電子血壓計的設計與驗證

1、電子血壓計的設計與驗證電子血壓計的設計與驗證醫(yī)學院（生物醫(yī)學工程） 【摘要】血壓是人體重要的生理參數(shù)之一，對其的準確監(jiān)測將對心血管疾病診斷和治療具有重要意義。本設計是采用振蕩法的無創(chuàng)血壓測量技術來實現(xiàn)電子血壓計，結合了現(xiàn)代傳感技術、計算機與信號處理技術。本文主要從硬件方面介紹了電子血壓計的設計，主要包括電源電路、放大濾波電路、LCD顯示電路、控制電路和數(shù)字處理等電路設計和核心器件選型，系統(tǒng)中采用壓力傳感器US9111和LMV2264運放對信號進行信號轉換、放大、濾波，以STM32F103RBT6單片機為核心，實現(xiàn)泵閥控制和對采集到的壓力與脈搏信號進行處理，并上傳測量的數(shù)據(jù)到上位機進行顯示，實現(xiàn)

2、系統(tǒng)功能，達到預期的設計目標?！娟P鍵詞】血壓，硬件系統(tǒng)，顯示； 1 前言1.1 研究背景1.1.1 電子血壓計概述通常所說的血壓是指動脈血壓，血壓是血液在血管內流動時，作用于血管壁的壓力，它是推動血液在血管內流動的動力。心室收縮，血液從心室流入動脈，此時血液對動脈的壓力最高，即動脈血壓的峰值，稱為收縮壓（systolic blood pressure ，SBP ）1。心室舒張，動脈血管彈性回縮，血液仍慢慢繼續(xù)向前流動，但血壓下降，此時的壓力稱為舒張壓（diastolic blood pressure，DBP），即血壓的谷值2。血壓是機體重要的生命特征之一，可以反映出人體心臟和血管的功能狀況，是

3、臨床上診斷疾病、觀察治療效果、進行診后判斷等的重要依據(jù)3。電子血壓計是基于采用無創(chuàng)血壓測量方法的生命信息監(jiān)測醫(yī)療設備，無創(chuàng)血壓測量方法主要有聽診法和示波法，其中示波法又稱震蕩法，本設計的測量原理是示波法。電子血壓計有臂式、腕式之分，腕式電子血壓計的優(yōu)點是小巧便攜，但測量結果不夠精確；上臂血壓計雖然機型較大攜帶不便，但是精度較高，更具有臨床意義，所以本次設計目標也是上臂式電子血壓計。血壓計的技術經歷了最原始的第一代、第二代（半自動血壓計）、第三代（智能血壓計）的發(fā)展。第一代電子血壓計是在減壓時進行測量，使用的主要元器件包括壓力傳感器、快速加壓氣泵和機械快速排氣閥。第一代電子血壓計由于機械式排氣閥

4、的不穩(wěn)定，測量結果也不穩(wěn)定，誤差較大。第二代電子血壓計也是在減壓時進行測量，第二代是電子控制排氣閥，可以智能加壓，減小人為誤差，使得測量結果更加穩(wěn)定。第三代電子血壓計是在加壓時就進行測量，目前國際上掌握這一技術的公司并不多。第一代和第二代電子血壓計都是上臂式的，第三代是腕式電子血壓計，由于掌握MWI技術（加壓時測量）的公司很少和腕式電子血壓計不適合有血流障礙的病人使用，所以現(xiàn)在使用最廣泛的是第二代電子血壓計4。 1.1.2 問題的提出隨著人口老齡化，人們生活水平的提高以及保健觀念日益增強，人們越來越注重自己和家人的健康。血壓是人體重要的生理參數(shù)，血壓的正常與否能判斷一個人身體是否健康。高血壓是

5、最常見的心血管疾病，嚴重影響人們的生活質量和健康。據(jù)有關統(tǒng)計資料顯示，目前我國的高血壓患者已達兩億，并且每年都以300萬以上的速度在增加5，高血壓患者的年齡層也逐漸年輕化，關于高血壓的預防和治療已成為我國一個熱門的話題。高血壓不僅是影響人們健康的慢性疾病，更是冠心病、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的禍首，所以血壓的測量對預防此類疾病起到至關重要的作用。對于全球特別是我國市場來說，血壓計的需求量是十分龐大的。中國是世界最大的電子血壓計的生產基地，也是國際最大的電子血壓計消費市場，但是市場上銷售的電子血壓計質量不一，消費者容易購入質量差的產品，而且我國很多醫(yī)院依然在使用水銀血壓計。水銀血壓計的測量

