【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Y 圖24 測(cè)量血壓系統(tǒng)工作示意圖對(duì)于傳統(tǒng)的水銀血壓計(jì)的測(cè)量方式，它是利用打氣過(guò)程中脈搏聲的有和無(wú)來(lái)判斷收縮壓與舒張壓的，而本設(shè)計(jì)中卻是利用測(cè)量到的氣壓是否在下降過(guò)程中有43 第2章 總體設(shè)計(jì)方案小許的回升來(lái)判斷，這部分設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)當(dāng)中的關(guān)鍵部分之一，其效果好否也直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。電源開(kāi)啟后，若有必要修改默認(rèn)參數(shù)，可以通過(guò)程序設(shè)置，待采樣的時(shí)間達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，將開(kāi)始分析數(shù)據(jù)結(jié)果，求出最大值和最小值，經(jīng)過(guò)處理后即收縮壓和舒張壓，并將其送往LED屏顯示出來(lái)。 體溫測(cè)量設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件主要是采用C語(yǔ)言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行變成實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用收集體溫?cái)?shù)據(jù)、處理體溫信號(hào)、顯示、鍵盤(pán)等模塊。用的是循環(huán)查詢(xún)方式，來(lái)顯示體溫，主程序的主要功能是負(fù)責(zé)體溫的實(shí)時(shí)顯示，單片機(jī)讀出并處理ADC0809的測(cè)量的當(dāng)前溫度值并負(fù)責(zé)調(diào)用各子程序，體溫測(cè)量圖如圖25所示： 開(kāi) 始 初 始 化啟動(dòng)ADC0809測(cè)量體溫計(jì)算溫度LED顯示圖25 測(cè)量體溫系統(tǒng)工作示意圖 測(cè)量及計(jì)算方法 血壓測(cè)量方法通過(guò)打氣囊向袖帶打氣，當(dāng)氣壓到達(dá)氣壓峰值的時(shí)候停止打氣，這時(shí)候開(kāi)始緩慢放氣，在氣壓下降過(guò)程中，會(huì)在某一時(shí)刻第一次出現(xiàn)氣壓的小的回升，而這正是對(duì)應(yīng)著傳統(tǒng)的水銀血壓計(jì)當(dāng)中第一聲聽(tīng)到脈搏聲，也就是收縮壓。繼續(xù)放氣，氣壓繼續(xù)下降，這過(guò)程會(huì)有好幾次氣壓的回升，每次都對(duì)應(yīng)著傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程的脈搏聲跳動(dòng)時(shí)刻。當(dāng)最后一次有著氣壓的回升時(shí)，也就是傳統(tǒng)中氣壓從有到無(wú)那一點(diǎn)，即我們所要的舒張壓，這時(shí)測(cè)量結(jié)束。 血壓計(jì)算方法基于示波器法這一原理，可以直接計(jì)算出平均壓，收縮壓與舒張壓是不能直接測(cè)量出來(lái)的，但是可以通過(guò)他們與平均壓的關(guān)系或者包絡(luò)線的特征可以計(jì)算出收縮壓與舒張壓，目前血壓計(jì)開(kāi)發(fā)商都在研究這一塊。幅值系數(shù)法，是利用壓力波的最大幅值的比例關(guān)系進(jìn)行識(shí)別收縮壓合舒張壓。目前電子血壓計(jì)的產(chǎn)品，絕大部分都是基于這個(gè)方法的計(jì)算出血壓。此方法已經(jīng)得到醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可，在臨床上得到運(yùn)用。幅度系數(shù)的法的原理，可以看到脈搏波的幅值隨壓力的變化而變化，幅值最大那個(gè)脈搏波為Pmax，收縮壓對(duì)應(yīng)的脈搏波為SBP，舒張壓對(duì)應(yīng)的脈搏波為DBP，他們之間的函數(shù)關(guān)系： SBP = a * Pmax ( a ) （21） DBP = b * Pmax ( b ) （22）波形特征法，是觀察脈搏波幅值突變的點(diǎn)，來(lái)辨別收縮壓合舒張壓。收縮壓判別點(diǎn)在脈搏波幅度有明顯增加，舒張壓判別點(diǎn)在脈搏波幅度有明顯減少，根據(jù)差分算法，求相鄰脈搏波幅度的差值，認(rèn)為差值最大的為突變點(diǎn)。小波分析，即通過(guò)對(duì)包絡(luò)線的拐點(diǎn)辨別，求出收縮壓和舒張壓。壓力包絡(luò)線拐點(diǎn)在理論上是可行的，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因?yàn)槠骷墓に嚕糯蠛蟮男盘?hào)誤差比較大，拐點(diǎn)并不明顯，并且容易受到外部干擾，產(chǎn)生假的脈搏拐點(diǎn)，這也使得壓力波包絡(luò)線拐點(diǎn)的確定非常困難。平均壓（MAP）是血壓波形（P(t)）在一個(gè)周期內(nèi)的積分除以周期T，其定義如下： （23）均壓反映了動(dòng)脈血壓的數(shù)值和波形。從示波法原理的兩條基本原則，振蕩波包絡(luò)線呈現(xiàn)出近似拋物線的形態(tài)，脈搏振蕩波振幅最大對(duì)應(yīng)的袖帶壓力為平均壓，可以順利推導(dǎo)出平均壓的計(jì)算方法。第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感器電路本次設(shè)計(jì)我選用固態(tài)傳感器，因?yàn)樗臏?zhǔn)確度高，且輸出信號(hào)為0～100mV 。它的壓力接口和引腳結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)良的靈活性，尤其是在壓力連接方向要求嚴(yán)格的應(yīng)用中。壓力傳感器是基于美國(guó)GE公司先進(jìn)的壓電電阻技術(shù)。最新硅片微機(jī)械技術(shù)被應(yīng)用于壓阻應(yīng)變片被離子注入在惠斯通橋路結(jié)構(gòu)內(nèi)。壓力傳感器具有優(yōu)良的溫度特性，溫度補(bǔ)償范圍為0~60℃。它將一個(gè)增益設(shè)置電阻集成在傳感器內(nèi)，使傳感器可以互換。壓力傳感器工作特點(diǎn)：恒流供電，溫度補(bǔ)償（0~60℃），滿(mǎn)量程輸出100mV，177。