【《基于STM32F103单片机的便携式家用血压、脉搏及心率监测仪设计》17000字】

基于STM32F103单片机的便携式家用血压、脉搏及心率监测仪设计目录一、绪论 11.1研究背景 11.2国内外研究现状 11.3研究意义 21.4论文主要工作 3二、血压、脉搏及心率测量原理 32.1血压测量原理 32.2脉搏测量原理 42.3心率测量原理 5三、方案选择 53.1方案一：容积补偿法 53.2方案二：脉博波传导时间测定法 63.3方案三：光电容积脉搏波描记法 6四、硬件电路的设计 74.1硬件电路总体框图 74.2传感器以及电路设计 74.2.1传感器 74.2.2传感器电路设计 84.3STM32单片机及其电路设计 94.3.1STM32单片机 94.3.2STM32单片机电路设计 104.4液晶显示模块简介及电路设计 114.4.1液晶显示模块LCD1602 114.4.2液晶显示模块LCD1602电路设计 134.5血压、脉搏、心率测量显示电路 134.5.1脉搏监测显示电路 134.4.2血压监测显示电路 144.5.3心率监测显示电路 164.6蜂鸣器 164.7电源电路 174.8按键电路 174.9总体电路图 18五、软件系统流程以及程序的设计 195.1主程序流程图 195.2主程序调用的4个模块 195.2.1测量模块 195.2.2信号处理模块 205.2.3显示模块 215.2.4电源模块 215.3子程序流程图 225.3.1读状态命令子程序流RDcommand 225.3.2读数据子程序心率血压采集模块MKB001 225.3.3复位子程序REST 235.3.4写命令子程序流程图GETWD 23结论 24参考文献: 25附录 27附录A元件清单 27附录B实物图片 28摘要：血压、脉搏、心率都是判断健康的重要指标，利用可穿戴智能设备在日常生活中进行持续的测量十分必要。为了测量人体的各种相关数据诸如血压、脉搏等，通常情况下，必须使得压力传感器、光电脉搏传感器与数字技术三者结合使用。采用光电容积脉搏波描记法里一个非常有用的反射式测量法，发明一种类似于智能手环的监测模块。把STM32F103单片机当做核心，使用NJL5303R反射式光电传感器采集光体积描述信号，使得得到的PPG信号进一步放大、滤波，在此基础上，完成各种算法处理继而获得心率值，实现日常生活中的连续性心率监测。关键词：血压监测;脉搏监测;心率监测;光电容积法;STM32单片机一、绪论1.1研究背景现阶段，全球范围内，已经出现了人口老龄化问题，随着人们生活水平的提高，在哪些医疗服务还不够发达的地方，人们对医疗服务的需求显得更为迫切，为了完成实时性的监控，要求我们必须改变过去那种传统方式，考虑使用医疗方面可移动、能够便携式携带的高新电子器械，这样促进了这一行业的快速发展。当代，高血压常常是位居现代疾病谱上危害最高的病症，逐渐的成为年龄较大人群是否健康的一个风向标。当生活水平越来越好，使得老年人更加的关注自己的血压问题。通常情况下，人体生命没有血液是无法生存的，而这其中完全依靠人体的心脏来完成输血的全过程。因此，这种输送血液的过程其实也是一种收缩和舒张的过程，一般情况下，心脏往外输血的时所产生压力就叫做“血压”。基于此，血压正常情况下，都会有一个稳定的范围值，一旦超过血压范围值的最大值时，人体的大脑、心脏或者其他相关联的肾脏等器官就必须承担一些不必要的负担；反之，血压小于这个正常值时，血液则表现出无法完全流遍每个身体部位，使得头晕等症状发生。心率可以从一定程度上反应心血管健康问题。因此在日常生活中对于血压、脉搏和心率的连续监测十分必要。近些年来，国家慢慢的普及了一些诸如穿戴式设备，相应的每个公司也都开发出了比较多的关于该功能的腕表或手环，使得便携式家用监测仪的使用更加广泛。对于如何进行高血压病的治疗，第一个要做的就是确保血压量取准确。这一手段要通过血压计来完成。通常情况下有直接与间接两种测量方式，也就意味着它们所使用到的工作机理是完全不同的，前者借助于压力传感器进行测量以显示病人压力的变化情况；后者的工作方式要复杂些，主要时刻感应出应测部位受到外部的压力大小，并把这种控制所得到的结果跟与之有关联的柯氏音如何产生以及如何消失所带来的信息进行综合分析。对于前者来讲，不关心测量处是否为动脉抑或静脉，均能够得到好的结果并可持续测试，相对的，后者仅仅适用于动脉的收缩压和舒张压。