6、必須由專業(yè)的醫(yī)學人士進行，過程比較復雜，測量結果可能會因醫(yī)生的不同而不同，而且水銀壓力計的水銀具有劇毒性，對人體是有害的，使用過程要十分小心，所以研究出一款便攜、廉價、準確的壓力計，具有極大的市場潛力。1.1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電子血壓計的前身是水銀血壓計，但其操作過程復雜，且依賴聽診器和聽診者，所以從嚴格意義上來說，水銀血壓計的測量并不十分精確。而電子血壓計具有操作簡單、使用方便等特點，同時其功能更加完善、測量更加準確。無創(chuàng)傷監(jiān)護技術是未來醫(yī)學工程發(fā)展的重要方向，從應用角度而言隨著無創(chuàng)血壓測量裝置的測量精度提高和價格下降，醫(yī)院環(huán)保要求的進一步提高，水銀血壓計被無創(chuàng)血壓量設備所取代是

7、必然趨勢6?，F(xiàn)在，電子血壓計已經逐漸的從醫(yī)院走到了家庭，其國際市場十分龐大而穩(wěn)定，在一些歐美日等發(fā)達國家，家庭擁有率超過60%。目前電子血壓計的技術已經非常成熟，絕大部分產品都具有十分成熟的顯示數(shù)據(jù)、語音報告、數(shù)據(jù)異常報警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然A功能，在激烈的電子血壓計市場競爭中，很多生產商在擁有基本功能的基礎上對電子血壓計不斷改進測量精度和增加各種功能。歐姆龍（OMRON）新一代電子血壓計HEM-7320，該電子血壓計是歐姆龍公司2014年的產品，該電子血壓計除了具有基本的測量、語音提示等功能外，還可以判斷測量者的測量姿勢是否正確，當測量者佩戴袖帶過于緊實或寬松時，也會作出相應的提示這些功能都可以使

8、得測量結果更加精確?，F(xiàn)國內外測量血壓的技術較成熟，能準確實時地測量患者的血壓變化情況，大多電子血壓計是普通血壓計與電子分析控制終端相連，計算機會自動加壓并根據(jù)情況控制加減幅度。一些國際上知名公司生產的產品除了一般精確測量血壓的功能外，另外附加完善了許多例如血壓數(shù)據(jù)記憶、無線傳輸、語音播放等功能，可以滿足不同消費群體的需求。隨著科學技術的進步和移動醫(yī)療的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸及云計算等技術使得血壓的監(jiān)測也越來越方便，同時血壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄、傳輸、存儲、分析也將成為現(xiàn)實。未來血壓計將會和移動科技相結合，智能手機管理血壓，無線傳輸使得可以隨時隨地掌握家人健康；測量數(shù)據(jù)實時上傳云盤，并深度剖析血壓狀況

9、，做出專業(yè)分析報告?？傮w上說，微型化、智能化、電子化是電子血壓計未來的發(fā)展趨勢。1.1.4 研究的意義電子血壓計在臨床上應用廣泛，在診斷治療冠心病、高血壓等心血管疾病有著重要意義，是監(jiān)測生命信息的重要設備之一。疾病的預防已成為現(xiàn)代人的健康思維，實時監(jiān)測血壓變化對于預防、診斷高血壓等心血管疾病具有重要意義。由于技術和經濟的落后，以前我們檢查身體只能在醫(yī)院才可以實現(xiàn)，無法隨時進行生命信息監(jiān)測，身體某些變化不能及時發(fā)現(xiàn)。當血壓等生命信息發(fā)生異常時，不能及時預防腦出血等疾病猝發(fā)。現(xiàn)在電子血壓計作為家庭醫(yī)療保健重要產品，使得隨時監(jiān)測血壓的變化成為可能，在家中測量時如發(fā)現(xiàn)血壓異常便可及時去醫(yī)院治療。水銀血

