基于单片机血压测量计的设计.docx

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基于单片机血压测量计的设计

基于单片机的血压测量计设计

摘要：

随着生活水平的提高，人们越来越观注自己的身体健康，血压是身体健康与否的一个重要指标。

据2001年全国普查显示，我国平均每三个家庭就有一个高血压患者；慢性低血压的发病率为4%左右，其在老年人群中可高达10%。

因此，研制既适合家庭保健人员又适合专业人士智能型血压计具有重要的意义。

本文研究的动态血压检侧仪属于微机检侧与控制领域，因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。

国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。

因此，通过对它的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义。

本文利用微弱信号的检测技术设计出动态血压测量计。

该血压测量计可以进行简单的血压测量。

本文以目前较为流行的PIC单片机PIC16F874为血压测量计的核心，利用Motorola公司的压力传感器将血液对血管壁的压力转换为电信号，并送入单片机中集成的A/D转换模块将血压信号转换为数字信号后进行显示、存储、传输等处理。

关键词：

血压；单片机；传感器；LED

Basedonmonolithicintegratedcircuit's

bloodpressuresurveymeterdesign

Abstract:

Withtheimprovementoflivingstandard，peoplemoreandmoreconcerntheirhealth.Bloodpressureisanimportantsymbolwhetherhealthornot.Itissignificanttodesignintelligentsphygmomanometerwhichappliedtobothfamilymemberanddoctor.

Inthispaper,theambulatorybloodpressuredetectionofcomputer-detectionandcontrolofthearea,becauseinthevarioussectorsofthenationaleconomyhasinfiltratedcomputerdetectionandcontrolsystem.Nationaldefensetechnology,aerospace,aviation,railways,metallurgy,chemicalindustrynaturallyNeedlesstosay,evenindailylifealsousethecomputermonitoringandcontroltechnologies,suchaselevators,microwaveovens,refrigeratorsandsoon.Therefore,itwillownafterthestudyinmechatronicsproductdevelopmentisofgreatsignificance.

Abloodpresserdynamictestingsystemwillbeworkedoutinthisarticle,whichusetestingtechniqueofdelicatedsignal.Thesphygmomanometercanbeusedsimplebloodpressuremeasure.ThisarticleusePICsinglechip“PIC16F874”asthesphygmomanometer’skernel,whichisprevalentatpresent.Pressurewhichbloodoppressveinistranslatedtoelectricsignal.ThroughPIC16F874‘sA/Dtranslationmodelitisbetransformeddigitalsignal.Thenthesinglechipprocessesthesedigitalsignalsuchasdisplay,saving,transmitting.

Keywords:

Bloodpressure；singlechip；sensor；LED

第1章绪论

1.1课题研究的意义和总体目标

1.1.1课题研究的意义

本文研究的动态血压检侧仪属于微机检侧与控制领域，通过对它的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义。

因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。

国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。

由于单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低可靠性高、价格便宜、实用灵活、开发周期短、适合国情等诸多优点，因此，在工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电中随处可见其身影。

而这些智能器件可以运用到以下领域：

（1）、消费者服务领域，它主要应用到家庭器具和娱乐器件；

（2）、汽车领域，每辆汽车都将近有50个单片机，它们提供智能化控制，例如报警系统、ABS和安全气囊；（3）、在办公自动化领域，主要包括PC机、键盘、复印机和打印机；（4）、无线电通信领域，包括便携式电话、寻呼机和电话应答机；五是在所有的工业应用领域，例如旅馆房间的门锁、自动化水龙头和工业控制。

作为自动化专业的学生，掌握单片机基本知识，学会其运用，并为以后在此基础上结合相关领域设计智能化产品和提高某些产品性能具有重要的实践意义。

本论文也具有比较重要的现实意义。

目前，市场上的使用的血压计大部分仍是水银血压计，也有一些动态血压记录仪。

水银血压计每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂，只能是每个医生一次对一个人进行测量;而且对不同的医生，测量结果可能不同:

对同一个人来说，影响血压因素非常多，由于每次测量的时间不可能很长，测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值。

将脉动波的记录引入动态血压技术，提供24小时内的每次血压测量结果，而且能再现每次测量过程中的波形。

在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的。

目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字。

本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压记录仪，使每次测量结果完全透明，实时分析结合回顾分析，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。

