数字式血压计的设计

摘 要： 为了方便血压测量，根据血压测量方法——示波法进行数字式血压计的设计，包括硬件设计和软件设计，硬件主要以STC90C51作为核心处理器，辅以压力传感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶显示等模块，通过对实物进行测试，采用此方法设计的数字式血压计能实现血压的测量。

关键词： 示波法； 数字式血压计； STC90C51； MPS3117?006GA

中图分类号： TN710?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0128?04

Design of digital sphygmomanometer

FU Rui?ling， YUE Li?qin

（School of Information Engineering， the Huanghe S&T College， Zhengzhou 450063， China）

Abstract： For convenience of blood pressure measurement， a design of digital sphygmomanometer based on a method of measuring blood pressure about oscillography is proposed， including hardware and software. The hardware structure based on kernel controller STC90C51， pressure senor MPS3117?006GA， ADC0809 and 1602LCD module is supplemented. Through test it is proved that the digital sphygmomanometer can realize the measurement of blood pressure.

Keywords： oscillography； digital sphygmomanometer； STC90C51； MPS3117?006GA

0 引 言

随着社会的发展，人们的生活水平越来越高，对于自身的健康问题也越来越多地引起了人们的重视，其中血压是否正常是身体是否健康的一个重要的指标。在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。治疗高血压病，首先是要测量准确的血压。对于非医护人员来说，如何使血压的测量既简单又准确，成了主要的问题。相比较于水银血压计的操作复杂，测量过程复杂，数字血压计应运而生，越来越多地走进了人们的家庭里[1?3]。本文基于示波法的原理，以STC90C51单片机为控制核心，辅以压力传感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶显示等模块对数字式血压计进行了设计。

1 示波法原理

血压测量原理主要是示波法和柯氏法，这两种方法都是通过充气袖套来阻断上臂动脉血流。但是示波法基于抗干扰能力强，血压判断可靠、自动检测等优点成为了无创血压检测的主流。

示波法原理如下。

由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将会产生与心搏同步的压力波动并与其重叠，即脉搏波。当所加的气袖压力远远大于收缩压时，脉搏波会消失。随着气袖压力的逐渐减小，脉搏开始出现。当气袖的压力从远远大于收缩压下降到收缩压以下时，脉搏会从小突然增大。在平均压时会达到波峰最大值。到达最大值之后会随着气袖压力的下降而逐渐衰减。用示波法测量血压就是根据脉搏波的振幅与气袖压力之间的非线性关系来计算血压的。与波峰对应的是平均压，收缩压和舒张压可分别通过与波峰的比例来确定[4?5]。

舒张压的计算：

定义舒张压系数[Kd]（一般取0.5），随着脉搏波的振幅上升，当振幅上升到最大振幅的[Kd]倍时（即[UiUm=Kd]），此时的脉搏振幅[Ui]所对应的气袖压力就是舒张压，即[Ui=Kd*Um。]

收缩压的计算：

定义收缩压系数[Ks]（一般取0.8），随着脉搏波振幅的下降，当振幅下降到最大振幅的[Ks]倍时[UiUm=Ks，]此时的脉搏振幅[Ui]所对应的气袖压力就是收缩压，即[Ui=Ks*Um。]

2 系统工作原理

数字式血压计主要由电动气泵MG、气袖、压力传感器MPS3117?006GA、电磁气阀、微控制器STC90C51、ADC0809以及液晶显示1602LCD等构成[3]，如图1所示。

数字式血压计的工作过程如下：脉宽调变PWM输出控制信号，用于控制气泵的充气漏气以调整气袖的气压；一路ADC采样气袖内气压直流分量用于测得收缩压和舒张压；另一路ADC用于采样气袖内气压的交流分量用于确定直流分量取收缩压和舒张压时的瞬态时间位置；经过单片机处理，将最终的处理结果送液晶显示屏显示。

