1、血壓計設計論文摘 要現代社會的迅速發展,導致環境日益惡化,不健康的生活習性與不科學的 飲食習慣,導致人類疾病越來越多的出現。其中,有著人類第一無形殺手稱號的 高血壓病,已逐漸上升到人類疾病危害排行榜的前幾名,長期危害著人體健康, 讓飽受高血壓折磨的患者痛不欲生。如何便捷有效地測量與監控高血壓,從而有 效預防與治療高血壓,成為人們對抗高血壓病的首要問題。于是,設計一臺便捷 的測量血壓的裝置,成為重中之重。家用電子血壓計,主要是用于家庭。家庭醫療保健已成為現代人的醫 療保健時尚。過去人們測量血壓必須到醫院才行,而今只要擁有了家用電子 血壓計,坐在家里便可隨時監測血壓的變化,如發現血壓異常便可及時去

2、醫 院治療,起到了預防腦出血、心功能衰竭等疾病猝發的作用。本文將詳細介 紹我們設計的智能型血壓測量裝置。關鍵詞:ASDX 001; AT89C51;液晶顯示;壓力測量。目 錄前言隨著生活水平的提高,人們越來越觀注自己的身體健康,血壓是身體健康與 否的一個重要指標。 據 2001年全國普查顯示, 我國平均每三個家庭就有一個高血 壓患者;慢性低血壓的發病率為 4%左右,其在老年人群中可高達 10%。因此,研 制既適合家庭保健人員又適合專業人士智能型血壓計具有重要的意義。在現代疾病譜上,高血壓的危害無疑高居前幾位。對于上了年紀的人,血壓 是一個重要的健康信號。隨著生活水平的提高,時下老年人對自己的血

3、壓越來越 關注。高血壓是世界最常見的心血管疾病,也是最大的流行病之一,它的危害非 常的巨大,據有關統計資料顯示,我國現有的高血壓患者已達一億,并且每年新 增人數在 300萬以上。從高血壓目前的危害來看,高血壓病已成為人類的頭號隱 形殺手病。 高血壓病不但是長期危害人體健康的一種慢性病, 而且它還是腦中風、 冠心病、心肌梗死、心力衰竭、腎衰等疾病的禍首,因此被人們稱為 “ 無形殺手 ” 。 高血壓對人體的損害是全身性的,也是造成死亡的惡魔,直接威脅著人的 生命,所以,對高血壓這個無形殺手,不可掉以輕心。治療高血壓病,首先是要測量準確的血壓。測量血壓的儀器稱為血壓計。 血壓計可分為直接式和間接式兩

4、種。兩種血壓計的工作原理是不相同的,直接式 是用壓力傳感器直接測量壓力變化;間接式的工作原理則是控制從外部施加到被 測部位上的壓強,并將控制的結果與其相關的柯氏音的產生和消失的信息加以判 斷。前者不管對動脈或靜脈都可連續測試,而后者只能測量動脈的收縮壓和舒張 壓。傳統的血壓計是模擬的血壓計。 此類血壓計操作比較復雜, 測量精度不夠, 而且受環境影響較大。且時常需要校準精度,需用一只準確的汞柱血壓計或血壓 表一同校驗。其方法是將聽診器上 “Y” 形管取下,其兩端分別接準確的血壓計 (血 壓表 和校驗的彈簧表式血壓表,第三端接臂帶及氣閥,這樣利用同一壓力,觀察 要校驗的血壓表與準確的血壓計 (血壓

5、表 的讀數是否葙伺,如不同則說明該校驗 的血壓表已不準確,如讀數相同,僅零位有偏差時,并不影響實際使用。如發現 血壓表指針不能回復零位時,切勿擅自調節螺釘,以免損害表內機芯,此時應將 血壓表送到生產廠家或指定服務部維修。因此,此類血壓計的使用與維護相對麻 煩。為了讓廣大血壓計使用者更方便的使用與維護血壓計,也讓更多的人學會使 用血壓計進行簡單的血壓測量,我們設計出一臺操作便捷,測量精確,無需維護的智能型測量血壓的裝置,以幫助人們對抗高血壓。本論文也具有比較重要的現實意義。目前,市場上的使用的血壓計大部分 仍是水銀血壓計,也有一些動態血壓記錄儀。水銀血壓計每次測量必須由醫生戴 上聽診器進行測量,

