【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(gè)脈搏波的幅度 Ui 與最大幅度 Um（平均壓）之比剛剛大于 Ks 時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。動(dòng)脈的收縮壓對(duì)應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對(duì)應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。圖中的(b)方為被測(cè)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。 血壓信號(hào)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(cè)量信號(hào)為 2 路，壓力傳感器的信號(hào)一路進(jìn)行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號(hào)讀數(shù)的誤差，之后送入 AD1，作為袖帶壓力信號(hào)；另一路經(jīng)過帶通濾波器送入AD2 作為脈搏波信號(hào)。 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 33 4 軟件設(shè)計(jì) 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(jì)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(hào) 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(hào)，低電平有效 RD 6 讀信號(hào)，低電平有效 CE 7 片選信號(hào)，低電平有效 DC/ 8 指令 /數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)， 1為指令通道， 0為數(shù)據(jù)通道 RST 9 復(fù)位信號(hào)，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(jì)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(jì)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(jì)不可或缺的部件。采用矩陣鍵盤是為了便于將來對(duì)系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展，可以再設(shè)計(jì)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(jì)采用行列式鍵盤電路設(shè)計(jì)。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(duì)生理信號(hào)的簡(jiǎn)單顯示、對(duì)生理信號(hào)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(jí)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(jì)設(shè)計(jì) 30 外圍驅(qū)動(dòng)器， RELAY 為繼電器線圈， K 為相應(yīng)觸點(diǎn)。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?yàn)閺?qiáng)電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會(huì)在強(qiáng)電設(shè)備和地之間形成強(qiáng)大的脈動(dòng)干擾?？紤]到單片機(jī)上電時(shí) 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(shí)氣泵和氣閥多余的啟停。 圖 自動(dòng)充氣控制的電路原理圖 充氣泵、放氣閥工作與否采用對(duì)控制口的軟件編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用單片機(jī)控制充氣泵和放氣閥對(duì)袖帶自動(dòng)充放氣，在操作過程中排除了操作者主觀因素影響，為測(cè)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(hào)。 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(shí) 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(shí)鐘信號(hào)由CLOCK 端送入，其最高頻率為 640MHz，在這個(gè)最高頻率下 ADC0809的 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100uS 左右。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)端 START 出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動(dòng)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(hào)既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 28 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)。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(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫 為 ST。 START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 ALE：地址鎖存允許信號(hào)。 A， B， C：地址線。 0809 對(duì)輸入模擬量的要求主要有：信號(hào)單極性， 電壓范圍 0～ 5V、若信號(hào)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(jì)設(shè)計(jì) 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(shí)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(shí)，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(duì) A， B， C 3個(gè)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(dòng)壓力波基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 26 8 位，其逐次逼近的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100uS。其中 ALE 信號(hào)與 START信號(hào)連在一起，可以在信號(hào)的前沿寫入地址信 號(hào)，在其后沿便啟動(dòng)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(gè)端口對(duì) ADC0809 進(jìn)行控制。它性能價(jià)格比較高，市場(chǎng)售價(jià)較低，購買也很方便。 本系統(tǒng)中，我們需要對(duì)袖帶壓力信號(hào)和脈動(dòng)壓力信號(hào)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(shí)，考慮到 8 位的分辨率能滿足測(cè)量的精度要求，并且 8 位數(shù)據(jù)由于正好是一個(gè)字節(jié)處理起來很方便，因此本設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)為模擬信號(hào)，單片機(jī)無法對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)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(hào)。 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(shí)鐘頻率就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)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(dòng)(吸收或輸出電流 )4 個(gè) LS 型 TTL負(fù)載。在訪問 8 為地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時(shí)， 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(gè)訪問期間不改變。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 為雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平。此時(shí)可作輸入口。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)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(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 的 21 伏編程電源輸入。當(dāng) EA 為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)程序計(jì)數(shù)器 PC 的值超過 0FFFH(對(duì)8051/80C51/8751)或 1FFFH(對(duì) (8052)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。在執(zhí)行訪問 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 22 外部 ROM 指令的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生 PSEN 信號(hào)，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 或訪問內(nèi)部 ROM 時(shí)，不產(chǎn)生 PSEN 信號(hào)。第二功能 PROG 是用于對(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 編程的脈沖輸入端。因此它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘。 ALE/PROG(30)： ALE 是地址鎖存允許信號(hào)，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，用來鎖存由 P0 口送出的低 8 位地址信號(hào)。當(dāng)此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )的高電平，就可以完成復(fù)位操作。在使用外部時(shí)鐘時(shí)，則用來輸入時(shí)鐘脈沖。 Vcc(40)：接 +5V 電源。 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 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(shí) /計(jì)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(chǔ)器； 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O口線；兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器；一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩及時(shí)鐘電路。它的功能是對(duì)逐條指令進(jìn)行譯碼，并通過定時(shí)和 控制電路在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各部分的工作。累加 器 ACC 是一個(gè) 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?yàn)樵谶M(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí) ,ALU 的一個(gè)輸入多為 ACC 的輸出，而大多數(shù)運(yùn)算結(jié)果也需要送到 ACC 中，在作乘除運(yùn)算時(shí)， B 寄存器用來存放一個(gè)操作數(shù)，它也用來存放乘除運(yùn)算后的一部分結(jié)果，若不作乘除操作時(shí)， B 寄存器可用作通用寄存器。 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 20 圖 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖 (1)運(yùn)算器 運(yùn)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(gè)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(jiǎn)化框圖如圖 所示。器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(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)。 基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì) 19 3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) CPU 是整個(gè)系統(tǒng)的中樞部分，是系統(tǒng)數(shù)字