【導(dǎo)讀】經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)方面更是得到了較好的應(yīng)用。是極為重要的健康指標(biāo)，血壓測量的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到人們的健康。本論文討論了以AT89C51單片機(jī)為核心的電子血壓計測量原理。出收縮壓、舒張壓和脈搏。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)及濾波電路的設(shè)計。該方案硬件電路以AT89C51單片機(jī)為核心，包括信號采集處理電。路，A/D轉(zhuǎn)換電路，控制按鈕電路和顯示電路等幾大部分。討論說明了各部分電路點(diǎn)的工作原理，以及其軟硬件的具體設(shè)計。

　　

【正文】 0V C CP 2 . 3P 2 . 3P 2 . 4A L E袖帶壓力波脈動壓力波基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 26 8 位，其逐次逼近的轉(zhuǎn)換時間為 100uS。 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。主要包括 8 路模擬 開頭、地址鎖存與譯碼器、 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器等部分。 圖 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖 圖中，多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 1 個 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完 成對 A， B， C 3個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。在某一時刻，模擬開關(guān)只能與一路模擬量通道接通，對該通道進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。表 1 中 C、B、 A 是三條通道的地址線。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘?ALE 為高電平時， C、 B、A 三條線上的數(shù)據(jù)送入 ADC0809 內(nèi)部的地址鎖存器中，經(jīng)過譯碼器譯碼后選中某一通道。當(dāng) ALE 一 0 時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。如表 所示。 表 ADC0809 通道選擇表 輸入 通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A 0 1 0 1 0 1 0 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器是逐次迫近式，由控制與時序電路、逐次遏近寄存器、樹狀開關(guān)以及 256R 電阻階梯網(wǎng)絡(luò)等組成。三態(tài)輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。 ADC0809 芯片為 28 引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖 所基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 27 示。 圖 ADC0809 引腳圖 引腳功能： IN7～ IN0：模擬量輸入通道。 0809 對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性， 電壓范圍 0～ 5V、若信號過小，還需進(jìn)行放大。另外，模擬量輸入在 A/D 轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。 A， B， C：地址線。 A 為低位地址， C 為高位地址，用于對模擬通道進(jìn)行選擇，引腳圖中相應(yīng)為 ADDA、 ADDB 和 ADDC。 ALE：地址鎖存允許信號。對應(yīng) AIE 上跳沿， A、 B、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START：轉(zhuǎn)換啟動信號。 START 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清 0；START 下跳沿時，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫 為 ST。 D7～ D0：數(shù)據(jù)輸出線。該數(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。 OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)上輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻態(tài)； OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 CLK：時鐘信號。 ADC0809 內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，通常使用頻率為 500kHz 的時鐘信號。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 28 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。當(dāng) EOC＝ 0 時，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng) EOC＝ 1 時，轉(zhuǎn)換結(jié)束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號使用。 Vcc：＋ 5V 電源 。 Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為＋ 5V（ Vref(+)＝ +5V、 Vref(－ )＝ 0V）。 