6、 測量過程復雜, 只能是每個醫生一次對一個人進行測量 ; 而且 對不同的醫生,測量結果可能不同 :對同一個人來說,影響血壓因素非常多,由于 每次測量的時間不可能很長,測得結果在某些情況就不能真實的反映被測對象的 血壓值。 將脈動波的記錄引入動態血壓技術, 提供 24小時內的每次血壓測量結果, 而且能再現每次測量過程中的波形。 在動態血壓檢測中干擾和偽差是不可避免的。 目前市場上的大部分動態血壓記錄儀,只記錄每次測量的結果,醫生面對的是一 批真偽難辯的數字。本課題研究最終旨在設計出全信息的動態血壓記錄儀,使每 次測量結果完全透明,實時分析結合回顧分析,使醫生可以對照原始波形判斷數 據的真偽,有效

7、甄別出干擾和偽差引起的誤檢測,恢復真實血壓,保證血壓報告 的有效性和可靠性。第一章 便攜式血壓計裝置總體概述§1.1 便攜式血壓計簡介該產品重量輕,便攜,可放入醫生護士口袋。無水銀,增強環保性,避免了 因水銀泄露而造成的污染事故。操作簡單易懂,特別適合家庭使用。 2該血壓計以壓力傳感器測得血壓值, 再將血壓數據通過 A/D轉換器轉換成數 字信號,傳入單片機,然后由控制核心單片機控制,經主程序處理數據之后,在 液晶顯示器上把數據顯示出來。1. 袖帶位置須與心臟高度保持一致,上臂自然下垂,肘和前臂自然地搭在桌 子上,手心向上,不要把整個胳膊平伸在高于心臟位置的桌子上,或用墊子將胳 膊墊得

8、過高;2. 每天要在固定時間和同樣狀態下,以相同的姿勢測量血壓;3. 應該在安靜的狀態下進行測量, 測量前安靜休息 1020分鐘, 深呼吸 23次;4. 飯后或運動后至少休息一小時再進行測量;5. 不要在浴后、吸煙、飲酒、喝咖啡后測血壓;6. 要在沒有尿意時測血壓。7. 測量時應保持心情舒暢,沒有疲勞感,不緊張。 7§1.2 血壓計裝置設計方案便攜式電子血壓計是傳感技術和微電腦技術的結合體,它的結構應該能保證 完成三項基本任務:感應血流的壓力;判別高壓和低壓;在屏幕上顯示測 量結果。感受血流壓力離不了傳感器,民用電子血壓計中所應用的壓力傳感器必須是 高性能低成本的,靈敏度要高,測量范

9、圍倒不需要很大。在各種傳感器中有一類 是利用壓電效應的,還有一種人工合成的被稱為 PVDF 的壓電薄膜,它是柔軟的 塑料。其次就是能根據血壓變動及時抓住高、低壓的微處理器。另外,血壓會通 過電子血壓計的液晶顯示屏進行顯示。在這里介紹一下有關血壓的基本知識, 血壓是血液在血管內流動時對血管壁 的側壓力。血壓分收縮壓和舒張壓。當心室收縮向動脈泵血時,血壓升高,其最 高值為收縮壓。心室舒張時,血壓降低,其最低值為舒張壓。血壓通常以上肢肪 動脈測得的血壓為代表,正常成年人上膠動脈的收縮壓為 90140毫米汞柱,舒 張壓為 6090毫米汞柱。血壓過低或過高都是疾病的征象。血液在動脈血管中的壓力隨著心臟的

