基于硅壓式傳感器的便攜式電子血壓計設(shè)計

1 引言

測量血壓的傳統(tǒng)儀器是機(jī)械式水銀血壓計，電子血壓計近幾年才在市場上出現(xiàn)。電子血壓計與傳統(tǒng)血壓計相比，雖然操作簡單、使用方便，但準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性往往不太理想。本設(shè)計力求準(zhǔn)確、穩(wěn)定，以適用于老年人或病人隨時監(jiān)測自己血壓情況及臨床醫(yī)學(xué)檢測。

在研究國內(nèi)外已有產(chǎn)品或設(shè)計構(gòu)思的基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的信號處理技術(shù)與智能控制技術(shù)，盡量消除脈搏提取處理中的噪聲干擾與非線性失真，提高血壓測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并提高了測量的自動化和智能化。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計采用Motorola公司的MPX53GC硅壓式傳感器和TI公司MSP430F149單片機(jī)為主要器件， 構(gòu)成電子血壓計，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。系統(tǒng)由MCU、 傳感器、LCD液晶顯示器、操作面板、充放氣控制 電路、氣泵和氣閥、蜂鳴器、存貯器、電源等部分 構(gòu)成。

2.1 微處理器的選擇

單片機(jī)是整個系統(tǒng)的大腦，它不僅要對系統(tǒng)進(jìn) 行監(jiān)控、對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，而月.要通過對測量 結(jié)果的判定調(diào)整硬件的參數(shù);使系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié) 在最佳的工作狀態(tài)，具有一定的智能性。根據(jù)系統(tǒng) 的設(shè)計要求，選用TI公司的MSP430F1 49單片機(jī) 。

MSP430內(nèi)嵌ADC12，它是12位的A/D模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，具有高速、通用的特點(diǎn)。ADC12可對8個外 部模擬信號之一或4個內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換。 ADC12具有通用的采樣/保持電路，給用戶提供了 采樣時序的各種選擇。MSP430F149單片機(jī)則能很 好滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.2 傳感器電路設(shè)計

MPX53GC是Motorola X型傳感器，該類傳感器價格低廉、線性優(yōu)良、噪聲小、響應(yīng)迅速，并且在 恒流源供電的情況下具有溫度白補(bǔ)償掙陛。傳感器電路的組成如圖2所示，壓力傳感器的輸出信號先 經(jīng)過濾波電路，然后進(jìn)行放大，同時單片機(jī) MSP430F149將產(chǎn)生1：10脈寬控制鋸齒波發(fā)生器， 產(chǎn)生鋸齒波與經(jīng)過處理的壓力信號相比較，將電平 信號轉(zhuǎn)換為脈寬信號。單片機(jī)MSP430F149測量脈寬，然后經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換為收縮壓(SP)、舒張壓(DP)、平均壓(MP) 。

2.3 濾波電路設(shè)計

在血壓測量過程中，由于傳感器MPX53GC輸 出的信號極其微弱，而且混有高頻噪聲，如果電路 設(shè)計不合理，微弱的信號就會被噪聲淹沒。因此在 每一級放大電路中，都應(yīng)有相應(yīng)的噪聲濾除或抑制 電路 ，此外要盡量的消除分布電容與分布電感的 耦合，在必要處進(jìn)行屏蔽。如圖3所示，采用有源低通濾波器，有效地削弱高頻噪聲，并適當(dāng)放大信 號。其頻率函數(shù)可表示為：

2.4 充放氣控制電路設(shè)計

充放氣電路也是影響測量準(zhǔn)確度的一個重要因素。因此，怎樣控制充氣閥和放氣閥，才能得到最好的測量結(jié)果是關(guān)鍵。在測量過程中，我們采用 單片機(jī)MSP430F149控制充放氣速率，根據(jù)壓力大小進(jìn)行控制充氣閥和放氣閥的動作，這樣不但能夠 準(zhǔn)確控制充放氣的速率，而且能很好的監(jiān)測整個系 統(tǒng)的運(yùn)行情況，此外，還可以避免一些意外的人體傷害。

其控制過程見圖4充氣電路如圖5所示。在充氣過程中.可以稍 微快點(diǎn)充氣，并估計收縮壓和舒張壓，以便計算放 氣速率。當(dāng)達(dá)到最大值后停止充氣，開始慢慢的均 速放氣。放氣過程中，采用PWM脈寬調(diào)制進(jìn)行控 制，并時刻察覺血壓袖套CUFF的壓力情況，保持 勻速放氣。最后當(dāng)壓力小于20mmHg時，立即把放 氣閥全部打開。

2.5 LCD液晶顯示模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用LCD驅(qū)動器HT1621，它為128(32 ×4)段LCD驅(qū)動器，可驅(qū)動多個LCD液晶屏。它 與單片機(jī)接口如圖6所示，接口只須四根線。 線 用以初始化串行接口電路并終止MSP430F149與 HT1621的通信。數(shù)據(jù)的瀆/寫及命令的寫入通過數(shù) 據(jù)線傳輸。RD讀信號，RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)在RD信號 的下降沿送至數(shù)據(jù)線上，使MSP430F 149在而信 號的上升沿及下一個下降沿之間讀入正確的數(shù)據(jù)。

一WR為寫信號，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)、地址及命令可在 一WR信號上升沿寫入HT1621。IRQ為可選擇控制。

2.6電源模塊設(shè)計

本系統(tǒng)電源采用兩節(jié)1.BY 的電池供電，經(jīng)過 XC6382芯片升壓至3.5V直接為系統(tǒng)提供電源。

3 軟件設(shè)計

軟件部分是整個系統(tǒng)有效工作的核心，系統(tǒng)只 有在軟件和硬件有機(jī)結(jié)合，才能正常工作。

3.1 采集與控制程序模塊

它完成采集資料(壓力傳感器信號，按鍵信號 等)，控制充放氣等功能。其程序流程如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理和顯示模塊

數(shù)據(jù)處理和顯示模塊完成對壓力傳感器數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)字濾波，計算出收縮壓、舒張壓、平均壓及 脈搏，然后把相應(yīng)數(shù)據(jù)儲存到EEPROM(24C256)并 顯示到液晶屏(HT1621).程序流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

測量系統(tǒng)需要標(biāo)定，電子血壓計也不例外。在 軟件系統(tǒng)中專門有一個壓力標(biāo)定程序，該程序的作 用是幫助調(diào)試者進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程如下：給系統(tǒng) 零壓力(即：讓傳感器與大氣連通)，經(jīng)過一段時 間穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動記錄零點(diǎn)的脈寬;然后提示調(diào) 試者，給系統(tǒng)300mmHg的壓力，此時調(diào)試者應(yīng)將 顯示的數(shù)值調(diào)整到16268±100以內(nèi)，系統(tǒng)即標(biāo)定完畢。

5 結(jié)論

通過一系列的分析、研究和改進(jìn)，系統(tǒng)的設(shè)計較好的達(dá)到我們測試的要求。在測量的過程中，被 測者應(yīng)做到保持不動，否則可能因為被測者的動作 形成一個假脈沖信號，同時可能改變CP信號。為 了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性和可靠性，傳感器線性、PCB 板布線、氣泵和氣閥選擇等等都需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。