此次所研究的课题在现实生活中有非常重要的参考意义。现阶段，人们能见到的血压计大多数都是那种较为常用并且普通的水银血压计，当然也可能会销售某种动态血压记录仪。前者的测量过程相对来讲是比较复杂的，主要依靠医生所拥有的听诊器来完成血压的测量，这就造成了不同的医生会给出不同的测量结果。一般来讲，就同样一个人同一时刻，血压会受到很多因素的影响，毕竟测量血压的时间不会持续很长时间，其得到的结果不可能完全反映了这个人的最真实的血压值。通常情况下，动态血压检测中会出现干扰和伪差是不可避免的。1.2国内外研究现状在国外，心电监护具有悠久的历史，可以追溯到19世纪开始的时期。也就是公元1903年，有一个叫做Einthoven的荷兰人，他被称作是“心电图之父”，他借助了多达1500米的特殊功能电缆线，非常具体的对全世界范围内第一份和人体的心电图相关的数据进行了记载，后来，慢慢的大家都了解到了这个心电图，都觉得它是现代社会心电监护的鼻祖。在这以后的多达几十年里，发生了多次诸如冠心病等和心血管疾病有联系的令人类胆寒的大型疾病大范围的流行开来，这种情况下，人们意识到必须尽快完善心电采集和监测相关技术使得其发展的更快速。一开始，医生在抢救重病人员是，最先考虑到要使用ECG完成病人病情的监测。在1933年，一个叫做Hooker的学者第一次在动物身上做心脏跳到状况监测的试验，继而得出了在面对重病病人时，如何给出更好的危重病患抢救措施。时间来到1943年，有个叫做ClaudeBeek的学者。时间来到1952年，有一个叫做Zoll的学者，他首次以心脏功能不能恢复到原状态的病人为对象，进行了一次成功的心脏起搏术，继而对之进行各种起搏、监护等照护动作，最终促使病人较好的恢复健康。最终在1956年，较为专业的体外除颤仪出现在市面上，其大大增强了危重病人成功救活的概率。在1960年，著名学者Kauwenhoven陈述了胸外心脏按摩是非常成功的，这也意味着心脏复苏技术慢慢进入到常人的视野当中。同样是1960年，专家学者们研发了一种可持续于病床前运行的ECG监测仪，这种设备可以联系不间断的给医生展示所监护病人详细ECG信息，能够使得医生可以连续且非常密切的观察心脏病人和危重病人，这样就意味着，医务人员能够从病人的心电图中持续不断的分析和判断病人现在的状况。在上世纪中晚期，医院临床中经常使用到了叫做动态心电图(Holter)、床旁心电监护仪等先进设备。与其处于同一时间，不同的像是非短途的通信技术、全方位影像技术、最新发展起来的电子方面技术与计算机相关的多媒体技艺、网络有关的技艺等在内的非短途的医疗(TeleMedicine)体系也逐渐兴起并不断得到完善，其中，心电远程监护在更大范围内得到了使用。在1960-1980年之间，以电话传输为基础的心电监护技术(TTM)开始在全世界范围内得到大力推广和使用，使用的过程中得到了良好的验证，并获得了非常好的效果。这里讲到的TTM技术，它的最基本原理就是把随时得到的心电信息不断的变换成声音信息，借助于电话设备及时传送到医院接收机里，有了这些声音信息再借助于谐调手段再次转换为心电信号，从而可以使用心电图机描记，最后，医生凭借电话对于患者给出自己的诊治措施。在我们国家内部，医院所用到的心电监测仪相对的要比国外使用的晚一些，但是，随着进一步的广泛使用，在这一方面的研究也得出了相当大的成果。我们国家的福州大学电气工程学院，著名的专家陈颖昭、高跃明等人专门为此发明了一种以STM32为基础的可以随时携带的用于家庭的心电方面检测方法和设备。它能够存放的与心电电极经过具体采集体完成的表单导联心电信号，一并在最后进行各种预处理电路时，第一个是把心电信号完成放大数倍、继而进行滤波和后续的电平抬升后，发送和传输进STM32里以完成各种模/数形式的转换与数字处理，最终会实时被显示在液晶屏上，让电波形、心率和分析结果给医生做出诊断提供详细依据。经过数次实验，这个心电仪提取的心电信号非常有效，测定的心率非常准确，并且给出了大约4种最普通的心率失常症状，还能够完成HRV的时域参数的测定。其实，该心电检测仪所使用到的控制核心是由意大利和法兰西两个国家，所属的半导体公司进行提供的STM32产品，它内置的硬件线路由预处理和核心处理器两种特殊组件构成，是可以十分精确的得到完整的人体所属体表的心电信号。其所采用的程序基本上使用了模块化设计方法，可移植性非常强，能够完成对心电信号非静态的显示并在此基础上完成所有数据的综合分析。