便携式血压计的设计原理.docx
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便携式血压计的设计原理
便携式血压计的设计
摘要
现代社会的迅速发展，导致环境日益恶化，不健康的生活习性与不科学的饮食习惯，导致人类疾病越来越多的出现。
其中，有着人类第一无形杀手称号的高血压病，已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名，长期危害着人体健康，让饱受高血压折磨的患者痛不欲生。
如何便捷有效地测量与监控高血压，从而有效预防与治疗高血压，成为人们对抗高血压病的首要问题。
于是，设计一台便捷的测量血压的装置，成为重中之重。
家用电子血压计，主要是用于家庭。
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，而今只要拥有了家用电子血压计，坐在家里便可随时监测血压的变化，如发现血压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。
本文将详细介绍我们设计的智能型血压测量装置。
关键词：
ASDX001；AT89C51；液晶显示；压力测量。
THEDESIGNOFPORTABLEBLOODPRESSUREMONITOR
ABSRACT
Therapiddevelopmentofmodernsociety,leadingtodeterioratingenvironment,unhealthylivinghabitsandunscientificeatinghabits,leadingtotheemergenceofanincreasingnumberofhumandiseases.Whichhasoneinvisiblekillersofthehumanhypertension,andhasgraduallyrisentothetopranksofhumandisease,along-termhazardtohumanhealth,sothatpatientssufferingfromhypertensionpain.Howconvenientandeffectivemeasurementandmonitoringhypertension,andthuseffectivepreventionandtreatmentofhypertension,aconfrontationhypertensionisthemostimportantissue.Therefore,designaconvenientmeasurementofbloodpressuredevices,hasbecomeapriority.Thisarticlewilldetailthedesignofourintelligentbloodpressuremeasuringdevices.
HomeBloodPressureMonitor,mainlyforhome.Homehealthcarehasbecomeafashionablemodernhealthcare.Measuringbloodpressureinthepastpeoplehavetogotothehospitalforthejobnowaslongastheelectronicbloodpressuremonitorhasahome,sitathomemonitoringofbloodpressurecanbeatanytime,suchasabnormalbloodpressurecanbefoundintimetothehospitalfortreatment,preventionplaysacerebralhemorrhage,heartfailureTheroleofdiseasessuchasburst.
Keyword:
ASDX001、AT89C51、liquidcrystalshowthatthemodule、Pressuremeasurements.
前言
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。
在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。
对于上了年纪的人，血压是一个重要的健康信号。
随着生活水平的提高，时下老年人对自己的血压越来越关注。
高血压是世界最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一，它的危害非常的巨大，据有关统计资料显示，我国现有的高血压患者已达一亿，并且每年新增人数在300万以上。
从高血压目前的危害来看，高血压病已成为人类的头号隐形杀手病。
高血压病不但是长期危害人体健康的一种慢性病，而且它还是脑中风、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、肾衰等疾病的祸首，因此被人们称为“无形杀手”。
高血压对人体的损害是全身性的，也是造成死亡的恶魔，直接威胁着人的生命，所以，对高血压这个无形杀手，不可掉以轻心。
治疗高血压病，首先是要测量准确的血压。
测量血压的仪器称为血压计。
血压计可分为直接式和间接式两种。
两种血压计的工作原理是不相同的，直接式是用压力传感器直接测量压力变化；间接式的工作原理则是控制从外部施加到被测部位上的压强，并将控制的结果与其相关的柯氏音的产生和消失的信息加以判断。
前者不管对动脉或静脉都可连续测试，而后者只能测量动脉的收缩压和舒张压。
传统的血压计是模拟的血压计。
此类血压计操作比较复杂，测量精度不够，而且受环境影响较大。
且时常需要校准精度，需用一只准确的汞柱血压计或血压表一同校验。
其方法是将听诊器上“Y”形管取下，其两端分别接准确的血压计（血压表）和校验的弹簧表式血压表，第三端接臂带及气阀，这样利用同一压力，观察要校验的血压表与准确的血压计（血压表）的读数是否葙伺，如不同则说明该校验的血压表已不准确，如读数相同，仅零位有偏差时，并不影响实际使用。
如发现血压表指针不能回复零位时，切勿擅自调节螺钉，以免损害表内机芯，此时应将血压表送到生产厂家或指定服务部维修。
因此，此类血压计的使用与维护相对麻烦。
为了让广大血压计使用者更方便的使用与维护血压计，也让更多的人学会使用血压计进行简单的血压测量，我们设计出一台操作便捷，测量精确，无需维护的智能型测量血压的装置，以帮助人们对抗高血压。
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。
第一章便携式血压计装置总体概述
§1.1便携式血压计简介
§1.1.1便携式血压计的介绍
该产品重量轻，便携，可放入医生护士口袋。
无水银，增强环保性，避免了因水银泄露而造成的污染事故。
操作简单易懂，特别适合家庭使用。
§1.1.2便携式血压计功能简介
该血压计以压力传感器测得血压值，再将血压数据通过A/D转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由控制核心单片机控制，经主程序处理数据之后，在液晶显示器上把数据显示出来。
§1.1.3便携式血压计使用注意事项
1.袖带位置须与心脏高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整个胳膊平伸在高于心脏位置的桌子上，或用垫子将胳膊垫得过高；
2.每天要在固定时间和同样状态下，以相同的姿势测量血压；
3.应该在安静的状态下进行测量，测量前安静休息10～20分钟，深呼吸2～3次；
4.饭后或运动后至少休息一小时再进行测量；
5.不要在浴后、吸烟、饮酒、喝咖啡后测血压；
6.要在没有尿意时测血压。
7.测量时应保持心情舒畅，没有疲劳感，不紧张。
§1.2血压计装置设计方案
§1.2.1设计总体要求
便携式电子血压计是传感技术和微电脑技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务：
①感应血流的压力；②判别高压和低压；③在屏幕上显示测量结果。
感受血流压力离不了传感器，民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。
在各种传感器中有一类是利用压电效应的，还有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料。
其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器。
另外，血压会通过电子血压计的液晶显示屏进行显示。
§1.2.2具体设计方案
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89C51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