1.1.2课题研究的总体目标

本文研究的内容就是动态血压信号的数据采集系统的硬件设计。

根据总体项目的要求，提出多种设计方案，选择最合适的方案进行硬件设计，以满足血压信号的数据处理系统的要求。

硬件电路就满足项目的如下指标。

测量范围：

收缩压：

40~270mmHg

舒张压：

20~200mmHg

平均压：

30~220mmHg

测级精度：

±3mmHg或±4%二者取最大。

测量方式：

简单测量，不借助于PC机就能进行血压值的测量。

能提供数据给PC机用于血压值的实时测量和血压波形的实时显示和记录。

过压保护：

成人：

315~330mmHg起动过压保护

儿童：

235~250mmHg起动过压保护

测量时间：

在无干扰的情况下，测量时间通常为30秒，也右可以进行长时间连续测量。

1.2单片机应用的可靠性技术发展

在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。

近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点：

（l）、EFT（ElectricalFastTransient）技术

EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。

这样，就提高了单片机工作的可靠性。

（2）、低噪声布线技术及驱动技术

很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。

这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的嗓声。

现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能力都有了很大提高，Motorola公司的单片机I/O口的灌拉电流可达8mA以上，而Microchip公司的单片机可达25mA。

这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低di/dt，这也就一是所谓“跳变沿软化技术”，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

1.3单片机的发展趋势

单片机在目前的形势下，表现出几大趋势：

（1）、可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。

（2）、所集成的部件越来越多；Ns（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了。

如果从功能上讲它可以讲是万用机，原因是其内部已集成上各种应用电路。

（3）、功耗越来越低，以及和模拟电路结合越来越多。

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现:

单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。

第2章设计的总体思路和基本方法

2.1系统硬件的总体设计

在这里介绍一下有关血压的基本知识，血压是血液在血管内流动时对血管壁的侧压力。

血压分收缩压和舒张压。

当心室收缩向动脉泵血时，血压升高，其最高值为收缩压。

心室舒张时，血压降低，其最低值为舒张压。

血压通常以上肢肪动脉测得的血压为代表，正常成年人上胶动脉的收缩压为90~140毫米汞柱，舒张压为60~90毫米汞柱。

血压过低或过高都是疾病的征象。

血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩、舒张而不断变化，而人的心脏的收缩频率即心率比较低，一般在30~300bpm，由此血压脉动镶号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号，我的设计是采用外接式的结构，以PIC16F874单片机为核心，由其内部自带的10位8通道A/D转换模块构成的采样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口COMI或COMZ，形成种连续数据采集串行数据传输的方式。

硬件设计如图2-1所示。

图2-1硬件设计图

参数设计：

（1）、采样频率

图中A0~A7为传感器采集来的血压信号经过调理后的0-5v的标准信号。

由于人的心率一般在30~300bpm范围内，因而血压信号的有效频率范围较小。

根据采样定理，（采样频率只要能大于信号频率的2倍理论上采样后的数据就能还原原始信号），并参考其它血压计和心电启示录仪的采样频率，本文选取每个通道的采样频率为250Hz对血压信号进行采样，能足够满足数据的处理需要。

为充分利用硬件潜力，根据需要可以通过键盘或PC机来设置采样速率。

（2）、分辨率

PIC16F874单片机A/D转换位数为10位，则分辨率为1/210或约为满刻度的0.1%。

由采样位数为10位，即需2个字节来存储，1秒钟就采样500个字节。

由于设计要求的采样精度为3%，所以可以去掉结果的低两位，即用一个字节来存储采样结果。

采用这种方式系统的精度将降低，省略掉的两位最大占满刻度的3/1024，对系统的测量结果影响较小。

（3）、数据传输率

为减小系统的功耗和增加数据传输的可靠性，数据传输速率将根据采样的通道数目进行设定。

若只对一个通道进行采样，则每秒钟将产生250个字节的数据，选择串行传送的波特率为9600bps，则大约1ms就能传送一个字节，ls可以传送大约1K个字节，所以可以满足要求。

（4）、硬件工作流程图

由于采样的频率较低，硬件设计就采用每采集一次血压信号就将结果通过串行端口传送给上位机，便于连上位机（PC机）对数据进行实时处理。

图2-2硬件工作流程图

硬件工作流程图如图2-2所示。

电源开启过后，若有必要修改系统的默认参数，将由键盘输入或PC机对其进行设置。

经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作。

初始化完成之后，将启动A/D转换，等待直至A/D转换结束。

然后将A/D转换结果送入上位机。

待采样的时间达1秒钟后将分析数据结果，求出最大值和最小值，经过一些处理后即为收缩压和舒张压。

将它们送往LED数码管进行显示。

2.2微弱信号的检测方法

提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法有两类。

一是传感器及放大器入手，从降低它们的固有噪声水平，或研制新的低噪声传感器。

另一是分析测员中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。

微弱信号检测是利用后一种途径。

但应注意，从噪声中提取信息，首先需在尽量降低噪声的基础上进行。

微弱信号的检测方法随信号类型不同而不同，目前常用的和比较成功的方法有以下几种。

（1）、信号的窄带化及相干检测技术

单频余弦（或正弦）信号，或频带很窄的正、余弦信号，由于信号频率固定，我们以通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除。

