【文章內(nèi)容簡介】 X5050GP 壓阻式壓力傳感器，該傳感器是被廣泛應(yīng)用的先進(jìn)的單片硅片壓力傳感器，尤其是對于那些采用與 A/D 輸入的微控制器或微處理器。此傳感器結(jié)合了先進(jìn)的微加工技術(shù)，薄膜金屬化和雙極處理，提供了一個正比于施加壓力的準(zhǔn)確的高層次模擬輸出信號。其運(yùn)行特性如下： 壓力范圍： 0~50Kpa （ 血 壓 的 測 量 范 圍 通 常 為 0 ～300mmHg(050KPa)） 電源電壓： ~；一般采用 5Vdc 供電。 電源電流： 7mAdc 響應(yīng)時間： 1ms 準(zhǔn)確性： %V 工作溫度： 0~85℃ 該傳感器不僅線性度好，而且還具有精度高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這就保證了提取的脈搏波信號失真小，提高了后面血壓的可靠性。傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下所示： VOUT=VS*（ *P+） 其中， VS為傳感器供電電壓，單位為 V P 為所需轉(zhuǎn)換的壓力信號，單位為 kPa VOUT 為轉(zhuǎn)換后輸出的電壓幅值，單位為 V 根據(jù)傳遞函數(shù)壓力輸入與輸出信號如圖 所示 : 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 10 圖 壓力輸入 (Kpa)與輸出信號幅值 (V) 濾波器設(shè)計 從壓力傳感器輸出的信號不僅包含了袖帶壓信號和脈搏波信號，而且也包含了大量的噪聲。模擬信號處理電路的任務(wù)就是從噪聲中提取袖帶壓信號和脈搏波信號，并將它們調(diào)整到適當(dāng)?shù)碾娖捷敵鼋o A/D 轉(zhuǎn)換電路。其電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 模擬信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖 濾波器 濾波器是一種頻域變換電路。它能讓制定頻段的信號順利通過，甚至還能放大，而對非自定的信號予以衰減。僅采用 R、 L、 C 元件組成的濾波器稱無源濾波器，含有晶體管或運(yùn)算放大 器的稱為有源濾波器，本設(shè)計采用的是有源濾波器。 濾波器按照其頻域特性可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種，上述各種濾波器的理想特性如圖 所示。 壓力傳感器輸出電壓信號 低通濾波器 袖帶壓信號 帶通濾波器 脈搏波信號 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 11 圖 濾波電路的理想特性 低通濾波器主要用于使低頻或直流信號通過，削弱高次諧波或較高頻率的干擾和噪聲。 高通濾波器主要用于有效頻率較高，而又必須消除低頻、甚至直流信號的影響的場合。 RC 耦合電路，就有效地隔離了零漂等慢變化和兩級的直流信號。 帶通濾波器主要用于遴選出有用頻段的信號，而削弱其他非有用頻段的信號或干擾和噪聲。 帶阻濾波器主 要是摒除某指定頻段的信號，而允許非指定頻段所有的信號通過。 按通帶截止頻率 f0附近頻域相頻特性的不同，濾波電路可分為：巴特沃斯（ Butterworth）、貝塞爾 (Bessel) 和切比雪夫 (Chebyshev)三大類。 巴特沃思濾波器幅頻特性單調(diào)下降；切比雪夫?yàn)V波器在通帶或者在阻帶頻率有波動；貝塞爾濾波器通帶內(nèi)有較好的線性相位曲線。 濾波器的主要技術(shù)參數(shù)如下： （ 1） 傳遞函數(shù) 濾波器的電路特性可以由其傳遞函數(shù) H(s)來表征： H(s)=X 0/X i 對于圖 所示的簡 單一階有源低通濾波器而言，其傳遞函數(shù) H(s)=V 0(s)/V i (s)=1*A vp/(1+SCR) H(s)表現(xiàn)為增益的形式，也可以表示為 A v(s)。 )(jaΩHΩΩΩΩ低通帶通 帶阻高通)(ja ΩH)(jaΩH)(ja ΩH0 00c基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 12 圖 一階有源低通濾波器 （ 2）通帶電壓放大系數(shù) Avp 對于低通濾波器而言， Avp就是 f=0 是，輸出電壓與輸入電壓之比，即 Avp=1+R2/R1 （ 3）通帶截止頻率 fp 對于圖 的電路而言，通帶截止頻率指的是濾波器輸出電壓下降到 Avp對應(yīng)輸出電壓的 倍時的頻率， 有時又稱為 3dB 頻率。 fp=f0=1/2 兀 RC 式中， f0稱為特征頻率。 低通濾波器設(shè)計 在放氣過程中，袖帶壓力緩慢變化的，因此，袖帶壓信號是一種低頻信號。