ADC0809 的運(yùn)行時序 選中通道的模擬量到達(dá) A/D 轉(zhuǎn)換器時， A/D 轉(zhuǎn)換器并未對其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動信號端 START 出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動芯片進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換， START 的上升沿復(fù)位 ADC0809。 ADC0809 的A/D 轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。 ADC0809 的時鐘信號由CLOCK 端送入，其最高頻率為 640MHz，在這個最高頻率下 ADC0809的 A/D 轉(zhuǎn)換時間為 100uS 左右。當(dāng) ADC0809 用于 80C51 單片機(jī)系統(tǒng)時，若 80C51 采用 6MHz 的晶振，這時 ADC0809 的時鐘頻率為 500KHz，A/D 轉(zhuǎn)換時間為 130uS。 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果 (8 位數(shù)字量 )送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒有現(xiàn)在 DB0DB7 八條數(shù)字量輸出線上，單片機(jī)不能獲取之。單片機(jī)要想讀到 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使 ADC0809的允許輸出控制端 OE 為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在 DB0DB7 上。 圖 中 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出信號。在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， EOC 維持高電平，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時， EOC 變成高電平。 ADC0809 的 START端收到下降沿后，并不立即進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換， EOC=1，而是延遲 10uS 后，才開始 A/D 轉(zhuǎn)換， EOC 變?yōu)榈碗娖健? 圖 ADC0809 讀、寫、啟動以及 A/D 轉(zhuǎn)換時序圖 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 29 自動充放氣電路的設(shè)計 傳統(tǒng)的血壓測量中，人為地對袖帶進(jìn)行充放氣控制，這樣會引入大量的干擾，影響測量的精度。本系統(tǒng)中采用單片機(jī)控制充氣泵和放氣閥對袖帶自動充放氣，在操作過程中排除了操作者主觀因素影響，為測量的 準(zhǔn)確進(jìn)行提供了必要的前提。自動充氣控制的電路原理圖如圖 所示。 圖 自動充氣控制的電路原理圖 充氣泵、放氣閥工作與否采用對控制口的軟件編程實(shí)現(xiàn)。本儀器中采用 AT89C51 的輸入輸出口 控制充氣泵， 控制放氣閥。考慮到單片機(jī)上電時 P2 口為高電平，而充氣泵和放氣閥都不應(yīng)工作，我們將充氣泵和放氣閥工作的控制電平設(shè)定為低電平，這樣避免了單片機(jī)上電時氣泵和氣閥多余的啟停。 充氣泵、電磁閥都屬于強(qiáng)電設(shè)備，其作業(yè)會對單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，所以在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮到電氣隔離 問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)和強(qiáng)電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因?yàn)閺?qiáng)電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強(qiáng)電設(shè)備和地之間形成強(qiáng)大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地電阻和電容耦合到單片機(jī)回路中。消除這些脈沖干擾的最有效方法是使單片機(jī)弱電部分和強(qiáng)電控制電路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路。設(shè)計中采用雙級隔離電路來切斷強(qiáng)電設(shè)備充氣泵和電磁閥啟停時引起的沖激干擾。雙級隔 離是指光隔離器和繼電器隔離，如圖 所示， U6 為光隔離器， Q1 為基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 30 外圍驅(qū)動器， RELAY 為繼電器線圈， K 為相應(yīng)觸點(diǎn)。光隔離器隔 離的響應(yīng)速度快，可達(dá) 10μs 左右，但驅(qū)動能力小，繼電器隔離適用于啟動負(fù)荷大響應(yīng)速度慢的動力設(shè)備，因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)的負(fù)載能力大，能直接控制強(qiáng)電動力設(shè)備。 控制按鈕電路與顯示電路 控制電路和顯示電路的主要功能是承擔(dān)采集終端對生理信號的簡單顯示、對生理信號采集單元的控制， 是控制系統(tǒng)與操作人員間交互的窗口。 在測量血壓時，使用按鈕電路對系統(tǒng)經(jīng)行控制，而顯示電路則是對于我們請求的回應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器之間的交流，體現(xiàn)智能化的要求。 控制按鈕電路設(shè)計 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，開關(guān)量的輸入方法很多，常用的鍵盤接 口分為獨(dú)立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。如圖 所示本設(shè)計采用行列式鍵盤電路設(shè)計。圖 為矩陣鍵盤接口電路，通過單片機(jī)并口實(shí)現(xiàn)控制，本系統(tǒng)中暫時只用到 4 個按鍵，其中 3 個分別用來控制三種血壓值信號的發(fā)送，另外一個作為控制顯示單元的顯示控制按鈕。