基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)_圖文

1、基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)摘 要單片機(jī)以其卓越的性能,得到廣泛的應(yīng)用,以深入到各個(gè)領(lǐng)域,已經(jīng)成為一種比 較成熟的技術(shù),在醫(yī)學(xué)方面更是得到了較好的應(yīng)用。血壓是極為重要的健康指標(biāo),血 壓測量的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到人們的健康。現(xiàn)代人患心血管疾病呈低齡化趨勢,所以 隨時(shí)關(guān)注我們的血壓狀況對我們百利無害。本論文討論了以 AT89C51單片機(jī)為核心的電子血壓計(jì)測量原理。氣泵給氣囊充氣 后通過感器傳的電壓經(jīng)放大、濾波得到脈搏信號(hào),計(jì)算出收縮壓、舒張壓和脈搏。重 點(diǎn)介紹了單片機(jī)及濾波電路的設(shè)計(jì)。首先依據(jù)示波法和脈搏波理論設(shè)計(jì)了血壓測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。該方案硬件 電路以 AT89C51單片機(jī)為核心,包括信號(hào)采

2、集處理電路, A/D轉(zhuǎn)換電路,控制按鈕電 路和顯示電路等幾大部分。本文對以上幾個(gè)部分的軟硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的闡述,介紹 了核心芯片的選型,外圍電路的連接,芯片與芯片之間的連接電路,程序設(shè)計(jì)方法和 相應(yīng)的軟件程序。討論說明了各部分電路點(diǎn)的工作原理,以及其軟硬件的具體設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 :單片機(jī);血壓 ; 血壓計(jì);示波法;脈搏波The design of portable blood pressure monitor AbstractSingle chip with its superior performance, are widely used to drill in various fields h

3、as become a mature technology, in medicine all the more yes get a better application. Blood pressure is extremely important health indicators; blood pressure measurement accuracy is directly related to people's health. Modern cardiovascular disease trends showed younger age, so keep an eye on ou

4、r blood pressure Bailey us harmless.This paper studies in blood pressure measurement method and wave method, on the basis of pulse wave theory, discusses with AT89C51 measuring principle of electronic device. After the air to air pump, the voltage sensor through enlargement, filtering, calculate the

5、 pulse signal obtained systolic pressure, diastolic pressure and pulse. Mainly introduces the design and the entire circuit chip.First of all, and the pulse wave based on oscillometric blood pressure measurement system design theory design project. The program hardware with AT89C51 microcontroller a

6、s the core, including signal acquisition and processing circuit, A / D converter circuit, memory expansion circuits, LCD circuits, Automatic Filling and Releasing circuit, most of the keyboard circuit a few. In this paper, several parts of the above detailed description of hardware and software desi

7、gn, introduced the selection of core chips, the external circuit connection, the connection between the chip and the chip circuit, program design methods and corresponding software program. Discussion illustrates the point of all parts of the circuit works, and the specific design of its hardware an

8、d software.Keywords: Single-chip ; blood pressure; Sphygmomanometer ; Oscillometric method; pulse waveform目 錄摘要 . I Abstract . .II 1 緒論 . . 1 1.1 背景 . 1 1.2 血壓測量方法 . 11.3 血壓計(jì)測量現(xiàn)狀 . 22.2 設(shè)計(jì)的總體思路 . 4基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)1 緒論1.1背景隨著人們生活水平的不斷提高,心血管疾病特別是高血壓、動(dòng)脈硬化疾病的發(fā)病 率和死亡率較 30年前有了明顯提高,據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界死亡人數(shù)中,約有三分之一死于此 類疾病,很

9、多病人由于沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而死于非命。因此,對人體的血 壓準(zhǔn)確地測量,及時(shí)的預(yù)防和治療心血管疾病,具有非常重要的意義。動(dòng)脈血壓一般也簡稱血壓, 表示血液在動(dòng)脈血管內(nèi)流動(dòng)時(shí)對血管壁所施加的壓力。 動(dòng)脈血壓在循環(huán)系統(tǒng)中占有重要地位,它能促使血液克服阻力,向前流動(dòng)。血壓過低, 則不能維持血液有效循環(huán),以保證供應(yīng)各器官組織的需要,特別是位置比心臟高的頭 部組織,如腦組織等,它們得不到足夠的血液供應(yīng)就要影響其正?；顒?dòng)。血壓過高則 增加心臟和血管的負(fù)荷,心臟必須加強(qiáng)收縮才能完成射血任務(wù),嚴(yán)重時(shí)可引起心室擴(kuò) 大,心輸出量減少,使循環(huán)功能發(fā)生障礙,血壓過高還可導(dǎo)致血管破裂,嚴(yán)重時(shí)要影 響生命。因此動(dòng)

