電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

1、電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證醫(yī)學(xué)院（生物醫(yī)學(xué)工程） 【摘要】血壓是人體重要的生理參數(shù)之一，對(duì)其的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)將對(duì)心血管疾病診斷和治療具有重要意義。本設(shè)計(jì)是采用振蕩法的無創(chuàng)血壓測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電子血壓計(jì)，結(jié)合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信號(hào)處理技術(shù)。本文主要從硬件方面介紹了電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)和核心器件選型，系統(tǒng)中采用壓力傳感器US9111和LMV2264運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、濾波，以STM32F103RBT6單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)泵閥控制和對(duì)采集到的壓力與脈搏信號(hào)進(jìn)行處理，并上傳測(cè)量的數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)

2、系統(tǒng)功能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)?！娟P(guān)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(jì)概述通常所說的血壓是指動(dòng)脈血壓，血壓是血液在血管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，作用于血管壁的壓力，它是推動(dòng)血液在血管內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力。心室收縮，血液從心室流入動(dòng)脈，此時(shí)血液對(duì)動(dòng)脈的壓力最高，即動(dòng)脈血壓的峰值，稱為收縮壓（systolic blood pressure ，SBP ）1。心室舒張，動(dòng)脈血管彈性回縮，血液仍慢慢繼續(xù)向前流動(dòng)，但血壓下降，此時(shí)的壓力稱為舒張壓（diastolic blood pressure，DBP），即血壓的谷值2。血壓是機(jī)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(jìn)行診后判斷等的重要依據(jù)3。電子血壓計(jì)是基于采用無創(chuàng)血壓測(cè)量方法的生命信息監(jiān)測(cè)醫(yī)療設(shè)備，無創(chuàng)血壓測(cè)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(shè)計(jì)的測(cè)量原理是示波法。電子血壓計(jì)有臂式、腕式之分，腕式電子血壓計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是小巧便攜，但測(cè)量結(jié)果不夠精確；上臂血壓計(jì)雖然機(jī)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(shè)計(jì)目標(biāo)也是上臂式電子血壓計(jì)。血壓計(jì)的技術(shù)經(jīng)歷了最原始的第一代、第二代（半自動(dòng)血壓計(jì)）、第三代（智能血壓計(jì)）的發(fā)展。第一代電子血壓計(jì)是在減壓時(shí)進(jìn)行測(cè)量，使用的主要元器件包括壓力傳感器、快速加壓氣泵和機(jī)械快速排氣閥。第一代電子血壓計(jì)由于機(jī)械式排氣閥

4、的不穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果也不穩(wěn)定，誤差較大。第二代電子血壓計(jì)也是在減壓時(shí)進(jìn)行測(cè)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(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定。第三代電子血壓計(jì)是在加壓時(shí)就進(jìn)行測(cè)量，目前國(guó)際上掌握這一技術(shù)的公司并不多。第一代和第二代電子血壓計(jì)都是上臂式的，第三代是腕式電子血壓計(jì)，由于掌握MWI技術(shù)（加壓時(shí)測(cè)量）的公司很少和腕式電子血壓計(jì)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(jì)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(qiáng)，人們?cè)絹碓阶⒅刈约汉图胰说慕】?。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(gè)人身體是否健康。高血壓是

5、最常見的心血管疾病，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量和健康。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國(guó)的高血壓患者已達(dá)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(guān)于高血壓的預(yù)防和治療已成為我國(guó)一個(gè)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?zhǔn)祝匝獕旱臏y(cè)量對(duì)預(yù)防此類疾病起到至關(guān)重要的作用。對(duì)于全球特別是我國(guó)市場(chǎng)來說，血壓計(jì)的需求量是十分龐大的。中國(guó)是世界最大的電子血壓計(jì)的生產(chǎn)基地，也是國(guó)際最大的電子血壓計(jì)消費(fèi)市場(chǎng)，但是市場(chǎng)上銷售的電子血壓計(jì)質(zhì)量不一，消費(fèi)者容易購(gòu)入質(zhì)量差的產(chǎn)品，而且我國(guó)很多醫(yī)院依然在使用水銀血壓計(jì)。水銀血壓計(jì)的測(cè)量