10、壓計測量精度相對比電子血壓計低，而且其測量結果會因人的不同而不同。電子血壓計能分辨1mmHg的氣壓，水銀血壓計的最小單位為2mmHg。電子血壓計通過對人體血壓整個變化數(shù)值的進行采集和分析、處理，數(shù)據(jù)處理算法的運動使得測量標準保持一致，而且電子血壓計的操作簡單、測量精確、顯示清晰等優(yōu)點對于家庭老人血壓的測量具有重要意義。2 電子血壓計原理2.1 示波法測量原理示波法是90年代發(fā)展起來的一種比較先進的電子測量方法，示波法是檢測袖帶內由于血管壁的搏動產生的氣體震蕩波，判斷出血壓與震蕩波之間的關系，根據(jù)相應的函數(shù)關系從而計算出測量者血壓。加壓袖帶的放氣過程與動脈的波動有關，動脈搏動被采集系統(tǒng)采集并傳輸

11、到處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)根據(jù)一定的規(guī)律計算收縮壓和舒張壓。理論計算及臨床均表明，該震蕩波與動脈的收縮壓，舒張壓和平均壓之間均存在某種關系，示波法的關鍵就是找出它們之間的規(guī)律。示波法的測量過程：首先把袖帶綁在測量者手臂上，自動對袖帶充氣到一定壓力（一般為180230mmHg），當血壓流動停止，逐漸放氣，當氣壓達到一定程度，血流就能通過血管并伴隨一定的振波，振波逐漸越來越大。壓力傳感器可以檢測到壓力及脈搏波信號，并把兩路信號發(fā)送到處理系統(tǒng)。由于袖帶與手臂的接觸越松，壓力傳感器檢測的壓力和波動就越來越小7。如圖1所示,以Ps為標準，血流在袖帶內靜壓大于收縮壓Ps時不能流過血管，袖帶內出現(xiàn)細小的振蕩波，這

12、是因為近端脈搏的沖擊；當袖帶內靜壓小于收縮壓Ps時，波幅增大，氣壓等于平均動脈壓Pm時，波幅達到最大；靜壓小于平均動脈壓Pm時波幅逐漸減??；靜壓小于舒張壓Pd以后，動脈管壁在舒張期已充分擴張，管壁剛性增加，而波幅維持較小的水平8。放氣過程中連續(xù)記錄的振蕩波峰峰值形成一個包絡， 根據(jù)包絡圖與血壓的函數(shù)關系可以得出測量者的血壓。 圖 21袖帶壓力隨時間變化2.2 電子壓力計的工作原理單片機輸出脈沖波控制控制泵閥充氣放氣調整袖帶內壓力，壓力傳感器US9111采集到壓力信號，壓力信號經過放大以及濾波后產生兩個信號：壓力信號和脈搏波信號。經過儀表放大器放大的壓力信號，然后再經過二級濾波放大的是脈搏波信號

13、。經過放大的信號接入到單片機STM32F103RBT6，單片機用內置的AD轉換器把采集到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后通過串口傳送數(shù)據(jù)給上位機，上位機對信號做分析處理，經過程序運算后，測量結果在上位機顯示。本設計中，上位機對信號進行分析處理，下位機代碼實現(xiàn)泵、閥的控制。本章小結本章簡單介紹了本設計中電子血壓計的測量原理：示波法。示波法又稱振蕩法，基本原理思路是在袖帶放氣過程中，通過脈搏波的幅值關系找到對應壓力信號的那一點，那一點對應的壓力值就是需要測量的血壓值。本章也介紹了本設計的工作原理，描述了血壓測量過程和信號處理過程，對本設計有一個大體的認識。3 電子血壓計系統(tǒng)設計方案 3.1 系統(tǒng)設計

14、要求 3.1.1 功能要求 本課題是電子血壓計的設計與驗證，以單片機STM32為核心的電子血壓計的設計的功能要求是：（1）測量壓力；（2）計算脈率；（2）實現(xiàn)自動充氣、放氣；（3）在上位機顯示測量結果 。3.1.2 性能要求 電子血壓計的基本要求是準確、方便、功耗低，同時要求價格能比較便宜。本設計主要的性能要求是：（1）精度能達到±1%；（2）能在055的環(huán)境中穩(wěn)定工作；（3）測量的范圍是0240mmHg。在測量時操作簡單，傳感器靈敏度高，能準確采集到壓力信號且在單片機或上位機對信號作處理時不能出現(xiàn)太大誤差。3.2 系統(tǒng)設計方案 3.2.1 總體方案 本設計采用4個1.5V電池為外接