1.3研究意义便携式家用血压、脉搏及心率监测仪，主要是用于家庭。现如今，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，而今只要拥有了便携式家用监测仪，坐在家里便可随时监测血压、脉搏及心率的变化，如发现血压等方面有异常便可及时去医院治疗，起到了预防脑出血、心功能衰竭等疾病猝发的作用。可以让更多的人关注自身健康。1.4论文主要工作本文主要设计一款运用传感器进行简易测量的便携式家用监测仪。首先这是一款类似运动手环式的监测仪，其次它操作方便，其研制的成本相较于其他方案较为低廉。二、血压、脉搏及心率测量原理2.1血压测量原理在血管内流动时，血液能够对血管壁产生一定的测压，这种测压是指的单位面积，其即为血压。人体血管动脉、毛细血管以及静脉三种组成，这也造就了有与其分别对应的三种血压。连续血压测量有很多方法，相比较脉搏波特征参数法，心电波和光电容积脉搏波相结合的基于脉搏波传导时间的测量方法在算法上更加简单易行。通常情况下，存在收缩压和舒张压两种血压。前者讲的是在心脏收缩情况下，在受到血管进行的各种血液挤压而呈现在测量仪表中的压力数值；后者能够使得心脏不收缩情况下是所呈现给测量仪表中进行显示的压力。在袖带中，它包含的压力与血压数值一样时，血液就会慢慢的流通继而给出了叫做的袖带声的一种现象，这个时候，就会形成一种良好的收缩压，务必及时以这里为起点完成记录，最终，随着袖带声的消失，舒张压也就产生了。当气袖变得非常缓慢时给出的减压，它能够使用到的压力振荡波携带的振幅变化包络线能够使得医生最终确定出正确血压的判断。目现阶段，大家都有这样的共识：在完成气袖压力振荡波包含的振幅逐渐成为一种最大现象时，气袖的压力水平也就成为动脉水平的平均压的数值。与前面完全不同，动脉所表现出来的收缩压与振幅包络线第一个完成的拐点相一致，舒张压则与第二个包络线拐点相对应。判断发生收缩压的条件：一般来讲最简便的方法是最大化的振幅法，这也就意味着在一种诸如放气现象出来时，脉搏波振幅度包络线就会自动的位于一种继续上升情势下，在下一个发生脉搏波的幅度时，我们通常的做法就是叫这时的气袖压力为收缩压。其中，为上升波段的某一脉搏波幅度，为最大幅度，取。判断发生舒张压的条件：一般来讲最简便的方法是叫做最大化的振幅法，和前面的完全不是同一个理解方法，当无时无刻监测脉搏波振幅包络线位置处于一种持续的下降阶段情况下，在下一个发生脉搏波的幅度时，我们通常的做法就是叫这时的气袖压力认作舒张压。其中，为下降波段的某一脉搏波幅度，为最大幅度，取。在图2-1里，能够使得我们非常明确的看到血压信号和收缩舒张压是如何出现的且出现在何种具体位置。图2-1血压交直流信号及收缩压和舒张压位置首先，一般来讲最简便的方法就是选择最大振幅值，在它所属的浅部曲线位置处查找出符合我们要求的瞬态位置的幅值，当发现是时，我们就可以判断这就是收缩压，在它所属的浅部曲线位置处查找出符合我们要求的瞬态位置的幅值，当发现是的地方，我们就可以判断这样的直流分量可以归纳为舒张压，最终，通过这种方式，能够给出我们需要的收缩压与舒张压以图形的方式显示在液晶驱动器上。实验步骤及注意事项如下：1.袖带位置应与心脏高度维持同一标准，使得上臂非常平顺的下垂，肘与前臂非常平顺的放于桌子之上，使得手心朝上，避免所有胳膊伸出到比心脏位置还高的桌面之上；2.测量血压时，应在安静的身心状态下完成血压测量，应确保整个身体非常的放松，最好保持这种状态大约10～20分钟，与此同时，还要尽量做一下深呼吸2～3次；3.通常只有在吃完饭或者锻炼身体之后超过一个小时所测量的血压才是正确的血压；一般情况下，测量血压应做到三个同时：即同一时间，同一状态，同一姿势，这样才能够完成正常血压的测量；4.测血压应避免在洗澡后、或者吸香烟时、或者喝白酒时，抑或是喝咖啡的同时；应避免憋尿进行血压的测量，或者尿意正浓时测量血压；测量血压时要做到三不：不烦躁，不会有疲劳感的产生，不紧张。2.2脉搏测量原理动脉脉动一般情况下简单叫做脉搏，它的意思是主动脉内的压力会自动根据心脏节律性收缩与舒张进行一升一降的变动，继而使得血管壁也会完成多次相应的扩张与回缩的搏动。因为血液这种液体及其不透明，在血液中，光照很难像其他组织中穿透的那么好，正是基于这个特点，为了得到脉搏信号，通常使用透射式光电效应的手指脉搏传感器来完成所有操作。