本设计是基于89C51单片机的设计，具体装置方案如下图1-1所示：
图1-1便携式血压计设计方案
系统工作示意图：
图1-2血压计系统工作示意图
硬件工作流程图如图1-2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，将这些数据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。
§1.3便携式血压计工作原理
§1.3.1血压测量的工作原理
血压有两种,一是收缩压:
是当心脏收缩把血液打到血管所测得的血压,二是舒张压:
是心脏在不收缩所得的压力。
当袖带的压力等于血压时,血液开始可以流通而产生所谓的袖带声,这时候也就是收缩压,必须开始从这里做记录,直到最后当袖带声没有的时候,此点即为舒张压。
根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。
目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大的时候，气袖的压力是动脉的平均压。
动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。
收缩压判断的确定：
通常采用最大的振幅法，即在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度
与
Um之比
时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。
（1-1）
舒张压判断的确定：
也是用最大的振幅法来判定，不过是在脉搏波振幅包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度
与
之比
时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。
（1-2）
血压信号以及收缩舒张压的位置如图1-3所示
图1-3血压交直流信号及收缩压和舒张压位置
先找出最大振幅值Amax,在往前找幅值为0.5Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压,往后找幅值为0.8Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压,将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示
§1.3.2便携式血压计的工作原理
马达在充气时，袖带内部产生压力，数字压力传感器ASDX001感应到该压力值，经过放大以及滤波电路后，由单片机89C51的第1脚读入，并进行A/D转换。
单片机在程序的控制下，严格按照ASDX001压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进运算，然后经DM-162液晶显示模块进行显示。
第二章硬件电路的设计
§2.1传感器简介以及电路设计
§2.1.1传感器简介
ASDX001属于微型结构压力传感器ASDXDO系列。
ASDX系列是Sensym公司检定合格的ICT代表产品的一种增强型品种。
也是工业水平领先的一种SDX系列传感器增强型。
ASDX001传感器的外形尺寸要比SDX稍大，能提供高电平（4.0V测量范围）的输出电压，价格便宜。
ASDX001压力传感器内置专用集成电路（ASIC）经全面CI校准并有温度补偿。
ASDX001压力传感器采用标准DIP封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。
ASDX001采用了IC兼容性协议，无需额外的元件或电子电路，就可容易地连接最常用的微控制器和微处理器。
所有ASDXDO压力传感器的精度在满量程范围内为。
具有可用单一5
供电电压土作的特性。
传感器的设计和制造均遵循ISO9001标准。
此系列传感器可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。
传感器的输出是一个16进制格式的己校正的压力值，其分辨率为12位。
该压力传感器可用于测量绝对压、差力压和表力压。
范围从1PSI到100PSI，绝压型传感器有一个内部真空参比值（基准值），因此可直接输出一个与绝对压成比例的信号。
差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于压力差的测量。
数字压力传感器ASDX001的结构
（1）外部结构：
图2-1ASDX001外部结构图
（2）内部结构
ASDX001的内部结构主要包括4部分：
1多路分配器；②模/数转换器；③微控控制；④模/数转换器。
如图2-2所示：
图2-2ASDX00内部结构图
§2.1.2传感器电路设计
ASDX001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。
工作电压为正5负。
由
脚引入正5负电压，
为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的P1.0脚，ASDX001的地脚为GND脚，接地。
因此，这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Vout连接到AT89C51单片机的1脚上即可。
如图2-3所示：
图2-3ASDX001与单片机的连接电路原理图
§2.2AT89C51单片机的简介及其电路设计
§2.2.1AT89C51简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机能应用许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51的封装如图2-4所示：
图2-4AT89C51封装图
§2.2.2主要性能参数
（1）主要特性：
·4K字节可编程闪烁存储器；寿命：
1000写/擦循环；数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
（2）管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚（备选功能）
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（3）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（4）芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
§2.3单片机电路设计
§2.3.1AT89C51的复位电路：
同时在第9脚引出一个22uF的电容和一个2K的电阻接+5V的电源组成一个复位电路。
如图2-5所示：
图2-5AT89C51复位电路原理图
§2.3.2AT89C51的时钟电路：
AT89C51的+5V电源由39脚引入，第19脚接地，第17脚和第18脚间由12MHz的晶振及两个20pF的无极性电路组成一个时钟振荡电路。
如图2-6所示：
图2-6AT89C51时钟电路原理图
§2.3.3AT89C51与液晶显示模块的电路连接
液晶显示模块所要的数字信号从AT89C51的P0.0-P0.7口引出，分别对应的接DM-162的D0-D7端口，完成数据传输，液晶显示模块的控制引脚RS、PR、E分别接到89C51的P3.5、P3.6、P3.7口，以实现微处理器对液晶显示模块的控制。
如图2-7所示：
图2-7AT89C51与显示模块电路接线原理图
§2.4液晶显示模块简介及电路设计
§2.4.1液晶显示模块DM-1602简介
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
这里介绍的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等
实物图片如图2-8：
图2-8DM-162实物图
1602采用标准的14脚接口,其中:
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚：
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表2-1所示,这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”
表2-1CGRM和CGRAM中字符代码与字符图形对应关系
高位
地位
0000
0010
0011
0100
0101
0111
××××0000
CGRAM
（1）
1
è
Q
p
××××0001
（2）
！
2
A
R
q
××××0010
（3）
“
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