15、電源，以STM32LQFP64為核心，控制兩個三極管開關電路，以此控制泵閥的運動，達到自動充氣、放氣的目的。壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)經過放大濾波后，再接入單片機。本設計的血壓和脈率測量結果能在在電腦上顯示，上位機算法程序對數(shù)字信號作處理，下位機程序主要是泵閥的控制代碼。整體流程圖如下圖：圖 31基于單片機的電子血壓計整體流程圖 3.2.2 硬件設計方案 本課題的硬件設計主要分為五個模塊：電源電路模塊、血壓測量模塊、信號初步處理模塊、信號處理模塊、顯示模塊。整個設計的供電是4個1.5V的電池，而每塊芯片的工作電壓都不一樣，所以需要對電壓進行轉換，電源電路模塊是對外加的6V電池電源進行穩(wěn)壓轉換，提供整

16、個電路中需要的工作電壓。血壓測量模塊包括泵閥自動充氣放氣和傳感器測量血壓,用兩個三極管開關電路控制泵閥的運動；傳感器測量血壓時注意與袖帶的接觸，以免出現(xiàn)太大誤差。對壓力信號進行放大濾波和A/D轉換時信號的初步處理，因為壓力傳感器采集到的信號時很小，只有幾mV,必須通過放大才能輸入到單片機進行下一步處理。信號處理模塊以單片機為核心，用算法程序處理血壓信號，得出常規(guī)的數(shù)據(jù)。顯示模塊主要是液晶顯示，包括舒張壓顯示、收縮壓和平均壓顯示，需要用到LCD的驅動芯片和顯示芯片。硬件架構圖如下圖：圖 32電子血壓計硬件設計架構3.2.3 軟件總體設計架構 軟件部分包括袖帶壓力控制系統(tǒng)、壓力與脈搏信號采集系統(tǒng)和

17、信號分析處理系統(tǒng)。下位機程序控制氣泵充氣漏氣調整袖帶內氣壓；一路ADC采樣袖帶內氣壓直流分量以便取得收縮壓和舒張壓；一路ADC采樣袖帶內氣壓交流分量經分析計算后確定收縮壓和舒壓的瞬態(tài)時間位置得到具體血壓數(shù)值；接收血壓脈沖信號觸發(fā)ADC工作；將計算出的收縮壓和舒張壓結果輸出至LCD顯示并進行數(shù)值的語音提示9。本軟件系統(tǒng)采用模塊化設計，基本流程如下。圖 33 軟件設計架構圖本章小結 本章對本設計的要求和目標作出了簡單的敘述，并給出了相對應的設計方案，介紹了硬件主要的五個模塊，每個模塊實現(xiàn)不同的功能，共同組成設計的整個電路。畫出了血壓測量的流程圖和硬件設計的框架圖，框架圖較直觀地描繪了單片機的外圍電

18、路，更容易去理解硬件設計想法和方案。在后續(xù)章節(jié)中將會具體詳細地介紹硬件方面的電路設計。本章也概述了軟件的總體設計想法和架構，便于理解電路板作為實現(xiàn)軟件的平臺應該怎樣設計。4 硬件系統(tǒng)的設計4.1 傳感器簡介以及電路設計4.1.1 壓力傳感器簡介 本設計選用的壓力傳感器US9111采用MEMS技術集成的硅壓力芯片，封裝成DIP-6雙列直插的微型架構，具有低功耗、高輸出的特點，可用恒流源或恒壓源驅動，測量的壓力范圍較大，有效的壓力測量范圍為1psi至60psi。US9111用途廣泛，可適用于輪胎氣壓、血壓測量、工業(yè)壓力測量等領域。在恒壓源或者恒流源的激勵下，傳感器輸出與所受壓力成線性比例的毫伏級電