10、收縮、舒張而不斷變化,而人的心臟的 收縮頻率即心率比較低,一般在 30300bpm,由此血壓脈動鑲號是相對而言還是 屬于一種緩慢變化的信號,我的設計是采用外接式的結構,以 89C51單片機為核 心,由其內部自帶的 10位 8通道 A/D轉換模塊構成的采樣模塊, ,該模塊的采樣 數據由單片機串口經電平轉換后送到上位機的串口 COMI 或 COMZ , 形成種連續 數據采集串行數據傳輸的方式本設計是基于 89C51單片機的設計,具體裝置方案如下圖 1-1所示: 圖 1-1便攜式血壓計設計方案系統工作示意圖: 圖 1-2 血壓計系統工作示意圖硬件工作流程圖如圖 1-2所示。電源開啟過后,若有必要修改

11、系統的默認參數,將由鍵盤輸入或 PC 機對其 進行設置。經過了這個階段以后,系統將對某些參數和硬件內部的一些寄存器進 行初始化工作。初始化完成之后,將啟動 A/D轉換,等待直至 A/D轉換結束。然 后將 A/D轉換結果送入上位機。待采樣的時間達 1秒鐘后將分析數據結果,求出 最大值和最小值, 將這些數據處理后即為收縮壓和舒張壓。 將它們送往 LED 數碼 管進行顯示。§1.3 便攜式血壓計工作原理血壓有兩種 , 一是收縮壓 :是當心臟收縮把血液打到血管所測得的血壓 , 二是舒 張壓 :是心臟在不收縮所得的壓力。當袖帶的壓力等于血壓時 , 血液開始可以流通 而產生所謂的袖帶聲 , 這時

12、候也就是收縮壓 , 必須開始從這里做記錄 , 直到最后當 袖帶聲沒有的時候 , 此點即為舒張壓。根據氣袖在減壓過程中,其壓力振蕩波的振幅變化包絡線來判定血壓的。目 前比較一致的看法是當氣袖壓力振蕩波的振幅最大的時候,氣袖的壓力是動脈的 平均壓。動脈的收縮壓對應于振幅包絡線的第一個拐點,舒張壓對應于包絡線的 第二個拐點。收縮壓判斷的確定:通常采用最大的振幅法,即在放氣過程中脈搏波振幅度 包絡線的上升段,當某一個脈搏波的幅度 Ui 與 Um Um 之比 Kd時,就認為此時 對應的氣袖壓力為收縮壓。Um Ks Ui P Ps *=| (1-1舒張壓判斷的確定:也是用最大的振幅法來判定,不過是在脈搏波

13、振幅包絡 線的下降段, 當某一個脈搏波的幅度 Ui 與 Um 之比 Kd 時, 就認為此時對應的氣 袖壓力為舒張壓。Um Kd Ui P Pd *=| (1-2血壓信號以及收縮舒張壓的位置如圖 1-3所示 圖 1-3 血壓交直流信號及收縮壓和舒張壓位置先找出最大振幅值 Amax ,在往前找幅值為 0. 5Amax的瞬態位置對應血壓直 流分量即為收縮壓 , 往后找幅值為 0. 8Amax 的瞬態位置對應血壓直流分量即為舒 張壓 , 將計算出的收縮壓和舒張壓結果輸出至液晶驅動器顯示馬達在充氣時,袖帶內部產生壓力,數字壓力傳感器 ASDX 001感應到該壓 力值, 經過放大以及濾波電路后, 由單片機

14、 89C51的第 1腳讀入, 并進行 A/D轉 換。單片機在程序的控制下,嚴格按照 ASDX 001壓力傳感器的要求的工作時序 進行讀寫控制,讀入信號后,對數字信號進運算,然后經 DM-162液晶顯示模塊 進行顯示。第二章 硬件電路的設計§2.1 傳感器簡介以及電路設計ASDX 001屬于微型結構壓力傳感器 ASDX DO系列。 ASDX 系列是 Sensym 公司檢定合格的 ICT 代表產品的一種增強型品種。 也是工業水平領先的一種 SDX 系列傳感器增強型。 ASDX 001 傳感器的外形尺寸要比 SDX 稍大, 能提供高電平 (4.0 V測量范圍 的輸出電壓,價格便宜。 ASD