图1 数字式血压计结构框图

一次血压的测量过程可以分为如下几步：

（1） 激活PWM使气泵给气袖充气并充至200 mmHg高，然后以5 mmHg/s的速度放气。

（2） 压力传感器采集气袖压力信号并转换为电信号进行输出。

（3） 压力传感器的输出信号经差分放大器处理后变为单端信号；

（4） 所得到的单端信号一路给ADC0809的IN0通道以监视直流分量；另一路送给二阶带通滤波器（0.8～6.4 Hz）以滤除直流分量和50 Hz工频干扰以及皮肤与气袖摩擦所产生的高频噪声，并且将此信号的幅值限制在0～5 V之间。

（5） 经过处理的交流信号送ADC0809的IN1通道，经过模数转换之后送给STC90C51计算幅值，先经过比较找出最大的振幅[Amax，]然后通过幅值上升段找出[0.5Amax]的瞬态时间所对应的直流分量的值，该值即为收缩压，在幅值下降阶段找出[0.8Amax]的瞬态时间所对应的直流分量的值，该值即为舒张压。

（6） 将上步中计算出的收缩压与舒张压送液晶显示屏1602LCD进行显示。

收缩压与舒张压的计算过程如图2所示。

3 硬件设计

3.1 传感器电路和差分放大电路设计

对于数字式血压计来说，压力传感器决定着血压的测量精度和灵敏度，所以压力传感器是数字式血压计设计的核心部件之一。通过比较，本文选择了由上海某公司生产的MPS3117电阻式传感器。该传感器灵敏度高，能检测到气袖中微小的压力变化。该传感器的额定电压为75 mV，测量压力范围为0～300 mmHg，实验板所用到的灵敏度为1 mV/4 mmHg，范围[6]为8～50 mV。

图2 收缩压与舒张压计算过程示意图

本文所用的ADC0809的电压是5 V，与压力传感器MPS3117所输出的电压信号不匹配，压力传感器所输出的电压信号太小，故需要对输出电压进行放大。本文运用带有差动输入的四运算放大器LM324设计了信号放大电路和滤波电路，将输出电压进行放大到0～4.7 V的标准电压输出。然后将放大后的标准电压输入单片机的A/D模块。

本文所设计的放大电路为差动输入、单输出的放大电路，能够有效地抑制温漂，并且能够保证电压输出的稳定性。所设计的压力传感器和差分放大电路如图3所示。

图3 传感器和差分放大电路

3.2 滤波电路设计

传感器在采集信号时，会采集到一些干扰信号如50 Hz工频干扰和皮肤与袖带摩擦所产生的高频干扰以及直流干扰，所以需要对信号进行滤波。本文滤波电路的设计采用了LM324中的一个运放去构成0.8～6.4 Hz的带通滤波器[7]。滤波后的交流信号送入单片机ADC找出[Amax，]找出[0.5Amax]和[0.8Amax]时所对应的瞬态时间位置，然后在对应的直流分量中找出收缩压和舒张压。滤波电路如图4所示。

滤波电路采用LM324中的一个运放构成带通滤波器允许0.8～6.4 Hz的信号通过，滤掉信号中的直流成分和电源以及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰。滤波后的交流分量送入单片机ADC计算幅值，找出振幅增大过程中的[0.5Amax]和振幅减小过程中的[0.8Amax]的瞬态位置，两者对应的血压直流分量即为收缩压和舒张压。滤波电路如图4所示。

图4 滤波电路

3.3 ADC0809转换电路设计

本文所采用的模数（A/D）转换器为ADC0809，该转换器由8位的模数转换器和8通道多路转换器两部分组成[8]。通过前面分析可知，本文所设计的数字式血压计仅仅用到了直流和交流两个通道，本文选用IN0和IN1，所以对于ADC0809的三位地址端（ADDA、ADDB、ADDC）没有必要都选用，ADDA一个端口即可满足要求，用它的0、1来代表直流信号和交流信号，ADDB、ADDC可直接接地。其中ADC0809的工作方式有两种：查询方式和中断方式。通过前面的分析也可知道，在此采用的是查询方式。因ADC0809没有内部时钟，所以本文为该芯片提供了通常使用的频率为500 kHz的外部时钟信号。单片机STC90C51的主频接的是6 MHz，所以ALE为ADC0809提供了1 MHz的时钟频率；故本文在ALE的输出端加了由74LS112所构成的1/2分频器得到500 kHz时钟信号。通过实际应用系统使用证明，ADC0809在该频率下能够正常的工作。具体电路如图5所示。