6、必須由專業(yè)的醫(yī)學(xué)人士進(jìn)行，過程比較復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果可能會(huì)因醫(yī)生的不同而不同，而且水銀壓力計(jì)的水銀具有劇毒性，對(duì)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(jià)、準(zhǔn)確的壓力計(jì)，具有極大的市場(chǎng)潛力。1.1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)電子血壓計(jì)的前身是水銀血壓計(jì)，但其操作過程復(fù)雜，且依賴聽診器和聽診者，所以從嚴(yán)格意義上來說，水銀血壓計(jì)的測(cè)量并不十分精確。而電子血壓計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，同時(shí)其功能更加完善、測(cè)量更加準(zhǔn)確。無創(chuàng)傷監(jiān)護(hù)技術(shù)是未來醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的重要方向，從應(yīng)用角度而言隨著無創(chuàng)血壓測(cè)量裝置的測(cè)量精度提高和價(jià)格下降，醫(yī)院環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，水銀血壓計(jì)被無創(chuàng)血壓量設(shè)備所取代是

7、必然趨勢(shì)6?，F(xiàn)在，電子血壓計(jì)已經(jīng)逐漸的從醫(yī)院走到了家庭，其國(guó)際市場(chǎng)十分龐大而穩(wěn)定，在一些歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，家庭擁有率超過60%。目前電子血壓計(jì)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，絕大部分產(chǎn)品都具有十分成熟的顯示數(shù)據(jù)、語音報(bào)告、數(shù)據(jù)異常報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然A(chǔ)功能，在激烈的電子血壓計(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，很多生產(chǎn)商在擁有基本功能的基礎(chǔ)上對(duì)電子血壓計(jì)不斷改進(jìn)測(cè)量精度和增加各種功能。歐姆龍（OMRON）新一代電子血壓計(jì)HEM-7320，該電子血壓計(jì)是歐姆龍公司2014年的產(chǎn)品，該電子血壓計(jì)除了具有基本的測(cè)量、語音提示等功能外，還可以判斷測(cè)量者的測(cè)量姿勢(shì)是否正確，當(dāng)測(cè)量者佩戴袖帶過于緊實(shí)或?qū)捤蓵r(shí)，也會(huì)作出相應(yīng)的提示這些功能都可以使

8、得測(cè)量結(jié)果更加精確?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外測(cè)量血壓的技術(shù)較成熟，能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地測(cè)量患者的血壓變化情況，大多電子血壓計(jì)是普通血壓計(jì)與電子分析控制終端相連，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)加壓并根據(jù)情況控制加減幅度。一些國(guó)際上知名公司生產(chǎn)的產(chǎn)品除了一般精確測(cè)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(fèi)群體的需求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸及云計(jì)算等技術(shù)使得血壓的監(jiān)測(cè)也越來越方便，同時(shí)血壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄、傳輸、存儲(chǔ)、分析也將成為現(xiàn)實(shí)。未來血壓計(jì)將會(huì)和移動(dòng)科技相結(jié)合，智能手機(jī)管理血壓，無線傳輸使得可以隨時(shí)隨地掌握家人健康；測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云盤，并深度剖析血壓狀況

9、，做出專業(yè)分析報(bào)告?？傮w上說，微型化、智能化、電子化是電子血壓計(jì)未來的發(fā)展趨勢(shì)。1.1.4 研究的意義電子血壓計(jì)在臨床上應(yīng)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(cè)生命信息的重要設(shè)備之一。疾病的預(yù)防已成為現(xiàn)代人的健康思維，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血壓變化對(duì)于預(yù)防、診斷高血壓等心血管疾病具有重要意義。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的落后，以前我們檢查身體只能在醫(yī)院才可以實(shí)現(xiàn)，無法隨時(shí)進(jìn)行生命信息監(jiān)測(cè)，身體某些變化不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)血壓等生命信息發(fā)生異常時(shí)，不能及時(shí)預(yù)防腦出血等疾病猝發(fā)?，F(xiàn)在電子血壓計(jì)作為家庭醫(yī)療保健重要產(chǎn)品，使得隨時(shí)監(jiān)測(cè)血壓的變化成為可能，在家中測(cè)量時(shí)如發(fā)現(xiàn)血壓異常便可及時(shí)去醫(yī)院治療。水銀血