这种技术称为窄化技术。

如果信号具有相干性，而噪声具有无相干性，则可利用相干检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，即可把与信号频率相同，但相位不同的噪声大量排除。

20世纪50年代后发展的锁相放大器，是以相敏检波（PSD）为基础的，是目前电频域信号相干检测的王要仪器。

其基本原理是利用PSD既作变频，以作相干降噪，再用直流放大器作积分、滤波，最后作信号幅度测量。

它比选频放大的测量灵敏度高可提高3~4个数量级。

（2）、时域信号的平均处理

信号若是脉冲波序列，则信号有很宽的频域，因此相干检测常无用武之地。

这时，可根据噪声是随机的，多次测量的平均可排除噪声的影响，接近信号真实值的特性来进行测量。

这种逐点多次采测，求平均的方法，称为平均处理。

积累平均器（Boxcar）是电信号时域处理的主要设备。

20世纪50年代提出设想，1962年得以实现。

目前用于频率较高的时域信号。

对频率低的重复信号，其时间效率较低。

计算机发展后，出现数字平均器，它适用于较低的频率范围。

由于两者有许多相同部件，目前已生产合二为一的产品。

（3）、离散量的计数统计

有些信号，可看成是一些极窄的脉冲信号，人们关心的是单位时间到达的脉冲数，而不是脉冲的形状。

这些脉冲的计数统计方法，要选择或设计传感器，能使信号有尽量相近的窄脉冲幅度输出，要利用幅度甄别器，大量排除噪声计数，要利用信号的统计规律，来决定测盘参数的作数据修正。

目前比较成熟的离散量测量仪器是光子计数器。

（4）、并行检测

有些事件只发生一次，如单次闪光光谱，或者希望在测量的范围内用扫描方式同时获得结果，这就需要并行检测方法。

并行检测需要用传感器阵列，而每个传感器必须有存储效应，使数据能依次读出。

传统的光并行检测，是用感光乳胶，主要适用于光图像，其灵敏度较低，后处理繁重、困难。

目前出现摄像管、二极管列阵、CCD列阵等光电多元传感器，可结合多路传输、多道技术，获取模拟电信号，或转变成数字信息，从而实现快速并行检测。

若再利用计算机作非线性变换，加、减、直方图等多种处理，就形成了图像数字处理技术（图像识别、图像增强等）。

并行快速实现快速分析，因此在荧光动力学、等离子体分析、爆炸研究、低能电子衍射、大气现象研究、质谱等许多领域都是有用的。

实现并行检测的基本条件，是要有多道传感器和信息的快速存取。

目前并行，在光学和核物理方面应用比较成功。

（5）、自透应噪声抵消

这是自适应信号处理的一种形式，它利用一个与原始输入相关的噪声来抵消原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸变的有用信号，提高系统的信噪比。

自适应噪声抵消系统需要一个附加的参考输入。

这种方法在地球生理、生物医学、通信和测量设备中均有很大的应用价值。

（6）、计算机数字处理

随着计算机的发展，原来一些需要硬件完成的任务，可用软件来实现，我们可利用曲线拟合（平滑）、逐点平均、数字滤波、快速付立叶变换（FFT）及取最大熵估计等众多的数字信号处理方法，对含有噪声的信号进行处理，从而提高信噪比。

对血压信号，我们采用了先进的Motorola专用的压力传感器和放大器，其输出己被调理为0-5V电压信号。

此信号经过采集硬件后送入到计算机进行数字处理，能达到很高的处理精度。

2.3采集系统基本组成

采集系统包括硬件和软件两大部分。

如图2-3所示为硬件的基本组成示意图。

下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。

传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量。

通常把传感器输出到A/D转换器输入的这一段信号通道称为模拟通道。

图2-3采集系统硬件基本组成示意图

放大器用来放大和缓冲输入信号。

由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片愉出电压变化只有几个毫伏：

人体生物电信号仅是微伏量级。

因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入5~10V的要求。

此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到组抗变换器的作用来缓冲输入信号。

传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种锅合渠道使信号通道感染上噪声。

这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。

在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关后面的单元电路实现。

多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，如采样/保持电路、A/D及处理器电路等，只需一套即可，这样节省成本和体积。

模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。

采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前（每通道一个），还可实现对瞬时信号进行同时采样。

采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。

由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力，精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器的种类较多。