3.4 液晶显示模块1602电路设计

[VSS]为地电源，[VDD]接5 V正电源，[V0]为对比度的调整端，当[V0]接正电源时对比度最低；当[V0]接地电源时对比度最高，对比度要求适中，太低了看不清楚，太高了会产生“鬼影”，本文在设计时通过一个10 kΩ的电位器来调整液晶显示屏的对比度。PS为寄存器选择端，当PS=1时，选择数据寄存器；当PS=0时，选择指令寄存器。RW为读写信号线，当RW=1时，进行读操作；当RW=0时，进行写操作。当PS=PR=0时，写入指令或者显示地址；当PS=0，PR=1时，读忙信号；当PS=1，PR=0时，写入数据。

E端为使能输入端，当E=10时，液晶显示屏执行命令。

液晶显示模块电路设计如图6所示。

图5 A/D转换电路

图6 1602显示电路

3.5 其他电路设计

3.5.1 电源电路

J10接外部电源，如9 V或12 V，[C1]用以抑制高频干扰以及抵消输入引线较长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，容量较小。[C2，C3]的作用是改善负载的瞬态响应，为获得最佳效果，电容应选用频率特性好的陶瓷电容或钽电容为宜，另外为了进一步减小输出电压的纹波，一般在集成稳压器的输出端并入电解电容[C4。]D1为保护二极管，当输入端短路时为[C4]提供一个放电回路，防止调整管的发射结击穿。如图7所示。

图7 电源电路

3.5.2 线性阀PWM控制电路

线性阀PWM控制电路如图8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调变）控制泄气速率，MCU调整泄气速率是根据压力值和泄气的变化来进行的，使泄气速率在规定的范围之内。具体工作方式如下：当充气达到200 mmHg时，PWM开始作用，使其开始泄气，第25脚会接到IC所发出的信号，然后信号经[R14]到达Q2，会使Q2导通，此时继电器吸合，使电磁阀开始工作，D2保护Q2和K的正常工作而设计。

图8 电磁阀电路

3.5.3 充气PUMP控制电路

充气PUMP控制电路如图9所示。其中PUMP的动作由PUMP control信号控制，[R13]为限流电阻。具体工作方式：[R13]得到IC的26脚提供的高电平（约0.6 V），经Q1导通，Q1得到[VCC]所提供的5 V电压，Q1的导通会使继电器吸合，这样+5 V的电压就经过了PUMP使PUMP导通。电路中的D2主要作用是使继电器在断电情况下仍能稳定工作，起保护作用。

图9 气泵电路

3.5.4 按键电路

按键开关与单片机的40脚相连，作为整个系统的开关电源。当按下POWER键时，则整个系统导通，单片机开始工作，然后按下测压按键开始充气。如图10，图11所示。

图10 电源按键

图11 测压按键

4 软件设计

软件设计主要分为以下几步[9?10]：

（1） 电源开启后，可通过键盘输入或者是PC机修改系统的默认参数。

（2） 然后系统对某些参数和某些寄存器进行初始化。

（3） 启动A/D转换直接转化结束。

（4） 转换结果送入上位机。

（5） 用单片机对经过1 s采样一次的数据进行分析处理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]对应瞬态时间值的直流分量值，也就是所要求的收缩压和舒张压。将它们送往1602液晶显示屏上进行显示。

软件流程图如图12所示。

图12 软件流程图

5 结 语

易操作、成本低、维护方便、规格小的数字式血压计给人们的生活带来了实实在在的好处。本文在示波法原理的基础上，利用STC90C51作为控制核心实现了数字式血压计的硬件和软件设计，其中硬件设计具有成本低的特点，软件设计具有节约存储的特点。

参考文献

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