2.3心率测量原理目前比较成熟的可用于可穿戴设备的无创心率测量的方法有好多种，大约包括了总共五种方法：有关心电信号的测量方法法、与血氧有关的测量方法法、和压力相关的振荡法以及和图像信号相关联的分析法，另外还有光电相关的容积法。在上面各种各样的方法里，最常见、使用最多的就是光电容积法，一般情况下，我们都会叫它为光电容积脉搏波描记法，它可以分为两个分支，一个叫做反射式测量方式，另外一个叫做透射式两种测量方式。我们大家均有这样的认识，那就是动脉血与静脉血这两种性质完全不同的血液组织和其相对的非血液组织组成了我们的人体组织。按照郎伯-比尔定律可以有这样的认识，人体在经过波长比较稳定的单色光完成照射后，人体是可以作为介质吸收与反射一部分光，剩下的光的强度能够反映该被照射的人体部位的详细特征。当心脏跳到是带来的脉搏的变化，会使得仪器接收端具有的光信号也会发生波动性变化。当心脏收缩时，其外围血压容量大，使得光吸收量也会变得大起来，从而导致检测到的光强度变小，相反，当心脏舒张时情况不同。把该光信号变成电信号即可得到人体心率的变化。三、方案选择3.1方案一：容积补偿法容积补偿法，也称其为恒定容积法，是由Penaz于1973年正式提出的。正常情况下血液会对血管产生一个向外的力，如果在血管外给予一定压力，当血管壁内外压力相等，血管内径便不再随着脉搏的搏动而变化，而就可以认为此时的血管处于恒定客积的状态。因此，只要能够测得保证血管处于恒定容积状态下所施加的外压力，便能够知道血压。要想实现这一测量首先需要设定一个合适的压力(理论上为平均动脉压，而Penaz则主张设定为测量血管容积的1/3)使血管最大限度的去负荷，随后快速调节外力使血管始终保持“恒定容积"状态，此时所施加的外力即为血压值。该法一般选取指端为测量部位，通过使用位于前臂的袖带和基于光电容积描记术，通过传感器测量血容量以测定瞬时血压(手指)。通过示波测量估计零透壁压力时的血量，然后连续地改变袖带压力，以通过快速伺服控制系统在整个心动周期中维持该血液体积施加的袖带压力，因此可以近似等于血压。基于恒定容积原理，手指血压测量系统最早于20世纪80年代正式问世，Yamakoshi带领的一个日本科研小组在应用容积补偿法进行血压测量方面进行了非常详细的探索，并不断优化该系统。21世纪以来，利用电子导纳技术的便携式指端血压测量仪已经可高效测量包括多种生理参数在内的血压数据，同时可将数据与电脑联动，实现血压数据的有效管理和分析。但是该技术也存在一定问题。(1)温度、循环血量等因素容易影响指端血压。(2)雷诺氏症、血管活性药物的使用也可以影响血压的测量。(3)长时间的指端加压、袖带尺寸错误都会使被测者产生不适感。(4)采用恒定容积法的测量装置测得的部分血压值离散度有些大，没有达到美国医疗仪器促进协会规定的指标，因此不能作为临床上的血压值测量方法，但是如果用于长期跟踪监测，血压数据的可信度还是相当可观的。3.2方案二：脉博波传导时间测定法传统的示波法、柯氏音听诊法其本质都是根据脉搏波的特性来反映血压变化。因此有人设想能否通过脉搏波的传导速度推算血压值。而这种方法的脉搏波传导速度一般是通过波动在一段动脉中由A点到B点的传递时间来计算的，因此通过脉搏波传导时间也可以推算出动脉血压。所以，基于PWTT或者PWV测量血压的方法包括以下3个步骤。(1)测量近端和远端动脉波波形。(2)从波形估计PWTT或者PWV。(3)将PWTT或者PWV转化为血压值。前两点通过技术手段很容易实现，动脉波形的测量可以使用经典波形测量方法(PPG)，即电生物阻抗、阻抗心电图和心电图联合测量法，或者是视频体积描记术(VPG)，而PWTT或PWV可以通过分析波形得出。因此，最困难的地方无疑是找寻PWTT或PWV与血压的具体联系。很多因素都可能影响到PWTT和血压，例如血液密度、血液黏度、血管顺应性、平滑肌的固有弹性(VE)和舒缩活动(VM)、动脉平均截面积等。早在1976年，BrainGribbin等就通过实验成功证实了PWV与血压的变化具有相关性，但仍然无法得出确切血压值。直到20世纪80年代，日本的科学家成功通过PWT推算出血压值，但是较高的离散程度极大地影响了用此种方法连续测量血压的精确性。我发现大多数研究基于多因素建立的血压与PWTT的线性回归方程，已经有了很好的准确度，而一些非线性函数模型也有较好的准确度。所以我认为随着越来越多的影响因素被发现并消除基于PWTT的连续无创血压测量精度将进一步提高。