19、壓信號；然后通過外部電路對該信號進行處理放大，以達到最佳效果便于應用。(1) US9111-006-D主要特性說明如下表：表 41 US9111-006-D特性描述工作環(huán)境溫度-40125工作電壓5.0V工作電流1.0mA線性誤差±0.1%驅動電流1.5mA輸出信號0100mV滯后性±0.1% 根據(jù)其他的傳感器特性比較，最終確定選擇US9111-006-D主要是因為其價格較便宜、損耗低且該系列壓力傳感器是專為電子醫(yī)療器械（電子血壓計）開發(fā)的一款氣體壓力傳感器，標稱壓力為5.8PSI(300mmHg)，滿足本設計要求的0240mmHg的壓力測量范圍。(2)US9111-006

20、-D外部結構：圖 41 US9111-006-D外部結構  未經補償?shù)母呔葔毫π酒庋b在塑膠殼體內，通過6個插腳直插裝配在電路板上，其氣嘴外徑3mm。該型號產品兼容的壓力介質為無腐蝕性的干燥氣體。4.1.2 壓力傳感器電路設計 US9111的外圍引腳有6個，其中第3引腳NC懸空，第1引腳GND和第6引腳GNE都接地；US9111-006-D的工作電壓時5V，由VCC腳接入+5V電壓。第2引腳和第5引腳作為傳感器的數(shù)據(jù)輸出端，S+、S-腳將測量到的電壓信號作為輸入端接入放大電路中。如下圖： 圖 42傳感器電路設計圖4.2 STM32F103RBT6單片機的簡介及電路設計 4.2.1

21、STM32F103RBT6單片機簡介本設計采用的控制器是STM32F103RBT6單片機，STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，與所有的ARM工具和軟件兼容，其閃存程序儲存器高達128字節(jié)和SARM達到20字節(jié)，完全可以滿足本設計所需內存；STM32F103RBT6內嵌兩個12位模擬/數(shù)字轉換器(ADC）和嵌套向量式中斷控制器，能夠處理多達43個可屏蔽中斷通道；STM32F103RBT6中的電壓調壓器包含三個操作模式：主模式（MR）、低功耗模式（LPR）、關斷模式，能夠實現(xiàn)低損耗、高速運行的性能；同時單片機豐富的增強型外設支持定時器、ADC、S

22、PI、I2C和USART，標準和先進的通信接口使得可以進行多種數(shù)據(jù)傳輸10。STM32LQFP64的工作頻率是72MHz，STM32F101xx增強系列工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓范圍為2.0V至3.6V。STM32LQFP64的每一個管腳都有其名稱和主要的功能或默認的其他功能，其管腳圖如圖：圖 43 STM32LQFP64的管腳圖 4.2.2 主要性能參數(shù) 1）72MHz，高達90DMips，1.25DMips/MHz 2）128K字節(jié)閃存程序存儲器 ，20K字節(jié)SRAM 3）2.03.6伏供電和I/O管腳 4）上電 / 斷電復位(POR / PDR

23、)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD) 、掉電監(jiān)測器 5）復位時內部8MHz的RC振蕩器，外部32kHz RTC振蕩器 6）3種省電模式：睡眠、停機和待機模式 調試模式 ；串行線調試(SWD)和JTAG調試接口 7）7通道DMA控制器 8）3個同步16位定時器，2個看門狗定時器4.2.3 單片機外圍電路設計 單片機外圍電路主要包括復位電路和時鐘電路，總體電路設計圖如圖：圖 44單片機總體外圍電路設計圖 4.2.3.1 STM32的復位電路 圖 45 STM32的復位電路設計 如圖所示，從單片機的第7引腳引出10K的電阻和0.1uF的電路相連，形成復位電路。NRST 是低電平有效，上電復位時,芯片需要足

24、夠的時間進行初始化操作，在這段時間內單片機NRST引腳必須輸出一個低電平。電壓的電容不會突變，復位電路正是利用這一特性設計的。開機后電容C16電壓為零，NRST端與地連通，芯片復位。然后電源3.3V通過 R22 對C16 充電，電容兩端電壓上升為高電平，NRST端與地接通。NRST端與地接通時，芯片開始正常工作，上電復位完成。此電路還可以通過按鍵完成復位：當按鍵BUTTON按下時，復位引腳接地，電平拉低，電容C16瞬間放電，按鍵彈起時，又通過R22向電容C16充電，完成按鍵復位。圖 46 STM32的時鐘電路設計 STM32內置的時鐘（8M頻率）精度較差，所以使用外部晶振。如圖所示，單片機的第