采用矩陣鍵盤是為了便于將來對系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展，可以再設(shè)計更多不同功能鍵，使人機(jī)接口的內(nèi)容更加豐富及完善。 S J 1S W P BS J 2S W P BS J 3S W P BS J 4S W P BS J 5S W P BS J 6S W P BS J 7S W P BS J 8S W P BS J 9S W P BS J 10S W P BS J 11S W P BS J 12S W P BS J 13S W P BS J 14S W P BS J 15S W P BS J 16S W P B1 23 45 67 89 1011 1213 1415 16J P 7 H E A D E R 8X 2P 30P 31P 32P 33P 34P 35P 36P 37基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 31 圖 鍵盤接口電路 顯示電路 本文的采集終端的顯示務(wù)必簡單易懂，因此，對于血壓信號只顯示平均壓、收縮壓和舒 張壓三個數(shù)值。顯示系統(tǒng)是單片機(jī)血壓計不可或缺的部件。本次設(shè)計由于時間關(guān)系，就簡要的介紹下顯示電路，不做詳細(xì)贅述。普遍使用的兩類顯示是數(shù)碼管顯示（ LED）和液晶顯示（ LCD）。本論文采用的 內(nèi)置 T6963C 控制器的液晶顯示 ， LCD 不僅能顯示字符、和數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線和漢字。這樣也為將來血壓計的發(fā)展提供了更多的擴(kuò)展空間，不僅可以顯示三種血壓值，還可以顯示心率圖形等，具有更強(qiáng)大的功能。 內(nèi)置 T6963C 控制器的 240 128T 圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊有 20 個引腳，各引腳的功能如表 所示。 表 液晶 顯示模塊引腳功能表 信號 管腳 功 能 FG 1 地，以在模塊中接地 GND 2 電源地 VCC 3 電源電壓 VEE 4 工作負(fù)電壓 WR 5 寫信號，低電平有效 RD 6 讀信號，低電平有效 CE 7 片選信號，低電平有效 DC/ 8 指令 /數(shù)據(jù)通道選擇信號， 1為指令通道， 0為數(shù)據(jù)通道 RST 9 復(fù)位信號，低電平有效 DB0～ DB8 10～ 17 數(shù)據(jù)總線 FS 18 字體選擇 V V2 19～ 20 空 本設(shè)計中，采用直接訪問方式將液晶顯示模塊與 AT89C51 單片機(jī)連接，具體的接口電路如圖 所示。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 32 圖 液晶顯示器與單片機(jī)接口電路圖 液晶顯示模塊的 與 AT89C55 的 P20 相連， 與 P27 口接一非門相連，因此液晶顯示模塊的指令口地址為 8100H，數(shù)據(jù)口地址為8000H。電源控制端 VEE 是用以調(diào)節(jié)顯示屏灰度的，調(diào)節(jié)該端的電壓可以改變字符、圖形顏色的深淺。一般利用可調(diào)電阻讓該端電壓在15V～ 16V 為宜，若電壓過低，可能看不出屏上顯示的內(nèi)容。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 33 4 軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件主要是配合相關(guān)的硬件電路，順利完成系統(tǒng)設(shè)計的功能。程序設(shè)計的主要思想為：系統(tǒng)上電后，首先由控制按鈕通過各種啟動按鍵向單片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換電路發(fā)送信號采集命令，接到命令后轉(zhuǎn)換電路便開始進(jìn)行血壓信號的采集、存儲及發(fā)送。 血壓信號采集 一、主程序流程圖 圖 血壓采集流程圖 圖 為血壓采集流程圖，本系統(tǒng)血壓測量信號為 2 路，壓力傳感器的信號一路進(jìn)行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號讀數(shù)的誤差，之后送入 AD1，作為袖帶壓力信號；另一路經(jīng)過帶通濾波器送入AD2 作為脈搏波信號。由于 ADC0809 的 A/D 轉(zhuǎn)換精度為 8 位，因此最基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 34 高精度可達(dá) 1/256。為了最大限度地利用 A/D 轉(zhuǎn)換的采樣速度，用中斷來實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完畢，在中斷程序中，用防脈沖干擾移動平均值法來實(shí)現(xiàn)簡單有效的數(shù)字濾波，使測量更加準(zhǔn)確。具體做法為在一次定時中斷內(nèi)連續(xù)進(jìn)行 5 次 A/D 轉(zhuǎn)換，去掉最大值和最小值，剩余 3 個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值作為此次的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 二、主要算法 袖帶氣壓和脈搏波的波形特征一般如第 1 章圖 所示。圖中的(b)方為被測者的脈搏波，圖 (c)為壓降過程中的袖帶壓力。目前，比較一致的看法是： 當(dāng)袖帶壓力振蕩波的振幅最大時，袖帶的壓力就是動脈的平均壓。動脈的收縮壓對應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個拐點(diǎn)，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個拐點(diǎn)。 在此基礎(chǔ)上分析信號，可得收縮壓、舒張壓和心率的算法。 1. 收縮壓 收縮壓的確定采用最大振幅法，即在放氣過程中脈搏波幅 度包絡(luò)線的上升段，當(dāng)某一個脈搏波的幅度 Ui 與最大幅度 Um（平均壓）之比剛剛大于 Ks 時，就認(rèn)為此時對應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。 Ps=P/Ui=Ks*Um 2. 舒張壓 舒張壓的確定也是用最大振幅法來判