15、X 001壓力傳感器內置專用集成電 路(ASIC 經全面 CI 校準并有溫度補償。 ASDX 001壓力傳感器采用標準 DIP 封 裝,可對傳感器偏置、靈敏度、溫度系數和非線性度進行數字校正。 ASDX 001采用了 IC 兼容性協議, 無需額外的元件或電子電路, 就可容易地連接最常用的微 控制器和微處理器。所有 ASDX DO壓力傳感器的精度在滿量程范圍內為 。 具有可用單一 5 c Vd 供電電壓土作的特性。 傳感器的設計和制造均遵循 ISO 9001標準。 此系列傳感器 可用于非腐蝕性、非電離的工作流體,如空氣和干燥氣體。傳感器的輸出是一個 16進制格式的己校正的壓力值,其分辨率為 12

16、位。 該壓力傳感器可用于測量絕對壓、差力壓和表力壓。范圍從 1PSI 到 100PSI , 絕壓型傳感器有一個內部真空參比值 (基準值 ,因此可直接輸出一個與絕對壓成 比例的信號。差壓型裝置允許在傳感膜片的任一側施加壓力,可用于壓力差的測 量。數字壓力傳感器 ASDX 001的結構(1外部結構: 圖 2-1 ASDX 001外部結構圖(2內部結構ASDX 001的內部結構主要包括 4部分: 多路分配器;模 /數轉換器;微控控制;模 /數轉換器。如圖 2-2所示: 圖 2-2 ASDX 00內部結構圖ASDX 001的外圍引腳共有 8個, 其中 5個為空腳。 工作電壓為正 5負。 由 Vs 腳引

17、入正 5負電壓, Vout 為數據輸出腳,將所測量得到的數字電壓信號傳送到單 片機的 P1.0腳, ASDX 001的地腳為 GND 腳,接地。因此,這個電路連接十分簡單,只需要將傳感器的輸出腳 V out 連接到 AT89C51單片機的 1腳上即可。如圖 2-3所示: 圖 2-3 ASDX 001與單片機的連接電路原理圖§2.2 AT89C51單片機的簡介及其電路設計AT89C51是美國 ATMEL 公司生產的低電壓 , 高性能 CMOS 8位單片機, 片內含 4k bytes的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes的隨機存取數 據存儲器 (RAM ,器件采

18、用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存儲技術生產, 兼容 標準 MCS-51指令系統,片內置通用 8位中央處理器 (CPU和 Flash 存儲單元,功 能強大的 AT89C51單片機能應用許多高性價比的場合, 可靈活應用于各種控制領域。AT89C51的封裝如圖 2-4所示: 圖 2-4 AT89C51封裝圖(1主要特性:118·4K 字節可編程閃爍存儲器;壽命:1000寫 /擦循環;數據保留時間:10年 ·全靜態工作:0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內部 RAM·32可編程 I/O線·兩個 16位定時器 /計數器

19、·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路(2管腳說明:VCC :供電電壓。GND :接地。P0口:P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口,每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1口的管腳第一次寫 1時,被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數據存儲 器,它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時, P0 口作為原碼輸入 口,當 FIASH 進行校驗時, P0輸出原碼,此時 P0外部必須被拉高。P1口:P1口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口, P1口緩沖器能接 收輸出 4TTL 門電流。 P1

20、口管腳寫入 1后,被內部上拉為高,可用作輸入, P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時, P1口作為第八位地址接收。P2口:P2口為一個內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口, P2口緩沖器可接收, 輸出 4個 TTL 門電流,當 P2口被寫“ 1”時,其管腳被內部上拉電阻拉高,且作 為輸入。并因此作為輸入時, P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內 部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數據存儲器進行存 取時, P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時,它利用內部上拉優勢,當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時

