【正文】 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。動脈的收縮壓對應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個拐點，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個拐點。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。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。為了最大限度地利用 A/D 轉(zhuǎn)換的采樣速度，用中斷來實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。 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。 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。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。 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。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。普遍使用的兩類顯示是數(shù)碼管顯示（ LED）和液晶顯示（ LCD）。顯示系統(tǒng)是單片機(jī)血壓計不可或缺的部件。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。如圖 所示本設(shè)計采用行列式鍵盤電路設(shè)計。實現(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。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。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。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，因為強(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。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。 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現(xiàn)。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。 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 中 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出信號。 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。 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。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。其典型值為＋ 5V（ Vref(+)＝ +5V、 Vref(－ )＝ 0V）。 Vref：參考電壓。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。 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。 CLK：時鐘信號。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)。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。本信號有時簡寫 為 ST。 START：轉(zhuǎn)換啟動信號。 ALE：地址鎖存允許信號。 A， B， C：地址線。 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。 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。 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。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。表 1 中 C、B、 A 是三條通道的地址線。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。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。逐次型的 ADC0809 轉(zhuǎn)換速度較快、精度較高，其分辨率為I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b 2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10U2P O T 2P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 2 . 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。其中 ALE 信號與 START信號連在一起，可以在信號的前沿寫入地址信 號，在其后沿便啟動轉(zhuǎn)換。ADDA、 ADDB 和 ADDC 與 連接，輸入通道定位在 IN0 和 IN7 端口上。 圖 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路 單片機(jī)通過 、 兩個端口對 ADC0809 進(jìn)行控制。它性能價格比較高，市場售價較低，購買也很方便。 本系統(tǒng)中，我們需要對袖帶壓力信號和脈動壓力信號的處理，因此選用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片至少滿足兩通道輸入同時，考慮到 8 位的分辨率能滿足測量的精度要求，并且 8 位數(shù)據(jù)由于正好是一個字節(jié)處理起來很方便，因此本設(shè)計采用 ADC0809 逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D轉(zhuǎn)換器 (ADC)一般要經(jīng)過采樣、保持、量化、及編碼 4 個過程。 ADC0809 轉(zhuǎn)換 電路及 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件 由于經(jīng)過低通濾波和帶通濾波得到的信號為模擬信號，單片機(jī)無法對其進(jìn)行操作和處理，就需要進(jìn)行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用上電復(fù)位，電路圖如圖 所示， C3 為 22uF，R3 取 1KΩ。復(fù)位引腳 RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機(jī)器周期的 S5P2，施密特觸發(fā)器輸出電平有 復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。 C11 和 C12 為30pF，石英晶體振蕩器為 。為了提高溫度穩(wěn)定性應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的電容。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機(jī)的運行速度也就越快。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。電路示意圖如圖 所示。 P3 口能驅(qū)動(吸收或輸出電流 )4 個 LS 型 TTL負(fù)載。在訪問 8 為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容，即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容，在整個訪問期間不改變。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 為雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平。此時可作輸入口。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。第二功能 VPP 為對 8751 片內(nèi) EPROM 的 21 伏編程電源輸入。當(dāng) EA 為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但當(dāng)程序計數(shù)器 PC 的值超過 0FFFH(對8051/80C51/8751)或 1FFFH(對 (8052)時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。在執(zhí)行訪問 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 22 外部 ROM 指令的時候，會自動產(chǎn)生 PSEN 信號，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 RAM 或訪問內(nèi)部 ROM 時，不產(chǎn)生 PSEN 信號。第二功能 PROG 是用于對 8751 片內(nèi) EPROM 編程的脈沖輸入端。因此它可用作對外輸出的時鐘。 ALE/PROG(30)： ALE 是地址鎖存允許信號，在訪問外部存儲器時，用來鎖存由 P0 口送出的低 8 位地址信號。當(dāng)此輸入端保持兩個機(jī)器周期 (24 個振蕩周期 )的高電平，就可以完成復(fù)位操作。在使用外部時鐘時，則用來輸入時鐘脈沖。 Vcc(40)：接 +5V 電源。 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 21 采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)的 AT89C51 單片機(jī)引腳分配如圖 所示。定時 /計數(shù)器，串 行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器； 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I/O口線；兩個 16 位定時 /計數(shù)器；一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)；一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩及時鐘電路。它的功能是對逐條指令進(jìn)行譯碼，并通過定時和 控制電路在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部控制信號，協(xié)調(diào)各部分的工作。累加 器 ACC 是一個 8 位的寄存器（在指令中一般寫為 A），它通過暫存寄存器 TMP 與 ALU 相連， ACC 的工作最為繁忙，因為在進(jìn)行算術(shù)邏輯運算時 ,ALU 的一個輸入多為 ACC 的輸出，而大多數(shù)運算結(jié)果也需要送到 ACC 中，在作乘除運算時， B 寄存器用來存放一個操作數(shù)，它也用來存放乘除運算后的一部分結(jié)果，若不作乘除操作時， B 寄存器可用作通用寄存器。 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 基于單片機(jī)的電子血壓計設(shè)計 20 圖 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖 (1)運算器 運算器以算術(shù)邏輯單元 ALU 為核心，加上累加器 ACC、暫存寄存器 TMP 和程序狀態(tài)字寄存器 PSW 等所組成。 6 個中斷源 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 1000 次擦寫周期 與 MCS51 指令系統(tǒng)完全兼容 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖 所示。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。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)。 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