A/D转换的结果要送给计算机。

有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输出。

使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。

2.4采样方式的选择

模拟信号首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主要是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器按照预定的时间间隔对模拟信号离散化，从而把连续的模拟信号转化成离散的脉冲子样，再由模数转换器（ADC）把离散子样进行量化编码，使之变成数字信号送到处理器进行数字处理。

数字处理一般由数字计算机来完成。

均匀采样定理：

一个在频谱中不包含大于频率fm的分量的有限频带信号，由对该信号以不大于1/2fm的时间间隔进行采样的采样值唯一地确定。

当这样的采样信号通过其截止频率Wc满足条件的理想低通滤波器后，可以将原信号完全重建。

采样定理为我们确定采样频率提供了理论依据，但在具体实现由连续信号到离散信号的转换时，又涉及采样方式问题。

设计采样方式总的原则是：

以保证采集精度为前提，以被测信号的具体特性为依据，尽量以较低的速率实现采样，从而减少数据量，降低对传输、变换系统的要求，提高数据处理的效率。

图2-4是采样方式分类图：

图2-4采样方式分类图

基本采样方式可分为两大类：

实时采样（Read-TimeSampling）和等效时间采样（Equivalent-Timesampling）。

对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后，经过采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入存储器。

实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。

又由于采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。

等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率，但这种采样方式的应用前提是信号波形可以重复产生的。

由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢的速度进行。

采样的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。

这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。

本设计采集系统的采样方式选择为实时采样，即采用相等的时间间隔对血压信号进行连续采样，每次采样经数字化后将结果送入PC机进行存储。

血压数据处理软件再对这些存储结果进行分析处理。

至于血压数据处理软件，我们可以使用别人设计好的成品。

第3章硬件系统设计

3.1单片机的选择和相关模块的设置

3.1.1单片机的选择

若选择将多路开关、采样保持器和AD转换器集成在一起的单片机，就可以减少分离元件的数目，缩小血压测量计的电路板大小和增加系统的可靠性。

考虑到血压测量计的使用，功耗必须较低和用电池供电的等因素，本文的单片机选择为MICROCHIP公司的PIC16F874。

下面将介绍PIC16F874芯片：

PIC16F874是PIC16F87X系列中的一员。

PIC16F87X系列产品是微芯公司生产的14位指令系统中功能最强的单片机之一，性能价格比很好，这类单片机广泛使用的主要因素有：

开发容易，周期短：

由于PIC16F87X采用RISC指令集，指令少，仅具有35条指令，且全部为单字长指令，易学易用，相对于采用CISC（复杂指令集）结构的单片机可节省30%以上的开发时间，2倍以上的程序空间。

高速：

采用哈佛总线和精简指令集建立了一种新的工业标准，指令的执行速度快。

工作速度：

DC-20MHz时钟输入，DC-200ns指令周期。

当PIC16F874以最大时钟脉冲速率运行时，它在0.2μs内就能执行一条指令（除GOTO和CALL指令外），即每微秒执行5条指令，比一般的单片机速度快5倍。

可靠的复位电路和多种时钟选择：

上电复位和掉电锁定功能，确保芯片只在电压规定的范围内运行，如果芯片误操作和偏离正常运行，看门狗定时器就会复位。

同时，有4种时钟脉冲可供选择，其中包含有一个低价格的电阻电容振荡器和一个高精度的晶体振荡器，引外还有一些低功耗的时钟脉冲可供选择。

低功耗：

PIC采用了CMOS设计结合了诸多的节电特性，使用高速、低功耗CMOSFLASH/EEPROM技术，使其功耗较低，PIC百分之百的静态设计可进入休眠（sleep）省电状态而不会影响唤醒后的正常运行。

在4MHz时钟下，电源电压为3V时，典型工作电流值小于0.6mA，在32KHz时钟下，电源电压为3V时，典型工作电流值为20μA，典型待令状态的电流值小于1μA。

强大的输出端口控制和驱动能力：

一条端口操作指令可以在其0.2μs的指令执行时间里选择和驱动一个输出端口，每个输出引脚可以驱动多达25mA的负载，其拉电流和灌电流均为25mA，既可以高电平直接驱动LED也可以低电平直接驱动LED。

宽工作电压范围：

PIC系列芯片可以工作在宽的电压范围内，从2.5V到5.5V，特别适用于电池供电的场合，宽的电压范围使得芯片可以很容易地与外围的3.3V和5V供电接口芯片接口。

低价实用：

PIC配备有OTP（OneTimeProgrammable）型和FLASH型等多种形式的芯片。

有高达8K字节的程序存储器FLASH，368