25、5引腳和第6引腳連接一個8MHz 的晶振及兩個18pF 電容電路，組成高速外部時鐘電路。C14、C15和晶振稱為 LC 并聯(lián)諧振電路，晶振起電感的作用，諧振頻率由晶振的頻率所決定，外部振蕩器和單片機內部的時鐘電路一起構成了單片機的內部時鐘方式，單片機內部有一個高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是這個放大器的輸入端和輸出端，片外石英晶體和放大器一起構成一個自激振蕩器；外接電容 C14和 C15 會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，它還可以對振蕩頻率起微調作用11。4.3 電源電路設計4.3.1 電源芯片簡介表 42 本設計中給元器件提供的工作電壓傳感器US9111 5V單片

26、機STM323.3V電平轉換MAX232A5VLCD驅動HT1261B3V泵6V閥6V 本課題中以4個1.5V電池作為電壓輸入，因為6V裝5V的穩(wěn)壓芯片很難找，所以電源電路中先用升壓穩(wěn)壓芯片LM2731把6V轉為9V，再用AMS1117-ADJ芯片轉到6V，提供6V的電壓給泵閥驅動，因為泵閥驅動電流較大，達到400mA，而MIC5205芯片的輸出電流只有150mA,所以沒有選用MIC5205-ADJ。3.3V和5V的電壓轉換芯片用的都是MIC5205系列芯片，提供給LCD驅動芯片的工作電壓3V由AMS1117-3V轉換。（1）LM2731 TI公司的LM2731芯片是常見的升壓芯片，分為“X”

27、類型和“Y”類型，本設計使用的是LM2731“X”。表 43 LM2731特性表輸出電壓1.23V22V輸入電壓 2.7V14V開關頻率 1.6MHz輸出電流 1.8A工作溫度-40°C 125°CLM2731的外圍電路圖：圖 47 LM2731穩(wěn)壓電路設計 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，Cf=330Pf，Vout與點阻R2、R3的關系為：R3=R2*(Vout/1.23-1)，確定R2=13.3K，根據(jù)公式和Vout=9V可計算出R3=84K。 (2)AMS1117 AMS1117系列穩(wěn)壓芯片的輸出電壓有可調和多種固定輸出，能夠提供1A輸出電流，其工作壓差可以達到1V。即使是在最大輸

28、出電流時，AMS1117器件的壓差最大不超過1.3V并隨負載電流的減小而逐漸降低。 AMS1117的片上微調把基準電壓調整到1.5%的誤差以內，而且電流限制也得到了調整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117的固定輸出電壓有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V ，可調輸出電壓的電路圖如下：圖 48 AMS1117-ADJ穩(wěn)壓電路設計 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，可調輸出電壓與電阻R4、R5的關系式為：Vout=Vref*(1+R5/R4)+Iadj*R5，其中Vref =1.25V。（3）MIC5205 MIC5205一種具有超低噪聲輸出的降壓穩(wěn)壓

29、器，輸出電流較小，只有150mA，提供了優(yōu)于1%的初始精度。MIC5205系列芯片輸出電壓分為固定和可調類型，本設計中用到的是固定輸出3.3V和5V的芯片。 4.3.2 電源轉換電路設計 在設計電源電路時都在每一次轉換電壓輸出加一個插槽，防止調試電源電路的時候燒壞其他電源芯片?？傮w電源轉換電路設計如下圖：圖 49總體電源轉換電路設計4.4 液晶顯示模塊電路設計 4.4.1 液晶顯示芯片ZS83376D簡介 液晶屏ZS83376D是深圳微顯示科技有限公司生產的專門用于電子血壓計的產品，其工作電壓為3.0V，可在-20+70的溫度環(huán)境中工作。ZS83376D的顯示效果圖如下：圖 410 ZS833