%準(zhǔn)確度，可互換性。如下圖31所示：圖31 傳感器電路圖壓力傳感器典型應(yīng)用：電子血壓計(jì)檢定儀，血壓計(jì)標(biāo)準(zhǔn)器，血壓計(jì)智能標(biāo)準(zhǔn)器，血壓計(jì)校驗(yàn)儀，醫(yī)療器械，氣體流量測(cè)量，供暖，制冷，過(guò)程控制。壓力傳感器的工作原理：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用以下量表示： ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率 S——導(dǎo)體的截面積 L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。 放大電路放大電路的作用：能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中。 放大電路的原理:運(yùn)算放大電路,是一種直流耦合、差模輸入，通常為單端輸出的高增益電壓放大器，因?yàn)閯傞_(kāi)始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。一個(gè)運(yùn)算放大器模組一般包括：一個(gè)正輸入端、一個(gè)負(fù)輸入端和一個(gè)輸出端。通常使用運(yùn)算放大電路時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端連接，形成一負(fù)反饋組態(tài)。原因是運(yùn)算放大電路的電壓增益非常大，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能 連接成正回饋，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。圖32 開(kāi)環(huán)回路放大電路圖開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大電路如圖32。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout = ( V+ V) * Aog。 其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益,由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊，導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。 因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器，比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元。閉環(huán)負(fù)反饋：將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通?？梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱(chēng)為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相放大器與非反相放大器兩種。反相閉環(huán)放大器如圖33所示：圖33 反相閉環(huán)放大器假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地，假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，非反相閉環(huán)放大器如圖34所示： 圖34 非反相閉環(huán)放大器閉環(huán)正回饋：將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中，成為理想運(yùn)放和理想運(yùn)放條件。在分析和綜合運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，大多數(shù)情況下，可以將集成運(yùn)放看成一個(gè)理想運(yùn)算放大器。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實(shí)際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放，因此由理想化帶來(lái)的誤差非常小，在一般的工程計(jì)算中可以忽略。理想運(yùn)放各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具體如下：電壓放大倍數(shù)達(dá)到104倍；輸入電阻達(dá)到104Ω；輸出電阻小于幾百歐姆；外電路中的電流遠(yuǎn)大于偏置電流；失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫漂很小,造成電路的漂移在允許范圍之內(nèi)，電路的穩(wěn)定性符合要求即可；輸入最小信號(hào)時(shí)，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB；帶寬符合電路帶寬要求即可。運(yùn)算放大器中的虛短和虛斷含意：虛短，因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，而運(yùn)放工作在線性區(qū)，是一個(gè)線性放大電路，輸出電壓不超出線性范圍（即有限值），所以，運(yùn)算放大器同相輸入端與反相輸入 端的電位十分接近相等。在運(yùn)放供電電壓為177。15V時(shí)，輸出的最大值一般在10～13V。所以運(yùn)放兩輸入端的電壓差，在1mV以下，近似兩輸入端短路。這一特性稱(chēng)為虛短，顯然這不是真正的短路，只是分析電路時(shí)在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。虛斷電路的運(yùn)放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上，流入運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小，比外電路中的電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，流入運(yùn)放的電流往往可以忽略，這相當(dāng)運(yùn)放的輸入端開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛斷。顯然，運(yùn)放的輸入端不能真正開(kāi)路。