10、脈血壓不能過低也不能過高,維持一定相對穩(wěn)定的水平,才能維持人 體組織的正常功能。本課題是對電子血壓計(jì)的研究,讓人們隨時(shí)可以在家里測量自己的血壓,隨時(shí)關(guān) 注自己的血壓情況,及早發(fā)現(xiàn)問題,能及時(shí)的去醫(yī)院就診,所以,及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握 自己血壓高、低壓變化的情況,適時(shí)治療和采取有效措施具有十一分積極的意義。 1.2血壓測量方法血壓測量技術(shù)可以分為直接法和間接法兩種。直接法血壓測量是將一根導(dǎo)管插入 欲測部位的血管或心臟內(nèi),通過導(dǎo)管內(nèi)的液柱同放在體外的應(yīng)變式傳感器、線性可變 電感式差動(dòng)變壓器、電容式傳感器等相連,從而測出導(dǎo)管端部的壓力。另一種形式是 把傳感器放在導(dǎo)管的末端,直接測出端部所在點(diǎn)的血壓值。這種

11、方法的優(yōu)點(diǎn)是測量準(zhǔn) 確,并能進(jìn)行連續(xù)測量。但它必須經(jīng)皮膚將導(dǎo)管插入血管內(nèi),所以是一種創(chuàng)傷性的方 法。間接法是利用脈管內(nèi)壓力與血液阻斷開通時(shí)刻所出現(xiàn)的血流變化間的關(guān)系,從體 表測出相應(yīng)的壓力值。由于這種方法不需要剖切的外科手術(shù),同時(shí)測量簡便,所以在 臨床上得到廣泛的應(yīng)用,只是測量精度較低,難以準(zhǔn)確測定心臟、靜脈系統(tǒng)的壓力。 間接式血壓測量的方法很多, 其中最主要的一種方法是利用袖帶充氣加壓阻斷動(dòng)脈后, 隨后緩慢放氣,在袖帶下或動(dòng)脈的遠(yuǎn)端檢測脈搏的變化或血流的變化作為收縮壓和舒 張壓的判據(jù);也可把袖帶內(nèi)壓力波動(dòng)的形式作為判據(jù)。間接法包括柯氏音法、示波法、 超聲法、雙袖帶法、恒定袖帶壓力法、脈搏延時(shí)

12、法等多種方法。在這些方法的基礎(chǔ)上, 人們開發(fā)了很多自動(dòng)及半自動(dòng)的血壓間接測量系統(tǒng),即各種類型的數(shù)字血壓計(jì)。 本次設(shè)計(jì)利用示波法原理來設(shè)計(jì)一種血壓計(jì)對血壓測量, 該血壓計(jì)能夠?qū)ζ骄鶋? 收縮壓,舒張壓測量,分別對這三種血壓計(jì)進(jìn)行顯示。論文主要包括研究包括:對示 波法原理的學(xué)習(xí)與研究;設(shè)計(jì)濾波電路對從壓力傳感器輸出的袖帶壓力信號(hào)、脈搏波 信號(hào)的獲取;設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換電路對模擬信號(hào)數(shù)字化處理;設(shè)計(jì)液晶顯示電路對其三種 血壓的顯示;以及自動(dòng)充放氣電路和鍵盤電路。研究學(xué)習(xí)血壓算法,編寫血壓判定程 序?qū)ζ骄鶋?、收縮壓、舒張壓的計(jì)算。1.3血壓計(jì)測量現(xiàn)狀以往測量血壓都使用氣壓式血壓計(jì),這種血壓計(jì)除醫(yī)生外一般

13、人不容易掌握,且 自己為自己測量多有不便 。 現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使這一測量儀器也進(jìn)人了電子時(shí) 代 電子血壓計(jì)。早期的電子血壓計(jì)有在電子手表的功能上再附加測量血壓功能, 操作比較繁瑣。電子血壓計(jì)是利用現(xiàn)代電子技術(shù)與血壓間接測量原理進(jìn)行血壓測量的 醫(yī)療設(shè)備。電子式血壓計(jì),其優(yōu)點(diǎn)為:使用簡易,可一人獨(dú)自操作;測量值便于記錄, 體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計(jì)具備了諸多優(yōu)點(diǎn),越來越受到普通家庭的歡迎,已 經(jīng)成為家庭自測血壓的主要工具,它也越來越多地被用于醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu) 1。2 血壓計(jì)設(shè)計(jì)原理2.1 示波法測量血壓原理在硬件電路設(shè)計(jì)之前,必須知道本系統(tǒng)的軟件算法分析是基于什么理論的,也就 是說必須知道

14、系統(tǒng)所需要提取的是什么信號(hào)。因此,本章首先對本系統(tǒng)血壓所基于的 示波法理論做一個(gè)說明。示波法(Oscillometric method ,也稱為振動(dòng)法或測振法。示波法是 70年代發(fā)展 起來的新方法。 此法也需要用袖帶阻斷動(dòng)脈血流, 但在放氣過程中, 不是檢測柯氏音, 而是檢測袖帶內(nèi)氣體的振蕩波。這些振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng),理論計(jì)算和實(shí)踐均 證明此振蕩波與動(dòng)脈收縮壓、平均壓及舒張壓有一定函數(shù)關(guān)系。示波法血壓測量中采用充氣袖帶來阻斷動(dòng)脈血流,當(dāng)動(dòng)脈血流被阻斷時(shí),由于近 端血液的脈動(dòng),在袖帶內(nèi)可以檢測出動(dòng)脈血流產(chǎn)生的氣壓振動(dòng)波。首先,將袖帶充氣 到高于收縮壓 20mmHg 左右, 然后使袖帶緩慢放