10、壓計(jì)測(cè)量精度相對(duì)比電子血壓計(jì)低，而且其測(cè)量結(jié)果會(huì)因人的不同而不同。電子血壓計(jì)能分辨1mmHg的氣壓，水銀血壓計(jì)的最小單位為2mmHg。電子血壓計(jì)通過對(duì)人體血壓整個(gè)變化數(shù)值的進(jìn)行采集和分析、處理，數(shù)據(jù)處理算法的運(yùn)動(dòng)使得測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)保持一致，而且電子血壓計(jì)的操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精確、顯示清晰等優(yōu)點(diǎn)對(duì)于家庭老人血壓的測(cè)量具有重要意義。2 電子血壓計(jì)原理2.1 示波法測(cè)量原理示波法是90年代發(fā)展起來的一種比較先進(jìn)的電子測(cè)量方法，示波法是檢測(cè)袖帶內(nèi)由于血管壁的搏動(dòng)產(chǎn)生的氣體震蕩波，判斷出血壓與震蕩波之間的關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系從而計(jì)算出測(cè)量者血壓。加壓袖帶的放氣過程與動(dòng)脈的波動(dòng)有關(guān)，動(dòng)脈搏動(dòng)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(jì)算收縮壓和舒張壓。理論計(jì)算及臨床均表明，該震蕩波與動(dòng)脈的收縮壓，舒張壓和平均壓之間均存在某種關(guān)系，示波法的關(guān)鍵就是找出它們之間的規(guī)律。示波法的測(cè)量過程：首先把袖帶綁在測(cè)量者手臂上，自動(dòng)對(duì)袖帶充氣到一定壓力（一般為180230mmHg），當(dāng)血壓流動(dòng)停止，逐漸放氣，當(dāng)氣壓達(dá)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(cè)到壓力及脈搏波信號(hào)，并把兩路信號(hào)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(cè)的壓力和波動(dòng)就越來越小7。如圖1所示,以Ps為標(biāo)準(zhǔn)，血流在袖帶內(nèi)靜壓大于收縮壓Ps時(shí)不能流過血管，袖帶內(nèi)出現(xiàn)細(xì)小的振蕩波，這

12、是因?yàn)榻嗣}搏的沖擊；當(dāng)袖帶內(nèi)靜壓小于收縮壓Ps時(shí)，波幅增大，氣壓等于平均動(dòng)脈壓Pm時(shí)，波幅達(dá)到最大；靜壓小于平均動(dòng)脈壓Pm時(shí)波幅逐漸減?。混o壓小于舒張壓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(gè)包絡(luò)， 根據(jù)包絡(luò)圖與血壓的函數(shù)關(guān)系可以得出測(cè)量者的血壓。 圖 21袖帶壓力隨時(shí)間變化2.2 電子壓力計(jì)的工作原理單片機(jī)輸出脈沖波控制控制泵閥充氣放氣調(diào)整袖帶內(nèi)壓力，壓力傳感器US9111采集到壓力信號(hào)，壓力信號(hào)經(jīng)過放大以及濾波后產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)：壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào)。經(jīng)過儀表放大器放大的壓力信號(hào)，然后再經(jīng)過二級(jí)濾波放大的是脈搏波信號(hào)

13、。經(jīng)過放大的信號(hào)接入到單片機(jī)STM32F103RBT6，單片機(jī)用內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過串口傳送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)信號(hào)做分析處理，經(jīng)過程序運(yùn)算后，測(cè)量結(jié)果在上位機(jī)顯示。本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，下位機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)泵、閥的控制。本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了本設(shè)計(jì)中電子血壓計(jì)的測(cè)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(guān)系找到對(duì)應(yīng)壓力信號(hào)的那一點(diǎn)，那一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值就是需要測(cè)量的血壓值。本章也介紹了本設(shè)計(jì)的工作原理，描述了血壓測(cè)量過程和信號(hào)處理過程，對(duì)本設(shè)計(jì)有一個(gè)大體的認(rèn)識(shí)。3 電子血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

14、要求 3.1.1 功能要求 本課題是電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，以單片機(jī)STM32為核心的電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)的功能要求是：（1）測(cè)量壓力；（2）計(jì)算脈率；（2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充氣、放氣；（3）在上位機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果 。3.1.2 性能要求 電子血壓計(jì)的基本要求是準(zhǔn)確、方便、功耗低，同時(shí)要求價(jià)格能比較便宜。本設(shè)計(jì)主要的性能要求是：（1）精度能達(dá)到±1%；（2）能在055的環(huán)境中穩(wěn)定工作；（3）測(cè)量的范圍是0240mmHg。在測(cè)量時(shí)操作簡(jiǎn)單，傳感器靈敏度高，能準(zhǔn)確采集到壓力信號(hào)且在單片機(jī)或上位機(jī)對(duì)信號(hào)作處理時(shí)不能出現(xiàn)太大誤差。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3.2.1 總體方案 本設(shè)計(jì)采用4個(gè)1.5V電池為外接