3.3方案三：光电容积脉搏波描记法光电容积脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGraphy，下文简称PPG）是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到检测端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，故光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。由此可见，容积脉搏血流中包含有血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。同时，容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。PPG信号中包含有人体循环系统、呼吸系统等许多生理病理信息。在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率、微循环、血管阻力、呼吸率、呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景。虽然由于红光、红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂，影响它的因素也比较多。但此方法也具有的无创性，且检测方便、操作简单、性能稳定、重复性好、安全无交叉感染等许多优点，使其不仅可用于医院中的临床检测、监护、急救体能测试，还可应用于社区和家庭医疗保健，并具备联网扩展功能，可以组建家庭社区和医院的医疗网络，在这些方面将都会有很好的应用前景。因此，在本文中选用此方案进行便携式家用血压、脉搏及心率监测仪的设计。四、硬件电路的设计4.1硬件电路总体框图图4-1电路设计框图4.2传感器以及电路设计4.2.1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。4.2.2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4.3STM32单片机及其电路设计4.3.1STM32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。4.单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。5.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4.3.2STM32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4.4液晶显示模块简介及电路设计4.4.1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。4.4.2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。4.5血压、脉搏、心率测量显示电路4.5.1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4.4.2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。4.5.3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供电电压土作的特点。此种传感器的设计与制造全部按照遵循ISO9001标准完成。这种系列的传感器能够在不是腐蚀性、不是电离的工作流体上工作，最为典型的就是空气和干燥气体。该心率血压监测模块主要由1颗YK1801脉搏传感器芯片、1颗模拟前端MN8802脉搏芯片和1颗SFB9712算法芯片组成，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4.6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。4.7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4.8按键电路按键的S1，S2，S3端分别连接STM32单片机的1，2，3号端口，按键模块电路连接如图4-13所示。