15、氣。 當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于收縮壓 (PS 時(shí), 振動(dòng)波幅度增大,隨著袖帶內(nèi)壓力不斷降低,振動(dòng)波幅度不斷增大。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等 于平均壓 (PM時(shí),動(dòng)脈管壁處于去負(fù)荷狀態(tài),振動(dòng)波幅度達(dá)到最大。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力小 于平均壓時(shí)振動(dòng)波幅值逐漸減小,袖帶內(nèi)壓力小于舒張壓 (PD以后,動(dòng)脈管壁在舒張 期已充分?jǐn)U張,管壁剛性增加,而振動(dòng)波維持在較小的水平。示波法是根據(jù)不同袖帶 壓力下的脈搏波幅度變化特征 (如圖 2-1所示 , 來識(shí)別動(dòng)脈收縮壓、 平均壓、 舒張壓等。 在袖帶放氣過程中袖帶內(nèi)的變化曲線如圖 2-1所示。圖 2-1 示波法測量血壓原理示意圖 為了詳細(xì)研究降壓曲線, 讓信號(hào)通過二個(gè)不同頻帶的模擬通道, 分

16、別得到圖 2-2(b和圖 2-2(c的曲線。 其中, 圖 2-2(b濾除了圖 2-2(a降壓曲線的直流成份, 并放大了 交流成份,得到了脈動(dòng)波,便于研究變化。圖 2-2(c濾除了圖 2-2(a交流成份,反映 出了靜壓的變化規(guī)律 2。圖 2-2 袖帶放氣過程中袖帶內(nèi)的變化曲線根據(jù)示波法得到的袖帶壓力信號(hào)圖 2-2(c和動(dòng)脈壓力波圖 2-2(b結(jié)合算法可以求 出血壓。2.2 設(shè)計(jì)的總體思路本論文討論的是基于單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì),是以單片機(jī)為核心的電子控制系 統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。根據(jù)示波法為前提來測量血壓,而示波法需要對袖帶進(jìn)行充放氣 來獲取壓力信號(hào)和脈搏波,所以必須用單片機(jī)來控制充氣與放氣。要使單

17、片機(jī)與血壓 產(chǎn)生聯(lián)系就必須要使用傳感器,自然地就會(huì)用到壓力傳感器。通過壓力傳感器傳送得 到的電信號(hào)還不能被單片機(jī)分析應(yīng)用,這就需要對電信號(hào)的處理與轉(zhuǎn)換。電信號(hào)通過 放大電路和濾波電路處理后,在經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)分析計(jì)算得出 結(jié)果存儲(chǔ),從而通過顯示電路顯示出來。根據(jù)示波法測量的原理以及血壓計(jì)的智能化 要求,血壓計(jì)總體框圖如圖 2-3所示。測量中將袖帶套在人體上臂,靠肘關(guān)節(jié)一側(cè),由單片機(jī)控制氣泵向袖帶充氣,同 時(shí)通過壓力傳感器采集壓力信號(hào)并設(shè)定充氣的最大值,當(dāng)袖帶壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)停止充 氣。此時(shí),肱動(dòng)脈血管受壓迫停止脈動(dòng),然后通過單片機(jī)控制放氣閥進(jìn)行緩慢放氣, 使袖帶壓力逐步減小

18、,當(dāng)袖帶壓下降到肱動(dòng)脈收縮壓以下時(shí),肱動(dòng)脈開始搏動(dòng),并隨著袖帶壓的下降不斷加強(qiáng)。袖帶壓力和肱動(dòng)脈上的脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓 信號(hào),對此電壓信號(hào)進(jìn)行放大與兩路濾波處理,可以得到幅值適當(dāng)?shù)囊宦沸鋷盒盘?hào) 和一路脈搏波信號(hào),將其經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理, 計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行顯示 3。 圖 2-3 血壓計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖3濾波電路設(shè)計(jì)3.1傳感器常用的傳感器有光電傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲傳感器、霍爾傳感 器。本論文討論對血壓的測量選用的壓力傳感器。通常所說的壓力傳感器也包括壓強(qiáng)傳感器,主要用于測量接觸力,廣泛應(yīng)用于各 種工業(yè)自控環(huán)境。壓阻式壓力傳感器是應(yīng)

19、用最為廣泛的壓力傳感器,它具有精度高、 測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低以其較好的線性和頻率響應(yīng)等特點(diǎn)。壓電壓力傳感器是利用石英、 鈦酸鋇和酒石酸鉀鈉等壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。 壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量,因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷,只有在回路具有無限大 的輸入阻抗時(shí)才的保存。但實(shí)際情況并非如此,所以這決定了壓電傳感器只能夠測量 動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。系統(tǒng)中需要用壓力傳感器模塊將袖帶內(nèi)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。示波法測 量血壓對壓力傳感器的要求主要是線性度和方差。線性度高使得壓力 -電信號(hào)轉(zhuǎn)換公式 簡單,節(jié)約軟硬件設(shè)計(jì) ; 方差小則濾波后脈動(dòng)壓力信號(hào)噪聲小。本次設(shè)計(jì)采用 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的 MP

