便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)
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其中家用電子血壓計(jì)就是典型的家庭醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備之一。血壓計(jì)大致上可分為兩種：一是水銀式血壓計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為數(shù)值穩(wěn)定，其缺點(diǎn)為：無(wú)法一人自行操作，且必須專(zhuān)業(yè)醫(yī)護(hù)人員操作，肉限觀察誤差極大主觀性強(qiáng)，體積較大不易攜帶。二是電子式血壓計(jì)其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡(jiǎn)易，可一人獨(dú)自操作，測(cè)量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計(jì)具備了諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到普通家庭的歡迎。本文介紹了以PIC16F877為控制核心。輔以氣壓傳感器FGN-605PGSR和用作傳感器與MCU之間模擬信號(hào)處理的LM324／331模擬電路以及LCD驅(qū)動(dòng)芯片HD44780A，實(shí)現(xiàn)了家用電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)盡量將系統(tǒng)使用的芯片和被動(dòng)組件數(shù)量降低，故具有低成本小型化低功耗的特點(diǎn)。
1 PIC16F877單片機(jī)
PIC16F877單片機(jī)美國(guó)微芯(Micro Chip)公司推出的8位CMOS FLASH 28／40引腳的單片機(jī)。單片機(jī)采用RISC CPU，有35條單字節(jié)的指令，即保證了必要的指令效率也兼具了控制芯片成本和簡(jiǎn)化編程復(fù)雜度。其主要特點(diǎn)如下：
寬工作電壓為2.0～5.5 V；
時(shí)鐘周期為0～20 MHz指令周期為0～5 MHz；
片內(nèi)FLASH ROM為8 k Words，RAM為368 B，E2PROM為256 B；
低功耗工作電流0.6 mA@3V時(shí)鐘周期為4 MHz；
2個(gè)8位和1個(gè)16位定時(shí)器；
2個(gè)16位捕捉／比較模塊或2個(gè)10位PWM模塊；
10位多信道ADC；
串行通信口SPI，I2C，USART及8位并行通信口。
2 外圍組件介紹
FGN-605PGSR是日本專(zhuān)業(yè)傳感器供貨商fujikura公司推出的專(zhuān)門(mén)用于血壓計(jì)的氣壓傳感器，其尺寸為10.3 mm×7 mm×9.5 mm，可測(cè)壓力范圍-34.47～+34.47 kPa符合所要量測(cè)的壓力范圍。FGN-605PGSR原理是在恒流源供電的文氏電橋上的電阻隨氣壓變化而輸出雙端差分電壓信號(hào)。LM324是常用的4運(yùn)放14腳雙列直插集成電路，LM311是常用的4比較器14腳雙列直插集成電路，其具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，低價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。HD44780A是日立推出的點(diǎn)陣字符液晶顯示控制器和驅(qū)動(dòng)器，可顯示16字×1行或16字×2行或20字×4行之文字模式，每個(gè)字為5*7點(diǎn)矩陣字型。
3 電子血壓計(jì)工作原理
3.1 血壓測(cè)量原理定義
血壓的概念就是血液流經(jīng)血管壁時(shí)的壓力。由心臟出來(lái)的血液，需要有推力，才能繞行身體一周，心臟就是借著不停的收縮、放松，將血液推送前進(jìn)。血壓有兩種，一是收縮壓：是當(dāng)心臟收縮把血液打到血管所測(cè)得的血壓，二是舒張壓：是心臟在不收縮所得的壓力。當(dāng)袖帶的壓力等于血壓時(shí)，血液開(kāi)始可以流通而產(chǎn)生所謂的袖帶聲，這時(shí)候也就是收縮壓，必須開(kāi)始從這里做記錄，直到最后當(dāng)袖帶聲沒(méi)有的時(shí)候，此點(diǎn)即為舒張壓。
3.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由壓力傳感器(FGN-605PGSR)，恒流源(LM324×1)，差分放大(LM324×3)，0.8 Hz二階高通濾波(LM324×1)，200倍放大(LM324×2)，38Hz二階低通濾波(LM324×1)，血壓脈沖觸發(fā)(LM311×1)，液晶驅(qū)動(dòng)器(HD44780A)和單片機(jī)(PIC16F877)組成。
單片機(jī)主要工作為：PWM輸出控制氣泵充氣漏氣調(diào)整袖帶內(nèi)氣壓；一路ADC采樣袖帶內(nèi)氣壓直流分量以便取得收縮壓和舒張壓；一路ADC采樣袖帶內(nèi)氣壓交流分量經(jīng)分析計(jì)算分析后確定收縮壓和舒張壓的瞬態(tài)時(shí)間位置；接收血壓脈沖信號(hào)觸發(fā)ADC工作；將計(jì)算出的收縮壓和舒張壓結(jié)果輸出至液晶驅(qū)動(dòng)器顯示。