图4-13按键电路连接图4.9总体电路图图4-14总体电路连接图五、软件系统流程以及程序的设计5.1主程序流程图图5-1主程序流程图5.2主程序调用的4个模块5.2.1测量模块心率血压采集模块MKB001初始化子程序：关闭总中断时主机释放总线，P1.0改为输入；主机发复位脉冲持续，主机释放总线，口线P1.0改为输入；心率血压采集模块MKB001等待时判断心率血压采集模块MKB001数据线是否变低（存在脉冲）。若变低，则心率血压采集模块MKB001未准备好，重新初始化；若心率血压采集模块MKB001数据线变高，则初始化成功；数据线低电平可持续初始化失败，重来。5.2.2信号处理模块读取A/D转换信号子程序：心率血压采集模块MKB001应答最少；循环8次，写一个字节；写入位从A中移到CY；等待，命令字按位依次送给心率血压采集模块MKB001，保证写过程持续；未送完一个字节继续；循环8次，读一个字节，低电平持续，口线设为输入，等待，主机按位依次读入心率血压采集模块MKB001的数据，读取的数据移入A，保证读过程持续，读完一个字节的数据，存入A中。测量信号经传感器送到AD模块，经过采样后，传输到信号处理模块处理，转化成数字信号，经过计算后，最终得到收缩压和舒张压。5.2.3显示模块LCD1602液晶显示在执行程序指令之前要进行模块标志位的忙信号，只有当它的忙标志位为低电平时才表示可以执行指令。LCD1602要呈现出字符时，就要获得该字符的现实的RAM地址。它内部的控制寄存器有11条控制指令，包括清屏，光标移位等指令。如图5-2所示：图5-2显示模块流程图5.2.4电源模块系统上电后，按下开始按键，单片机在接收到按键已经被按下的指令时，主程序会开始控制测量显示电路，使其导通开始工作，显示测量值。5.3子程序流程图5.3.1读状态命令子程序流RDcommand5.3.2读数据子程序心率血压采集模块MKB0015.3.3复位子程序REST5.3.4写命令子程序流程图GETWD

结论随着人们对健康关注与需求日益增长，对于各种可便携式家用设备的功能要求也逐步提高。在分析了血压、脉搏、心率等等事关身体健康等体征方面的问题，并就此引出了此篇文章所要达到的最根本需求，接下来，主要阐述了便携式设备里所有功能中是如何检测人体某个部位所具有的血压、脉搏、心率等参数特征。在前后作出多轮比较，这次的设计为了得到需要的信号，使用的是光电容积法里面的绿光反射法，发现不同家种类算法结合起来则会得到更好的效果。完成硬件处理后，其数值被逐步过滤，就会得到更加精确的数值，最后，完成我们一般情况下血压、脉搏和心率的监测。现在流通市场内部，我们看到的多数动态血压记录仪其实缺点多多。这里随手可举出几个例子：仅仅给出单次测量结果，致使医生看到的很大数字不知其是否真迹，得通过频繁的连续才能使得现场传感器上面的信号导入到采集卡上，这样就使得我们的布线施工非常繁琐，也大大增加了使用成本；第二个缺点就是，上传到线路上的只是一种模拟信号，一不小心就有可能被干扰掉，甚至损耗大半。数字化技术的系统就是为了避免上述缺点而产生的。在我们这篇文章设计里，首先慎重选择了单片机，使用的是欧洲Atmel公司制造的十分稳定的STM32单片机。采用这种单片机关键因素是：第一个，血压计有关的软件设计上通常不会用到非常多的数据进行计算，这种8位微控制器的STM32单片机自身携带了4K的字节闪速存储器，这样的配置已经能够满足我们设计要求；另外，我们选择的这种STM32系列单片机在技术上被大家广泛使用，非常成熟，尤其是其价格非常便宜，使得成本大大降低。在这个课题中，最终的目的就是设计一种动态的、全方位信息的血压记录仪，可以透明的显示所有当下测量结果，随时测量随时分析并给出结果，让医生随时调取原始波形数据以便判断当下是否是真实的波形数据，能够很快的查找出哪些是干扰，哪些是错误，最终得到更为接近真实的数据，使得最后所出的血压报告更加可靠和有效。与此同时，本人能力毕竟有限，对于设计还是有欠考虑的地方。另外，存在一些问题，比如，本身成本就限制了我们要使用的芯片不会死最新款，其运算速度与其他类型产品不可同日而语；能源消耗量还没有完全优化。望读者给予建议或意见。

参考文献:[1]杨益民，李旭雯，罗志昌，等.应用光电容积脉搏波法研制新型血流参数监护系统[J]、中国医疗器械信息，2001,(05):6-8.[2]张媛，吴书裕，周凌宏.基于PTT的连续无创血压测量系统的