11]。见图4-10所示，我们的系统设计。第一，人体脉搏信号凭借反射式光电传感器由光信号映入我们的面前，接下来，将其转变成电信号，最后途径低通滤波器的滤波电路和运算放大器的放大电路后进入主控单片机。信号通过STM32自带的模拟数字转换器(Analog-to-digitalconverter，简称ADC)转换为模拟信号，最后通过算法计算出心率输入至接收端。图4-10心率传感器框图1.6蜂鸣器蜂鸣器电路连接图如图4-11所示图4-11蜂鸣器连接电路其中，电阻左端接STM32单片机的14号端口。由蜂鸣器和指示灯组成了声光报警系统，当所测得的血压高于设定的最大值或者低于设定的最低值或者心率值超过所设定的范围时会进行声光报警。1.7电源电路开关连接单片机所拥有的是第27个脚，作为整个系统的最为关键的开关电源的重要场所。触发POWER键之后，则会进一步完成各种系统相互连通，最后使得整套系统开始工进行作。电源及开关电路连接如图4-12所示。图4-12电源开关电路连接图1.8按