30、76D顯示效果圖4.4.2 液晶顯示驅動芯片HT1621B的簡介及電路設計 4.4.2.1 HT1621B簡介HT1621B是128 點內存映象和多功能的LCD驅動器,他可由軟件配置成1/2或 1/3的LCD驅動器偏壓和2、3或4個公共端口，這一特性使得HT1621B可以適用于多種LCD顯示12。HT1621B的主要特性如下:* 工作電壓范圍：2.45.2V（本設計采用3V供電）* 一個32 X 4的點段式LCD驅動器* 內嵌32 X 4為顯示RAM內存* 內嵌256KHz RC 振蕩器* 可選1/2或1/3偏壓和1/2 1/3 或1/4 的占空比* 節(jié)電命令可減少功耗4.4.2.2 HT16

31、21B 電路設計表 44 LCD驅動器HT1621B的引腳描述管腳號管腳名稱功能描述9/CS片選輸入，當/CS為高電平時讀寫數(shù)據(jù)和命令無效，當為低電平時讀寫數(shù)據(jù)和命令有效10/RDI/O口，READ脈沖輸入11/WRI/O口，WRITE脈沖輸入12DATAI/O口13VSS負電源，接地16VLCDLCD電源輸入17VDD正電源2124COM0COM3LCD公共輸出口2537SEG31SEG25、SEG19SEG8LCD段輸出口 /RD低電平有效，在/RD下降沿HT1621B內存的數(shù)據(jù)被讀到DATA線上，本設計中/RD接口與3V點壓相連，讓/RD一直處于無效狀態(tài)，第9、11、12引腳分別和STM

32、32F103RBT6的36、41、44引腳相連。選用片內RC振蕩器（256KHz)、晶振（32.768KHz)產生時鐘源。顯示模塊的電路設計如下圖14：圖 411顯示模塊電路設計圖4.5 放大電路設計4.5.1 儀表放大器電路原理 儀表放大電路主要由兩級差分放大器電路構成，由三個運算放大器所組成，如下圖15，運放A1，A2為同相差分輸入方式，最右邊的放大器A3中電阻Rf和 R3是標準差分放大器電路，增益 = Rf/R3，當R1=R2時，差分輸入電阻=2*R1；左邊兩個放大器A1和A2則起到輸入緩沖作用；當Rg被移除時，兩個緩沖級只是單位增益緩沖器；在這個狀態(tài)之下，增益等于 Rf/R3，而緩沖級

33、提供高輸入阻抗；緩沖器的增益可以增加因為放在負輸入和接地之間的電流所產生的分流的負反饋；而在兩個反向輸入放入一顆電阻Rg的優(yōu)點在于：增加緩沖級的差模增益，而使共模增益等于1；如果單獨存在時有同樣的增益時，將會增加電路的共模互斥比（CMRR），會使得緩沖器可以處理更大的共模信號；Rg的另一個好處是，只用一顆電阻來提更增益，而不是一對，可以避免電阻匹配問題，而增益可以透過只改變Rg的值，而改變放大器的增益不需要改變其他的電阻匹配13。 圖 412儀表放大電路原理圖 上圖的儀表放大器的輸出與輸入的關系為：Vo=(同向輸入端Vin-反相輸入端Vin)*(1+2R1/Rg)*Rf/R3,其中R1=R2，

34、R3=R4，Rf=R54.5.2 壓力放大電路設計 本設計的信號放大通過運算放大器TLC2264實現(xiàn)，TLC2264一款四路運算放大器，每個放大器的電源電流只有200A。如下圖16，傳感器US9111的輸出模擬信號非常微弱， 通過一個儀表放大器（三運放差分放大電路）進行放大，根據(jù)上述的儀表放大器公式可得此電路中壓力放大倍數(shù)計算公式為:A=（1+2*R6/R7)*(R/R9)，其中R=R11*R12/(R11+R12)。把相關參數(shù)代入公式計算的放大倍數(shù)A1=6.4。 電路中增加了電壓跟隨電路，當傳感器不工作時，把運算放大電路輸出的電壓作為為基準電壓，這個基準電壓理論值為0.455V，實際測得的值