15、電源，以STM32LQFP64為核心，控制兩個(gè)三極管開關(guān)電路，以此控制泵閥的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)充氣、放氣的目的。壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大濾波后，再接入單片機(jī)。本設(shè)計(jì)的血壓和脈率測(cè)量結(jié)果能在在電腦上顯示，上位機(jī)算法程序?qū)?shù)字信號(hào)作處理，下位機(jī)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(jī)的電子血壓計(jì)整體流程圖 3.2.2 硬件設(shè)計(jì)方案 本課題的硬件設(shè)計(jì)主要分為五個(gè)模塊：電源電路模塊、血壓測(cè)量模塊、信號(hào)初步處理模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)的供電是4個(gè)1.5V的電池，而每塊芯片的工作電壓都不一樣，所以需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電源電路模塊是對(duì)外加的6V電池電源進(jìn)行穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，提供整

16、個(gè)電路中需要的工作電壓。血壓測(cè)量模塊包括泵閥自動(dòng)充氣放氣和傳感器測(cè)量血壓,用兩個(gè)三極管開關(guān)電路控制泵閥的運(yùn)動(dòng)；傳感器測(cè)量血壓時(shí)注意與袖帶的接觸，以免出現(xiàn)太大誤差。對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行放大濾波和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)的初步處理，因?yàn)閴毫鞲衅鞑杉降男盘?hào)時(shí)很小，只有幾mV,必須通過放大才能輸入到單片機(jī)進(jìn)行下一步處理。信號(hào)處理模塊以單片機(jī)為核心，用算法程序處理血壓信號(hào)，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(qū)動(dòng)芯片和顯示芯片。硬件架構(gòu)圖如下圖：圖 32電子血壓計(jì)硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)3.2.3 軟件總體設(shè)計(jì)架構(gòu) 軟件部分包括袖帶壓力控制系統(tǒng)、壓力與脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)和

17、信號(hào)分析處理系統(tǒng)。下位機(jī)程序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)算后確定收縮壓和舒壓的瞬態(tài)時(shí)間位置得到具體血壓數(shù)值；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LCD顯示并進(jìn)行數(shù)值的語音提示9。本軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，基本流程如下。圖 33 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)圖本章小結(jié) 本章對(duì)本設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)作出了簡(jiǎn)單的敘述，并給出了相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了硬件主要的五個(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，共同組成設(shè)計(jì)的整個(gè)電路。畫出了血壓測(cè)量的流程圖和硬件設(shè)計(jì)的框架圖，框架圖較直觀地描繪了單片機(jī)的外圍電

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

19、壓信號(hào)；然后通過外部電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理放大，以達(dá)到最佳效果便于應(yīng)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(qū)動(dòng)電流1.5mA輸出信號(hào)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?yàn)槠鋬r(jià)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(jì)）開發(fā)的一款氣體壓力傳感器，標(biāo)稱壓力為5.8PSI(300mmHg)，滿足本設(shè)計(jì)要求的0240mmHg的壓力測(cè)量范圍。(2)US9111-006

20、-D外部結(jié)構(gòu)：圖 41 US9111-006-D外部結(jié)構(gòu)  未經(jīng)補(bǔ)償?shù)母呔葔毫π酒庋b在塑膠殼體內(nèi)，通過6個(gè)插腳直插裝配在電路板上，其氣嘴外徑3mm。該型號(hào)產(chǎn)品兼容的壓力介質(zhì)為無腐蝕性的干燥氣體。4.1.2 壓力傳感器電路設(shè)計(jì) US9111的外圍引腳有6個(gè)，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(shí)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(cè)量到的電壓信號(hào)作為輸入端接入放大電路中。如下圖： 圖 42傳感器電路設(shè)計(jì)圖4.2 STM32F103RBT6單片機(jī)的簡(jiǎn)介及電路設(shè)計(jì) 4.2.1

21、STM32F103RBT6單片機(jī)簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)采用的控制器是STM32F103RBT6單片機(jī)，STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，與所有的ARM工具和軟件兼容，其閃存程序儲(chǔ)存器高達(dá)128字節(jié)和SARM達(dá)到20字節(jié)，完全可以滿足本設(shè)計(jì)所需內(nèi)存；STM32F103RBT6內(nèi)嵌兩個(gè)12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC）和嵌套向量式中斷控制器，能夠處理多達(dá)43個(gè)可屏蔽中斷通道；STM32F103RBT6中的電壓調(diào)壓器包含三個(gè)操作模式：主模式（MR）、低功耗模式（LPR）、關(guān)斷模式，能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗、高速運(yùn)行的性能；同時(shí)單片機(jī)豐富的增強(qiáng)型外設(shè)支持定時(shí)器、ADC、S