20、X5050GP 壓阻式壓力傳感器,該傳感 器是被廣泛應(yīng)用的先進(jìn)的單片硅片壓力傳感器,尤其是對于那些采用與 A/D輸入的微 控制器或微處理器。此傳感器結(jié)合了先進(jìn)的微加工技術(shù),薄膜金屬化和雙極處理,提 供了一個(gè)正比于施加壓力的準(zhǔn)確的高層次模擬輸出信號(hào)。其運(yùn)行特性如下:壓力范圍:050Kpa(血壓的測量范圍通常為 0300mmHg(0-50KPa電源電壓:4.75Vdc5.25Vdc;一般采用 5Vdc 供電。電源電流:7mAdc響應(yīng)時(shí)間:1ms準(zhǔn)確性:2.5 %V工作溫度:085該傳感器不僅線性度好,而且還具有精度高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),這就保證了提取的脈搏波信號(hào)失真小, 提高了后面血壓

21、的可靠性 4。 傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù) 如下所示:V OUT =VS *(0.018*P+0.04 (3-1 其中,V S 為傳感器供電電壓,單位為 VP 為所需轉(zhuǎn)換的壓力信號(hào),單位為 kPaV OUT 為轉(zhuǎn)換后輸出的電壓幅值,單位為 V根據(jù)傳遞函數(shù)壓力輸入與輸出信號(hào)如圖 3-1所示。圖 3-1 壓力輸入 (Kpa與輸出信號(hào)幅值 (V3.2 濾波器設(shè)計(jì)從壓力傳感器輸出的信號(hào)不僅包含了袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào),而且也包含了大 量的噪聲。模擬信號(hào)處理電路的任務(wù)就是從噪聲中提取袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào),并 將它們調(diào)整到適當(dāng)?shù)碾娖捷敵鼋o A/D轉(zhuǎn)換電路 , 其電路結(jié)構(gòu)如圖 3-2所示。圖 3-2 模擬信號(hào)處理電

22、路結(jié)構(gòu)框圖 濾波器是一種頻域變換電路。它能讓制定頻段的信號(hào)順利通過,甚至還能放大, 而對非自定的信號(hào)予以衰減。僅采用 R 、 L 、 C 元件組成的濾波器稱無源濾波器,含有 晶體管或運(yùn)算放大器的稱為有源濾波器,本設(shè)計(jì)采用的是有源濾波器。濾波器按照其頻域特性可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種,上述各種濾 波器的理想特性如圖 3-3所示。 圖 3-3 濾波電路的理想特性低通濾波器主要用于使低頻或直流信號(hào)通過,削弱高次諧波或較高頻率的干擾和 噪聲。高通濾波器主要用于有效頻率較高,而又必須消除低頻、甚至直流信號(hào)的影響 的場合。 RC 耦合電路,就有效地隔離了零漂等慢變化和兩級(jí)的直流信號(hào)。帶通濾波器

23、 主要用于遴選出有用頻段的信號(hào),而削弱其他非有用頻段的信號(hào)或干擾和噪聲。帶阻 濾波器主要是摒除某指定頻段的信號(hào),而允許非指定頻段所有的信號(hào)通過 5。按通帶截止頻率 f 0附近頻域相頻特性的不同,濾波電路可分為:巴特沃斯 (Butterworth 、貝塞爾 (Bessel 和切比雪夫 (Chebyshev三大類。巴特沃思濾波器幅頻特性單調(diào)下降;切比雪夫?yàn)V波器在通帶或者在阻帶頻率有波 動(dòng);貝塞爾濾波器通帶內(nèi)有較好的線性相位曲線 5。一階有源低通濾波器如圖 3-4所示,其主要技術(shù)參數(shù)如下:(1 傳遞函數(shù)濾波器的電路特性可以由其傳遞函數(shù) H(s來表征:H(s=X 0/X i (3-2 對于圖 3-4所

24、示的簡單一階有源低通濾波器而言,其傳遞函數(shù)H(s=V 0(s/V i(s=1*A vp/(1+SCR (3-3 H(s表現(xiàn)為增益的形式,也可以表示為 A v(s。 圖 3-4 一階有源低通濾波器(2通帶電壓放大系數(shù) Avp對于低通濾波器而言, Avp 就是 f=0是,輸出電壓與輸入電壓之比,即Avp=1+R2/R1 (3-4 (3通帶截止頻率 fp對于圖 3-4的電路而言, 通帶截止頻率指的是濾波器輸出電壓下降到 Avp 對應(yīng)輸 出電壓的 0.7倍時(shí)的頻率,有時(shí)又稱為 -3dB 頻率。fp=f0=1/2兀 RC (3-5 上式中, f 0稱為特征頻率 6。在放氣過程中,袖帶壓力緩慢變化的,因此