一次測(cè)量血壓的過(guò)程為：按激活鍵單片機(jī)PWM輸出控制氣泵充氣至200 mmHg高，慢慢以每秒約下降5 mmHg的速度放氣。壓力傳感器輸出信號(hào)經(jīng)差分放大器后變單端信號(hào)一路送入單片機(jī)ADC監(jiān)視直流分量，另一路送入0.8 Hz二階高通濾波器濾除直流分量；交流分量經(jīng)200倍放大后輸入38 Hz二階低通濾波器去除電源及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾并將此信號(hào)維持在0～5 V之問(wèn)，濾波后的交流分量一路送入血壓脈沖觸發(fā)然后觸發(fā)單片機(jī)ADC工作，另一路送入單片機(jī)ADC計(jì)算幅值，先找出最大振幅值A(chǔ)max，在往前找幅值為0.5Amax的瞬態(tài)位置對(duì)應(yīng)血壓直流分量即為收縮壓，往后找幅值為0.8Amax的瞬態(tài)位置對(duì)應(yīng)血壓直流分量即為舒張壓，將計(jì)算出的收縮壓和舒張壓結(jié)果輸出至液晶驅(qū)動(dòng)器顯示。血壓信號(hào)及收縮壓和舒張壓位置如圖3所示。
4 硬件設(shè)計(jì)
4.1 PIC16F877單片機(jī)
時(shí)鐘輸入 外接有源晶振通過(guò)OSC1／CLKIN(Pin13)輸入8 MHz主頻。
電源輸入 系統(tǒng)電源為9 V電池，通過(guò)外部7805降壓到直流5 V輸入VDD(Pin11，32)。
按鍵輸入 按鍵低電平脈沖通過(guò)RB0／INT(Pin33)輸入，以中斷方式觸發(fā)一次測(cè)量血壓的過(guò)程，中斷服務(wù)子程序有消除按鍵抖動(dòng)的處理。
氣泵驅(qū)動(dòng) RC1(Pin33)為內(nèi)部PWM模塊的輸出信道，PWM驅(qū)動(dòng)氣泵充氣和放氣。
喇叭驅(qū)動(dòng) RC3(Pin37)驅(qū)動(dòng)喇叭輸出測(cè)量血壓時(shí)的提示和過(guò)程聲音。
液晶驅(qū)動(dòng)控制 對(duì)HD44780A輸出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示控制，RC.3～5(Pin18，23，24)接HD44780A控制線RS，R／W，EN；RD.0～7(Pin19～22，27～30)接HD44780A數(shù)據(jù)總線DB0～7。
4.2 提供傳感器偏置的恒流源
如圖4所示，運(yùn)放LM324-11輸入正端為可設(shè)定的直流偏置電壓Vref，LM324-11輸出端和輸入負(fù)端提供了壓力傳感器電橋恒流偏置的回路。
4.3 差分轉(zhuǎn)單端輸出的放大電路
經(jīng)過(guò)兩個(gè)運(yùn)放LM324-12，13隔離，LM324-14差分放大后其輸出電壓
4.4 0.8 Hz二階高通巴特沃思濾波器
采用二階巴特沃思二階高通濾波，運(yùn)放LM324-24接成跟隨器放大倍數(shù)為1，高通濾波器的傳遞函數(shù)為：
取二階巴特沃思網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的系數(shù)a11=1.414，截止角頻率ωc=0.8×2π，取C1=C2=0.1μF。
4.5 200倍放大電路
用兩個(gè)級(jí)運(yùn)放LM324-21，22搭成的比例放大電路，第一級(jí)為20倍放大，第二級(jí)為10倍放大。
4.6 38Hz二階低通巴特沃思濾波器
采用二階巴特沃思二階低通濾波，運(yùn)放LM324-23接成跟隨器，放大倍數(shù)為1，低通濾波器的傳遞函數(shù)為：
取二階巴特沃茲網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的系數(shù)a11=1.414，截止角頻率ωc=38×2 ，取C3=C4=0.1μF。
4.7 血壓脈沖觸發(fā)
利用比較器LM311設(shè)定一定的電壓門(mén)限，將血壓交流信號(hào)形成脈沖，輸入PIC16F877 RC2的CCP1觸發(fā)ADC信道1工作。
5 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
5.1 初始化工作
上電后對(duì)單片機(jī)寄存器，SRAM，特殊功能的設(shè)置如PWM，輸入輸出端口的設(shè)置做必要的初始化；對(duì)HD44780A輸出指令關(guān)閉顯示。
5.2 按鍵輸入
未按鍵時(shí)RB0／INT(Pin33)端口為大電阻上拉狀態(tài)，有按鍵時(shí)低電平脈沖通過(guò)此端口輸入，中斷方式觸發(fā)一次測(cè)量血壓的過(guò)程，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后每隔10 ms判斷一次端口狀態(tài)，連續(xù)讀到3次低電平，則判斷按鍵有效，這是消除按鍵抖動(dòng)的處理。判斷按鍵有效后對(duì)HD44780A輸出指令顯示開(kāi)始測(cè)試畫(huà)面。
5.3 氣泵充氣
判斷按鍵有效后，PWM輸出對(duì)氣泵充氣。停止充氣的條件有兩個(gè)必須同時(shí)滿足：一是ADC信道0測(cè)到的血壓直流分量是否大于4 V；二是ADC信道1測(cè)到血壓交流分量是否介于1.6～4.9 V之間。滿足此條件表示氣壓已足夠，可停止充氣，一般此時(shí)氣壓略大于200 mmHg。