本系統(tǒng)采用二階壓控電壓源低通濾波器來獲取袖帶壓力信號。 常有的有源二階濾波器電路有壓控電壓源二階濾波電路，典型的壓控電壓源二階濾波器如圖 所示，和無限增益多路負(fù)反饋二階濾波電路。壓控電壓源二階濾波電路特點(diǎn)：運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個電壓源。其優(yōu)點(diǎn) ：電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路負(fù)反饋二階濾波電路特點(diǎn)是：運(yùn)算放大器的開環(huán)增益無限大，反相輸入端可視為虛地，輸出端通過電容和電阻形成兩條反饋支路。其優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓與輸入電壓的相位相反，元件較少，但增益調(diào)節(jié)不便。 ViRR2R1321411UAT L 0 7 4CRlVo基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 13 圖 典型二階 VCVS 低通濾波器 在圖 中，根據(jù) “虛短 ”和 “虛斷 ”的特點(diǎn)可得： U+ =U =R3*U0/(R3+R4) AVP=U0/Ui=(R3+R4)/R3； AVP=1+R4/R3 根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)： VOUT=VS*（ *P+）可得： VOUT在 ~ 之間的情況，所以 Avp=1，為了滿足增益令 3R =? ，即放大器反向輸入端對地相當(dāng)于開路。 其傳遞函數(shù)為： H(s)=AVPb0/(s2 +b1s+b0):b0=1/R1R2C1 C2 。b1=(1/R1C1 )*(1AVP)+1/C2(1/R1+1/R2) 為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響，應(yīng)使： R1+R2=R4R3/(R3+R4) 將上式與 AVP=1+R4/R3聯(lián)立求解可得： R4=AVP(R1+R2) 通帶截止頻率 f0=1/2 兀 （ R1R2C1C2） 1/2 選定歸一化系數(shù) B=， C=1，電容 C1 可任意取值，取 C1=22181。F，由此可確定電路中各電阻值如下：電容 C1 可以任意取值，取 C1=22uF。由此可確定電路中各電阻值如下： =11uF =14534Ω 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 14 =31689Ω 取 C2=10181。F， 1R =15K， 2R =30K。由于 R3=∞，所以 R4為任意值均能滿足 Avp=1，本設(shè)計中，令 R4=0 即短路，圖 (a)為本設(shè)計中采用的低通濾波器，圖 (b)為幅頻特性曲線。 圖 (a) 設(shè)計中采用二階 VCVS 低通濾波器 圖 (b)為幅頻特性曲線 帶通濾波器設(shè)計 傳感器輸出的壓力信號并不是袖帶壓信號和脈搏波信號的簡單疊加，其中還夾雜著不 少的高頻干擾和可觀的直流或低頻分量。如何選擇一種最優(yōu)濾波器濾除干擾，獲得信息完整的脈搏波信號是保證后續(xù)處理結(jié)果準(zhǔn)確性的前提與基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，肱動脈處脈搏波信號的頻率范圍 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 15 為 ～ ，這個范圍基本能夠涵蓋正常和異常情況下的脈搏波信號及其個體差異。為此我們將設(shè)計一個帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)對這段頻帶范圍內(nèi)信號的采集。 帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。從原理上說，將一個通帶頻率為 f2的低通濾波器與一個通帶頻率為 f1的高通濾波器串聯(lián)起來，當(dāng)滿足條件 f2f1時，即可構(gòu)成 帶通濾波器。其原理示意圖見圖 所示為此，我們設(shè)計截止頻率為 的高通濾波器和截止頻率為 的低通濾波器來提取脈搏波信號。 20 ㏒ 10︱ Au︱ 低通 f2 20 ㏒ 10︱ Au︱ 高通 f1 20 ㏒ 10︱ Au︱ 帶通 f1 f2 圖 帶通濾波器原理示意圖 切比雪夫?yàn)V波器頻率選擇性較好，但在同樣參數(shù)要求下，其傳遞函數(shù)極點(diǎn)分布于橢圓上，較分布于圓周上的巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)極點(diǎn)更接近單位。