運(yùn)用虛短和虛斷這兩個(gè)概念，在分析運(yùn)放線性應(yīng)用電路時(shí)，可以簡(jiǎn)化應(yīng)用電路的分析過(guò)程。運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路均要求輸入與輸出之間滿(mǎn)足一定的函數(shù)關(guān)系，因此均可應(yīng)用這兩條結(jié)論。如果運(yùn)放不在線性區(qū)工作，也就沒(méi)有虛短和虛斷的特性。如果測(cè)量運(yùn)放兩輸入端的電位，達(dá)到幾毫伏以上，往往該運(yùn)放不在線性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。 前置放大電路的基本組成有：音源選擇、輸入放大和音質(zhì)控制等電路。前置放大電路功能有兩個(gè)：一是要選擇所需要的音源信號(hào)，并前置放大器,放大到額定電平；二是要進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化聲音。 音源選擇電路的作用是選擇所需的音源信號(hào)送入后級(jí)，同時(shí)關(guān)閉其他音源通道。輸入放大器的作用是將音源信號(hào)放大到額定電平，通常是1V左右。音質(zhì)控制的作用是使音響系統(tǒng)的頻率特性可以控制，以達(dá)到高保真的音質(zhì)；或者根據(jù)聆聽(tīng)者的愛(ài)好，修飾與美化聲音。 數(shù)據(jù)處理電路濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ烂劫|(zhì)都可視為是一種濾波器。因?yàn)槿魏窝b置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。如下圖35所示：圖35 濾波器電路圖本文所述內(nèi)容屬于模擬濾波范圍。主要介紹模擬濾波電路原理、種類(lèi)、數(shù)學(xué)模型、主要參數(shù)、RC濾波器設(shè)計(jì)。盡管數(shù)字濾波技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但模擬濾波在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制以及電子測(cè)量?jī)x器中仍被廣泛應(yīng)用。（1）紋波幅度d在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅d與幅頻特性的平均值相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于3dB。（2）截止頻率fc。作為參考值，即相對(duì)于衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。（3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱(chēng)為濾波器帶寬，或3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力——頻率分辨力。在電工學(xué)中，通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅值增益系數(shù)。對(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率和帶寬之比稱(chēng)為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。例如一個(gè)中心頻率為500Hz的濾波器，若其中3dB帶寬為10Hz，則稱(chēng)其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。（4）倍頻程選擇性在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。由壓力傳感電路輸出的信號(hào)，包括袖帶壓信號(hào)、脈搏波信號(hào)和大量的噪聲。模擬信號(hào)處理的主要任務(wù)就是從信號(hào)中提取袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)然后將信號(hào)輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。濾波電路是一種頻域變化電路，可以讓適合頻段的信號(hào)順利通過(guò)，并將信號(hào)放大，濾波電路分為有源濾波電路和無(wú)源濾波電路，本次設(shè)計(jì)采用的是有源濾波電路。濾波電路按照頻域性能可分為全通、低通、高通、帶通、帶阻五種。下面我們來(lái)分別介紹一下幾種濾波電路的特點(diǎn)：低通濾波電路主要用于使低頻信號(hào)通過(guò)，減弱高次諧波或較高頻率的干擾和噪聲。高通濾波電路主要用于有效頻率較高，而又必須消除低頻和直流信號(hào)影響的地方。電阻電容耦合電路，就有效地隔離了零點(diǎn)漂移等慢變化和兩級(jí)的直流信號(hào)。帶通濾波電路主要用于選擇有用頻段信號(hào)，而消除其他非有用頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波電路主要是消除某指定頻段的信號(hào)，而允許非指定頻段的所有信號(hào)通過(guò)。 轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)低通濾波器和帶通濾波器得到的信號(hào)為模擬信號(hào)，單片機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，就需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。如圖36所示：圖36 A/D轉(zhuǎn)換電路 ADC0809主要信號(hào)引腳的功能說(shuō)明如下： ALE——地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START——轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫(xiě)為ST。A、B、C——地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK時(shí)——鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢(xún)的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。