5.4 測(cè)量血壓
PWM輸出勻速放氣。心跳脈沖通過(guò)CCP1觸發(fā)ADC信道1采樣血壓交流分量測(cè)出每個(gè)脈沖的峰峰值，同時(shí)計(jì)算出這個(gè)脈沖時(shí)間段內(nèi)ADC信道0測(cè)到的血壓直流分量的平均值。把峰峰值和直流平均值作為一對(duì)數(shù)據(jù)記錄起來(lái)，每個(gè)心跳脈沖會(huì)對(duì)應(yīng)一對(duì)數(shù)據(jù)。 5.5 計(jì)算收縮壓和舒張壓
ADC信道0測(cè)到的血壓直流分量是否小于1 V表示氣壓低于50 mmHg，是單次測(cè)量結(jié)束的標(biāo)志。然后開(kāi)始統(tǒng)計(jì)記錄下來(lái)的若干組峰峰值和直流平均值，找出峰峰值最大的值A(chǔ)max，在往前找峰峰值最接近0.5Amax的一對(duì)數(shù)據(jù)其中血壓直流分量即為收縮壓，往后找峰峰值最接近0.8Amax的一對(duì)數(shù)據(jù)其中血壓直流分量即為舒張壓。判斷測(cè)出收縮壓和舒張壓的值落在合理的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，如：收縮壓應(yīng)在80～190 mmHg范圍內(nèi)和舒張壓50～120 mmHg范圍內(nèi)。將計(jì)算出落在合理數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的收縮壓和舒張壓結(jié)果輸出至液晶驅(qū)動(dòng)器顯示。
5.6 ADC數(shù)據(jù)處理
ADC信道1測(cè)血壓交流分量的采樣率為2 kHz，其取值原由為：心跳脈沖頻率上限約為2 Hz，定義峰值出現(xiàn)的時(shí)間約占心跳脈沖周期的1％，在峰值附近ADC測(cè)量10次，所以ADC的采樣率=2 Hz／1％×10=2 kHz。因?yàn)锳DC測(cè)量到數(shù)據(jù)含有電源及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲，必須經(jīng)過(guò)ADC多次測(cè)量才可將噪聲造成的異常數(shù)據(jù)去除，這里采用的做法將多次測(cè)量的數(shù)據(jù)先做比較先去掉個(gè)別與大多數(shù)數(shù)據(jù)相差較大的數(shù)據(jù)，在剩下的數(shù)據(jù)中取偏大(小)的幾個(gè)數(shù)據(jù)做平均從而得到高(低)峰值。
本設(shè)計(jì)將PIC16F877設(shè)置單次數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間為48μs，具體條件為FUSC=8 MHz，TOSC=125 ns，TAD=32TOSC，故單次數(shù)模準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間TADC=12TAD=12×32×125 ns=48μs。實(shí)際上在數(shù)模轉(zhuǎn)換前還必須保留20 μs采樣保持時(shí)間。這種設(shè)置采樣率的最大值可做到1／(48μs+20 μs)=14.7 kHz遠(yuǎn)大于要求的2 kHz，故滿足要求。ADC信道0測(cè)血壓直流分量模準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置與ADC信道1相同，每次采樣緊接著ADC信道1采樣后進(jìn)行。
5.7 異常處理
(1) 充氣時(shí)在限定時(shí)間內(nèi)未滿足氣壓足夠高即停止充氣的條件，則先放氣然后重新充氣。連續(xù)3次出現(xiàn)此異常，則HD44780A輸出錯(cuò)誤信息。
(2) 放氣時(shí)在限定時(shí)間內(nèi)未滿足氣壓足夠低即停止血壓測(cè)量的條件，則放棄此次測(cè)量數(shù)據(jù)再放氣然后重新充氣并測(cè)量。連續(xù)3次出現(xiàn)此異常，則HD44780A輸出錯(cuò)誤信息。
(3) 測(cè)量后計(jì)算出的收縮壓和舒張壓未落在合理的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，則放棄此次測(cè)量數(shù)據(jù)再放氣然后重新充氣并測(cè)量。連續(xù)3次出現(xiàn)此異常，則HD44780A輸出錯(cuò)誤信息。
6 結(jié) 語(yǔ)
電子血壓計(jì)具有低成本、小型化、低功耗、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，在使用上帶來(lái)了便攜和易操作的特點(diǎn)，從而使電子血壓計(jì)呈現(xiàn)出家用化的趨勢(shì)。本文給出了完整的攜帶式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案，并基于PIC 16F877為控制核心輔以壓力傳感器和外圍的模擬電路以及LCD驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)了電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)可直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，故有較高的實(shí)用價(jià)值。
評(píng)論