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用二階巴特沃斯濾波器，濾波性能和穩(wěn)定性較好，而且涵蓋能夠正常和異常情況下的血壓信號及其個體差異。圖 和圖 分別是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器輸出的脈動壓力波。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 16 圖 切比雪夫?yàn)V波器輸出脈動波 圖 巴特沃思濾波器輸出脈動波 從圖中可以看出切比雪夫?yàn)V波器輸出的脈動波時域包絡(luò)并不明顯，無法計算出血壓，而巴特沃思濾波器則能夠清晰的得到拋物線狀包絡(luò)。所以我們采用巴特沃思濾波器來設(shè)計帶通濾波器。 ①高通濾波器設(shè)計 本設(shè)計采用巴特沃斯二階壓控電壓源高通濾波器來濾除信號中的低頻分量和直流分量，截止頻率為 。電路結(jié)構(gòu)圖如圖 2..10 所示： 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 17 圖 高通濾波器 該濾波器的傳遞函數(shù)為： 濾波器的截止頻率 f0為 。選定歸一化系數(shù) B=， C=1，令電路增益 Avp=10，電容 C3 可任意取值，取 C3=22181。F，由此可確定電路中各電阻電容值如下： 取 R5=， R6=30K， R3=， R4=，高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線如圖 所示。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 18 圖 高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線 ②低通濾波器設(shè)計 從高通濾波器輸出的信號還包含了大 量的工頻和高頻干擾，采用低通濾波器來濾除。此處低通濾波器的設(shè)計也采用了巴特沃斯型的二階壓控電壓源濾波器。截止頻率選定為 。濾波器的傳遞函數(shù)和各參數(shù)之間的計算關(guān)系我們在前面已經(jīng)給出，這里不再贅述。圖 低通濾波器電路圖。 圖 低通濾波器電路 確定電阻和電容的計算關(guān)系式如同 節(jié)的低通濾波器設(shè)計，可知 R7=， R8=， R9=10K， R10=150K， C6=2u， C7=22u。通帶截止頻率為 。 由通帶頻率為 二階壓控電壓源低通濾波器和通帶 頻率為 二階壓控電壓源高通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器能夠順利的提取正常和異常情況下的脈搏波信號。為以下模擬信號數(shù)字化，數(shù)字信號的處理做好了充分的準(zhǔn)備，為設(shè)計能夠順利進(jìn)行做好了基礎(chǔ)。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 19 3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 CPU 是整個系統(tǒng)的中樞部分，是系統(tǒng)數(shù)字化和智能化的具體表現(xiàn)。通過對它的編程，可實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的初始化、實(shí)時監(jiān)測控制以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等功能，本系統(tǒng)的 CPU 是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)需要完成 A/D 轉(zhuǎn)換的控制、數(shù)據(jù)傳送的控制以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理等諸多功能，從性能、功耗、兼容性等各方面綜 合考慮，我們選用了AT89C51 單片機(jī)。 單片機(jī) AT89C51 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和 128bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器。器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 為中央處理器和 Flash 存儲單元。 AT89C51 高性價比，能適用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖 所示。