25、,袖帶壓信號(hào)是一種低頻信號(hào)。本系 統(tǒng)采用二階壓控電壓源低通濾波器來獲取袖帶壓力信號(hào)。常有的有源二階濾波器電路有壓控電壓源二階濾波電路,典型的壓控電壓源二階 濾波器如圖 3-5所示,和無限增益多路負(fù)反饋二階濾波電路。壓控電壓源二階濾波電 路特點(diǎn):運(yùn)算放大器為同相接法,濾波器的輸入阻抗很高,輸出阻抗很低,濾波器相 當(dāng)于一個(gè)電壓源。其優(yōu)點(diǎn):電路性能穩(wěn)定,增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路負(fù)反饋二階 濾波電路特點(diǎn)是:運(yùn)算放大器的開環(huán)增益無限大,反相輸入端可視為虛地,輸出端通 過電容和電阻形成兩條反饋支路。其優(yōu)點(diǎn):輸出電壓與輸入電壓的相位相反,元件較 少,但增益調(diào)節(jié)不便。ViVo 圖 3-5 典型二階 VCVS

26、 低通濾波器在上圖中,根據(jù) “ 虛短 ” 和 “ 虛斷 ” 的特點(diǎn)可得:U+ =U- =R3*U0/(R3+R4 (3-6A VP=U0/Ui=(R3+R4/R3; A VP=1+R4/R3 根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù):V OUT =VS *(0.018*P+0.04可得:V OUT 在 0.2V4.54V之 間的情況, 所以 Avp=1, 為了滿足增益令 3R = , 即放大器反向輸入端對地相當(dāng)于開路。其傳遞函數(shù)為:H(s=AVPb0/(s2+b1s+b0:b0=1/R1R2C1C2;b1=(1/R1C1*(1-AVP+1/C2(1/R1+1/R2 (3-7為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響

27、,應(yīng)使:R1+R2=R4R3/(R3+R4 (3-8將上式與 A VP=1+R4/R3聯(lián)立求解可得:R4=AVP(R1+R2通帶截止頻率 f0=1/2兀 (R1R2C1C2 1/2 (3-9 選定歸一化系數(shù) B=1.414, C=1,電容 C1可任意取值,取 C1=22µF ,由此可確定 電路中各電阻值如下:電容 C1可以任意取值, 取 C1=22uF。 由此可確定電路中各電阻 值如下: =11uF (3-10 =14534=31689 取 C2=10µF , 1R =15K, 2R =30K。 由于 R3= , 所以 R4為任意值均能滿足 Avp=1, 本設(shè)計(jì)中,令 R4

28、=0即短路,本設(shè)計(jì)中采用的低通濾波器如圖 3-6所示。 圖 3-6 設(shè)計(jì)中采用二階 VCVS 低通濾波器 幅頻特性曲線如圖圖 3-7所示。圖 3-7 為幅頻特性曲線一般認(rèn)為,肱動(dòng)脈處脈搏波信號(hào)的頻率范圍為 0.66.4Hz ,這個(gè)范圍基本能夠涵 蓋正常和異常情況下的脈搏波信號(hào)及其個(gè)體差異。為此我們將設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器來 實(shí)現(xiàn)對這段頻帶范圍內(nèi)信號(hào)的采集。帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過,而將此頻帶以外的信號(hào) 阻斷。 從原理上說, 將一個(gè)通帶頻率為 f2的低通濾波器與一個(gè)通帶頻率為 f1的高通濾 波器串聯(lián)起來,當(dāng)滿足條件 f2>f1時(shí),即可構(gòu)成帶通濾波器,其原理示意圖如圖 3

29、-8所 示。為此,我們設(shè)計(jì)截止頻率為 0.6Hz 的高通濾波器和截止頻率為 6.4Hz 的低通濾波 器來提取脈搏波信號(hào)。20 10 Au 20 10 Au 20 10 Au 圖 3-8 帶通濾波器原理示意圖切比雪夫?yàn)V波器頻率選擇性較好,但在同樣參數(shù)要求下,其傳遞函數(shù)極點(diǎn)分布于 橢圓上,較分布于圓周上的巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)極點(diǎn)更接近單位。選用二階巴特 沃斯濾波器,濾波性能和穩(wěn)定性較好,而且涵蓋能夠正常和異常情況下的血壓信號(hào)及 其個(gè)體差異。巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器輸出的脈動(dòng)壓力波如圖 3-9和圖 3-10所示 7。 圖 3-9 切比雪夫?yàn)V波器輸出脈動(dòng)波 圖 3-10 巴特沃思濾波器輸出脈動(dòng)