35、為0.476V，在合理誤差范圍內。因為采集到的信號有噪聲，要對其進行濾波。本設計中采用的是RC濾波器進行低通濾波，其截止頻率為3.1Hz。圖 413 壓力放大電路4.5.3 脈搏波放大電路設計 如下圖17，傳感器采集到的信號經過儀表放大器第一級放大后得到壓力信號，在儀表放大電路輸出端加一個反相放大器對信號進行二次放大，得到脈搏波信號。由上述信息已知儀表放大電路的放大倍數(shù)為A1=64，而反相運算放大的放大倍數(shù)A2=-R18/R17，代入相關參數(shù)得出A2=-30，即脈搏波的放大倍數(shù)達-192倍。本電路設計中的跟隨電壓值也是0.455V，測得的實際值是0.449V，在合理誤差范圍內。圖 414脈搏波

36、放大電路原理圖4.6 其他電路設計4.6.1 JTAG仿真下載電路 JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)內部進行仿真、調試，JTAG是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port,測試訪問口）。JTAG編程板一端與PC的并口相連，另一端連接至目標板，由于本設計選用的單片機工作電壓為3.3V，而PC機并口輸出的邏輯電平是5V，因此需要進行電平轉換。 JTAG接口電路設計圖如圖：圖 415 JTAG接口電路設計圖 JTRST、JTDI、JTMS、JTCK和JTDO端分別與單片機的56、50、46、49和55引腳相連，并且都各加

37、一個阻值是4.7K的上拉電阻，實現(xiàn)下位機通信功能。4.6.2 泵閥控制電路圖 416 泵閥控制電路設計 如圖，用兩個三極管開關控制泵、閥的驅動，輸入端PUMP、VALVE控制開關電路的開啟和關閉，當PUMP、VALVE輸入低電平時，基極沒有電流，因此集電極也沒有電流，致使連接在集電極端的二極管U15亦沒有電流，相當于開關的開啟，泵、閥沒有電流通過。同理，當PUMP、VALVE輸入高電平時，由于基極有電流流動，使集電極流過更大的電流，負載回路便被導通，相當于開關的閉合。VALVE與接入單片機的23引腳PA7，可進行PWM輸入，通過PWM（ Pulse Width Modulation 脈寬調變）

38、改變占空比方式控制放氣速率本章小結 本章介紹了元器件的選型，具體介紹了設計中所用的重要的元器件的性能、參數(shù)等信息，這些都是在選型是考慮的因素。也給出了各個電路設計圖，并對其進行解釋，尤其是放大濾波電路部分，是整個電路的精華部分，信號的放大倍數(shù)對電路的測試和數(shù)據(jù)的處理有重要作用。5 系統(tǒng)驗證5.1 硬件調試與測試表 51 硬件調試結果理論值實際值電源電壓6V6.003VLM2731升壓電壓9V9.048VAMS1117-ADJ穩(wěn)壓電壓6V6.017VMIC5205-5V穩(wěn)壓電壓5V4.980VAMS1117-3穩(wěn)壓電壓3V2.983VREF3120-2.048V穩(wěn)壓電壓2.048V2.047VM

39、IC5205-3.3V穩(wěn)壓電壓3.3V3.287V分析：因為在焊接電路板時，一些電阻阻值和理論值存在誤差，故穩(wěn)壓芯片輸出電壓存在誤差是合理的，由表可得，各誤差都在合理的范圍內。5.2 壓力與脈搏的計算驗證首先，將壓力傳感器US9111與標準水銀壓力計組合起來，使水銀壓力計和傳感器在相同的氣壓下工作，以一定的數(shù)值間隔加壓，再用萬用表讀出壓力放大之后的信號輸出電壓，從而得到電壓與氣壓的轉換關系：Pressure = Volt*k + b。然后，執(zhí)行下面步驟：第一，通過標準壓力計讀出氣壓值。第二，在電路板上測量電壓值。第三，將電壓值與電子壓力計讀出的氣壓值進行對比。最后，制出電壓壓力關系表，并在Excel中進行圖表制作和線性擬合，得出電壓與氣壓的轉換關系。表 52實驗過程中一共測得四組壓力與電壓關系數(shù)據(jù)mmHgV1V2V3V4V-ave00.4770.4750.4730.4780.476200.5110.5120.5150.51