21、, P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向 I/O口, 可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3口寫入“ 1”后,它們被內部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸 入,由于外部下拉為低電平, P3口將輸出電流(ILL 這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:口管腳 (備選功能P3.0 RXD(串行輸入口P3.1 TXD(串行輸出口P3.2 /INT0(外部中斷 0P3.3 /INT1(外部中斷 1P3.4 T0(記時器 0外部輸入P3.5 T1(記時器

22、 1外部輸入P3.6 /WR(外部數據存儲器寫選通P3.7 /RD(外部數據存儲器讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST :復位輸入。 當振蕩器復位器件時, 要保持 RST 腳兩個機器周期的高電 平時間。ALE/PROG:當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址 的地位字節。在 FLASH 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時, ALE 端 以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作 對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是:每當用作外部數據存儲器 時,將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8

23、EH 地址上置 0。此 時, ALE 只有在執行 MOVX , MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,該引腳被 略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止,置位無效。/PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個 機器周期兩次 /PSEN有效。 但在訪問外部數據存儲器時, 這兩次有效的 /PSEN信 號將不出現。/EA/VPP:當 /EA保 持 低 電 平 時 , 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器 (0000H-FFFFH ,不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1時, /EA將內 部鎖定為 RESET ;當 /EA端保持高電平時,此間內部程

24、序存儲器。在 FLASH 編 程期間,此引腳也用于施加 12V 編程電源(VPP 。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。(3振蕩器特性:XTAL1和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。 該反向放大器可以配置 為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件, XTAL2應不接。 有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器, 因此對外部 時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。(4芯片擦除整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合, 并保 持 ALE 管腳處于低電平 1

25、0ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“ 1” 且在任何非空存儲字節被重復編程以前,該操作必須被執行。此外, AT89C51設有穩態邏輯, 可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯, 支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下, CPU 停止工作。但 RAM ,定時器, 計數器,串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下,保存 RAM 的內容并且凍結 振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復位為止。§2.3 單片機電路設計同時在第 9腳引出一個 22uF 的電容和一個 2K 的電阻接 +5V的電源組成一 個復位電路。如圖 2-5所示: 圖 2-5 AT89C51復位電路原理圖第三章 軟

26、件系統流程以及程序的設計§3.1 單片機主程序流程圖主程序流程 圖 3-1主程序流程圖流程圖說明主程序依此調用 5個模塊:處理模塊、測量模塊、信號處理模塊顯示模塊、 顯示模塊、電源處理模塊§3.2 處理模塊判斷鍵盤的當前狀態(是否開 /關電源 ,執行相應的操作。 圖 3-2 處理模塊流程圖3.3測量模塊測量信號為二路, 壓力傳感器的信號經放大送 AD1, 作為靜態直流血壓信號; 隔直后經再次放大送 AD2,作為脈搏波信號。由于傳感器的 AD 為 10位,因此 最高精度可達 1/1024。采樣后的信號經信號處理模塊的處理,最終計算得到收縮 壓、舒張壓。§3.4 信號

27、處理模塊主要功能是脈搏波的判斷和檢測, 主要分為兩步:第一步, 對 A/D采樣的脈 搏波信號進行低通濾波處理,排除因外界干擾造成的信號讀數的誤差;第二步, 采用相關運算,最大程度的排除因手臂的運動造成的誤差。在這基礎上,分析信 號, 得到波形的峰值 (供判斷收縮壓, 舒張壓和平均壓 , 得到每個脈搏波的時間。 圖 3-3 信號處理模塊流程圖§3.5 顯示模塊主要顯示 3種信息:測量過程顯示當前壓力值、漏氣速率;測量結束后分別 以 mmHgH 和 Kpa 方式滾動顯示收縮壓、舒張壓及心率;校準狀態下顯示當前壓 力值、漏氣速率。串行通信模塊采用 PC 機主叫的中斷方式,一旦接到 PC 機發來的命令,對血壓進行初始 值的設定,主要包括起始加壓值,每次的壓力遞增值和最高壓力限制。LCD 顯示子程序流程 LCD1602:調RESET 數據送P1口 N 調Drcommand 修改顯示位置