30、波從圖中可以看出切比雪夫?yàn)V波器輸出的脈動(dòng)波時(shí)域包絡(luò)并不明顯,無法計(jì)算出血壓,而巴特沃思濾波器則能夠清晰的得到拋物線狀包絡(luò)。所以我們采用巴特沃思濾波 器來設(shè)計(jì)帶通濾波器。 (1高通濾波器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯二階壓控電壓源高通濾波器來濾除信號(hào)中的低頻分量和直流 分量,截止頻率為 0.6Hz ,電路結(jié)構(gòu)圖如圖 3-11所示。 圖 3-11 高通濾波器該濾波器的傳遞函數(shù)為: (3-11濾波器的截止頻率 f0為 0.6Hz 。 選定歸一化系數(shù) B=1.414, C=1, 令電路增益 Avp=10, 電容 C3可任意取值,取 C3=22µF ,由此可確定電路中各電阻電容值如下:(3-12 取

31、R5=4.7K, R6=30K, R3=5.1K, R4=4.7K,高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線 如圖 3-12所示。 圖 3-12 高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線(2低通濾波器設(shè)計(jì)從高通濾波器輸出的信號(hào)還包含了大量的工頻和高頻干擾,采用低通濾波器來濾 除。此處低通濾波器的設(shè)計(jì)也采用了巴特沃斯型的二階壓控電壓源濾波器。截止頻率 選定為 6.4Hz 。 濾波器的傳遞函數(shù)和各參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系我們在前面已經(jīng)給出, 這里 不再贅述。低通濾波器電路如圖 3-13所示。 圖 3-13低通濾波器電路由通帶頻率為 0.6Hz 二階壓控電壓源低通濾波器和通帶頻率為 6.4Hz 二階壓控電 壓源高通濾波器

32、構(gòu)成的帶通濾波器能夠順利的提取正常和異常情況下的脈搏波信號(hào) 8。 為以下模擬信號(hào)數(shù)字化,數(shù)字信號(hào)的處理做好了充分的準(zhǔn)備,為設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行做 好了基礎(chǔ)。4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的 CPU 是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。 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)。4.1單片機(jī) AT89C51AT89C51是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的電壓,高性能 CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和 128bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。器件采用 ATMEL 公

33、司的高密度,非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51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。 AT89C51高性價(jià)比,能適用于各種控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用的 40引腳雙列直插封裝 (DIP的 AT89C51單片機(jī)引腳分配如圖 4-1所 示。 圖 4-1 80C51單片機(jī)引腳各引腳功能如下: Vss(20:接地。 Vcc(40:接 +5V電源。XTAL1(19和 XTAL2(18:在使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路時(shí), 這兩個(gè)端子用來外接石 英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時(shí)鐘時(shí),則用來輸入時(shí)鐘脈沖。RST/VPD(9:RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端。當(dāng)此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期 (24個(gè)振蕩

34、 周期 的高電平,就可以完成復(fù)位操作。第二功能是 VPD,即備用電源輸入端,當(dāng)主電源發(fā)生故障,降低到規(guī)定的低電平以下時(shí), VPD 將為片內(nèi) RAM 提供備用電源,以保 證存貯在 RAM 中的信息不丟失。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)。在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí), ALE 以振蕩頻率 1/6的固定速 率輸出脈沖信號(hào)。因此它可用作對外輸出的時(shí)鐘。但要注意,只要外接有存儲(chǔ)器,則 ALE 端輸出的就不再是連續(xù)的周期脈沖信號(hào)了。第二功能 PROG _是用于對 8751片內(nèi) EPROM 編程的脈沖輸入端。PSEN _(29:它是

35、外部程序存儲(chǔ)器 ROM 的讀選通信號(hào)。在執(zhí)行訪問外部 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)。EA/ VPP (31:訪問外部存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。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 8051/80C51/8751或 1FFFH(對 (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。當(dāng) EA 保持低電平時(shí),則只訪問外部程序 存儲(chǔ)器,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。第二功能 VPP 為對 8751片內(nèi) EPROM 的 21伏 編程電源輸入。P0口:P0

36、口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O口, 也是地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口, 作為 輸出口用時(shí), 每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯門, 對端口寫 “1” 可作為高阻輸 入端用。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。P1口:P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8為雙向 I/O口, P1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。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

37、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。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。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16為地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (例如 MOVX DPTR指令 時(shí), P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。 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。P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位 I/O口。 P3口

38、能驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電 流 4個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P3口除了作為一般的 I/O口線外,更重要的用途呈現(xiàn)的第二 功能,如表 4-1所示 8。表 4-1 P3口引腳第二功能 4.2 時(shí)鐘及復(fù)位電路設(shè)計(jì)AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩的高增益反相放大器, 引腳 XTAL1和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷 晶體諧振器一起構(gòu)成自激振蕩,電路示意圖如圖 4-2所示。 石英晶體時(shí):C1, C2=40P p F 陶瓷諧振器:C1, C2=40p p F圖 4-2 內(nèi)部振蕩電路示意圖電路中的電容 C1和 C2典型值通常選擇為 30pF 左右

39、。對外接電容的值雖沒有嚴(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。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在 1.2MHz 12MHz 之間。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。但反過來運(yùn)行速度快對存儲(chǔ)器的速度要 求就高,晶振和電容應(yīng)可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近,以減少寄生電容,更好地保證 振蕩器穩(wěn)定,可靠地工作。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。 本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部振蕩電路如圖 4-3所示。 C11和 C12為 30pF ,石英晶 體振蕩器為 11.059MHz 。 圖 4-3 時(shí)鐘電路及復(fù)位電路電路圖單片機(jī)復(fù)位通過外部的復(fù)

40、位電路實(shí)現(xiàn)。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)。復(fù)位電路通 常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位,上圖中 C3為 22uF , R3取 1K。當(dāng)電源接通時(shí)只要 VCC 的上升時(shí)間不超過 1ms ,就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位 9。 4.3 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。A/D轉(zhuǎn)換器是將時(shí)間連續(xù)和幅值連續(xù)的模擬輸入

41、信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離 散的 N 為二進(jìn)制數(shù)字輸出信號(hào)的電路。 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。在實(shí)際電路中,有寫過程是合并進(jìn)行的。本系統(tǒng)中,我們需要對袖帶壓力信號(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。 ADC 是一種逐次比較式 8路模擬輸入、 8位數(shù)字量輸出的 A/D轉(zhuǎn)換器。 它性能價(jià)格比較高, 市場售價(jià)較低, 購買也很方便, 如圖 4-4所示。 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路

42、 連接圖,本設(shè)計(jì)主要是 ADC0809與單片機(jī)直接相連,對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,送入單片機(jī)。 圖 4-4 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路單片機(jī)通過 P2.3、 P2.4兩個(gè)端口對 ADC0809進(jìn)行控制。 P2.3連接到 ADC0809的 ALE 和 START 兩個(gè)端口, P2.4連接到 ENABLE 端口。 ADDA 、 ADDB 和 ADDC 與 P2.0連接,輸入通道定位在 IN0和 IN7端口上。單片機(jī)使用 P0口從 ADC0809獲得數(shù) 據(jù)。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。ADC08098位 8通道逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器,采用 CM

43、OS 制造工藝。逐次型的 ADC0809轉(zhuǎn)換速度較快、 精度較高, 其分辨率為 8 位, 其逐次逼近的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100uS 。 POT2ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖 4-5所示。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。圖 4-5 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖上圖中, 多路開關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道, 允許 8路模擬量分時(shí)輸入, 共用 1個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對 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。在某一時(shí)刻,模擬開關(guān)只能與一路模擬量通道接通,對該 通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。

44、表 4-2中 C 、 B 、 A 是三條通道的地址線。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘?hào) ALE 為高電平時(shí), C 、 B 、 A 三條線上的數(shù)據(jù)送入 ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中,經(jīng)過譯 碼器譯碼后選中某一通道。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,如表 4-2所示。表 4-2 ADC0809通道選擇表 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。三態(tài)輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。 ADC0809芯片為 28引腳雙列直插式封裝,其引腳排列如圖 4-6所示。其引腳功能如下:IN7IN

45、0:模擬量輸入通道。 0809對輸入模擬量的要求主要有:信號(hào)單極性,電 壓范圍 05V 、若信號(hào)過小,還需進(jìn)行放大。另外,模擬量輸入在 A/D轉(zhuǎn)換過程中其 值不應(yīng)變化,因此,對變化速度快的模擬量,在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。 圖 4-6 ADC0809引腳圖A , B , C 地址線:A 為低位地址, C 為高位地址,用于對模擬通道進(jìn)行選擇,引 腳圖中相應(yīng)為 ADDA 、 ADDB 和 ADDC 。ALE :地址鎖存允許信號(hào)。對應(yīng) AIE 上跳沿, A 、 B 、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器 中。START :轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 START 上跳沿時(shí),所有內(nèi)部寄存器清 0; START 下跳沿 時(shí)

46、,開始進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換;在 A/D轉(zhuǎn)換期間, START 應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡寫為 ST 。D7D0:數(shù)據(jù)輸出線。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。OE :輸出允許信號(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)。 OE =0,輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻態(tài); OE =1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK :時(shí)鐘信號(hào)。 ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路,所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供,通常 使用頻率為 500kHz 的時(shí)鐘信號(hào)。EOC :轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。當(dāng) EOC =0時(shí),正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換;當(dāng) EOC =1時(shí),轉(zhuǎn)換 結(jié)束。該狀態(tài)信號(hào)既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志,又可以作為中斷請求信號(hào)

47、使用。Vcc :+5V 電源。Vref :參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較,作為逐次逼近的基 準(zhǔn)。其典型值為+5V (Vref(+=+5V、 Vref(- =0V 。選中通道的模擬量到達(dá) A/D轉(zhuǎn)換器時(shí), A/D轉(zhuǎn)換器并未對其進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。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。 ADC0809的 A/D轉(zhuǎn)換過程是在時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。 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。

48、當(dāng) ADC0809用于 80C51單片機(jī)系統(tǒng)時(shí),若 80C51采用 6MHz 的晶振,這時(shí) ADC0809的時(shí)鐘頻率為 500KHz , A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為 130uS 。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 DB0-DB7八條數(shù)字量輸出線上, 單片機(jī)不能獲取之。 單片機(jī) 要想讀到 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果, 必須使 ADC0809的允許輸出控制端 OE 為高電平, 打開三態(tài) 輸了鎖存器, A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在 DB0-DB7上。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖 4-7所示。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào),在 A/D轉(zhuǎn)換期間, EOC 維持高電平,當(dāng)

49、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí), EOC 變成高電平。 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?10。圖 4-7 ADC0809 讀、寫、啟動(dòng)以及 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖4.4 自動(dòng)充放氣電路的設(shè)計(jì)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(dòng)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。自動(dòng)充氣控制的電路 原理圖如圖 4-8所示。 圖 4-8 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控制口的軟件編程實(shí)現(xiàn)。本儀器中采用 AT89C51的輸入輸出口 P2.

50、1控制充氣泵, P2.2控制放氣閥?？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。充氣泵、電磁閥都屬于強(qiáng)電設(shè)備,其作業(yè)會(huì)對單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾, 所以在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)考慮到電氣隔離問題。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。這個(gè)脈動(dòng)干擾必然會(huì)通過接地電阻和電容耦合到單片 機(jī)回路中。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

51、此間的耦合通路。設(shè)計(jì)中采用雙級(jí)隔離電路來切斷強(qiáng) 電設(shè)備充氣泵和電磁閥啟停時(shí)引起的沖激干擾。 雙級(jí)隔離是指光隔離器和繼電器隔離, 如圖 4-8所示。 U6為光隔離器, Q1為外圍驅(qū)動(dòng)器, RELAY 為繼電器線圈, K 為相應(yīng) 觸點(diǎn)。光隔離器隔離的響應(yīng)速度快,可達(dá) 10s左右,但驅(qū)動(dòng)能力小,繼電器隔離適用 于啟動(dòng)負(fù)荷大響應(yīng)速度慢的動(dòng)力設(shè)備,因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)的負(fù)載能力大,能直接控制強(qiáng) 電動(dòng)力設(shè)備 11。4.5 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(hào)的簡單顯示、對生理 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。在測量血壓時(shí),使用按鈕電路對系統(tǒng)經(jīng)行控制,而

52、顯示電路則是對于我們請求的回應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器之間 的交流,體現(xiàn)智能化的要求。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中, 開關(guān)量的輸入方法很多, 常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接 口和行列式鍵盤接口。本設(shè)計(jì)采用行列式鍵盤電路設(shè)計(jì),矩陣鍵盤接口電路如圖 4-9所示。通過單片機(jī)并口實(shí)現(xiàn)控制,本系統(tǒng)中暫時(shí)只用到 4個(gè)按鍵,其中 3個(gè)分別用來 控制三種血壓值信號(hào)的發(fā)送,另外一個(gè)作為控制顯示單元的顯示控制按鈕。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(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。圖 4-9 鍵盤接口電路本文的采集終端的顯示務(wù)必簡單易懂,因此,對于血壓信號(hào)只顯示平均壓、收縮 壓和舒張壓

53、三個(gè)數(shù)值。顯示系統(tǒng)是單片機(jī)血壓計(jì)不可或缺的部件。本次設(shè)計(jì)由于時(shí)間 關(guān)系,就簡要的介紹下顯示電路,不做詳細(xì)贅述。普遍使用的兩類顯示是數(shù)碼管顯示 (LED 和液晶顯示(LCD 。本論文采用的內(nèi)置 T6963C 控制器的液晶顯示, LCD 不 僅能顯示字符、和數(shù)字,還可以顯示各種圖形、曲線和漢字。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 12。內(nèi)置 T6963C 控制器的 240×128T 圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊有 20個(gè)引腳,各引腳的 功能如表 4-3所示。 表 4-3 液晶顯示模塊引腳功能表 本設(shè)計(jì)中,采用直接訪問方

54、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 4-10所示。 圖 4-10 液晶顯示器與單片機(jī)接口電路圖液晶顯示模塊的 C/D_與 AT89C55的 P20相連, CE _與 P27口接一非門相連, 因此液 晶顯示模塊的指令口地址為 #8100H,數(shù)據(jù)口地址為 #8000H。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。一般利用可調(diào) 電阻讓該端電壓在 -15V -16V 為宜,若電壓過低,可能看不出屏上顯示的內(nèi)容 13。5 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。程序設(shè)計(jì)的主 要思想為:系統(tǒng)上電后,首先

55、由控制按鈕通過各種啟動(dòng)按鍵向單片機(jī)、 A/D轉(zhuǎn)換電路 發(fā)送信號(hào)采集命令,接到命令后轉(zhuǎn)換電路便開始進(jìn)行血壓信號(hào)的采集、存儲(chǔ)及發(fā)送。 5.1 血壓信號(hào)采集(1 主程序流程圖本系統(tǒng)血壓測量信號(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)。由于 ADC0809的 A/D轉(zhuǎn)換精度為 8位,因此最高精度可達(dá) 1/256。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。 當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換完 畢,在中斷程序中,用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法來實(shí)現(xiàn)簡單有效的數(shù)字濾波,使測量 更加準(zhǔn)確。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)果血壓采集流 程圖如圖 5-1所示。圖 5-1 血壓采集流程圖 (2