22、PI、I2C和USART，標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口使得可以進(jìn)行多種數(shù)據(jù)傳輸10。STM32LQFP64的工作頻率是72MHz，STM32F101xx增強(qiáng)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(gè)管腳都有其名稱和主要的功能或默認(rèn)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(dá)90DMips，1.25DMips/MHz 2）128K字節(jié)閃存程序存儲(chǔ)器 ，20K字節(jié)SRAM 3）2.03.6伏供電和I/O管腳 4）上電 / 斷電復(fù)位(POR / PDR

23、)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器(PVD) 、掉電監(jiān)測(cè)器 5）復(fù)位時(shí)內(nèi)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(jī)和待機(jī)模式 調(diào)試模式 ；串行線調(diào)試(SWD)和JTAG調(diào)試接口 7）7通道DMA控制器 8）3個(gè)同步16位定時(shí)器，2個(gè)看門狗定時(shí)器4.2.3 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路主要包括復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，總體電路設(shè)計(jì)圖如圖：圖 44單片機(jī)總體外圍電路設(shè)計(jì)圖 4.2.3.1 STM32的復(fù)位電路 圖 45 STM32的復(fù)位電路設(shè)計(jì) 如圖所示，從單片機(jī)的第7引腳引出10K的電阻和0.1uF的電路相連，形成復(fù)位電路。NRST 是低電平有效，上電復(fù)位時(shí),芯片需要足

24、夠的時(shí)間進(jìn)行初始化操作，在這段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)NRST引腳必須輸出一個(gè)低電平。電壓的電容不會(huì)突變，復(fù)位電路正是利用這一特性設(shè)計(jì)的。開機(jī)后電容C16電壓為零，NRST端與地連通，芯片復(fù)位。然后電源3.3V通過 R22 對(duì)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(shí)，芯片開始正常工作，上電復(fù)位完成。此電路還可以通過按鍵完成復(fù)位：當(dāng)按鍵BUTTON按下時(shí)，復(fù)位引腳接地，電平拉低，電容C16瞬間放電，按鍵彈起時(shí)，又通過R22向電容C16充電，完成按鍵復(fù)位。圖 46 STM32的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) STM32內(nèi)置的時(shí)鐘（8M頻率）精度較差，所以使用外部晶振。如圖所示，單片機(jī)的第

25、5引腳和第6引腳連接一個(gè)8MHz 的晶振及兩個(gè)18pF 電容電路，組成高速外部時(shí)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(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘方式，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是這個(gè)放大器的輸入端和輸出端，片外石英晶體和放大器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器；外接電容 C14和 C15 會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，它還可以對(duì)振蕩頻率起微調(diào)作用11。4.3 電源電路設(shè)計(jì)4.3.1 電源芯片簡(jiǎn)介表 42 本設(shè)計(jì)中給元器件提供的工作電壓傳感器US9111 5V單片

26、機(jī)STM323.3V電平轉(zhuǎn)換MAX232A5VLCD驅(qū)動(dòng)HT1261B3V泵6V閥6V 本課題中以4個(gè)1.5V電池作為電壓輸入，因?yàn)?V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(zhuǎn)為9V，再用AMS1117-ADJ芯片轉(zhuǎn)到6V，提供6V的電壓給泵閥驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楸瞄y驅(qū)動(dòng)電流較大，達(dá)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(zhuǎn)換芯片用的都是MIC5205系列芯片，提供給LCD驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓3V由AMS1117-3V轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(guān)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(shè)計(jì) 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，Cf=330Pf，Vout與點(diǎn)阻R2、R3的關(guān)系為：R3=R2*(Vout/1.23-1)，確定R2=13.3K，根據(jù)公式和Vout=9V可計(jì)算出R3=84K。 (2)AMS1117 AMS1117系列穩(wěn)壓芯片的輸出電壓有可調(diào)和多種固定輸出，能夠提供1A輸出電流，其工作壓差可以達(dá)到1V。即使是在最大輸

28、出電流時(shí)，AMS1117器件的壓差最大不超過1.3V并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。 AMS1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)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(diào)輸出電壓的電路圖如下：圖 48 AMS1117-ADJ穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，可調(diào)輸出電壓與電阻R4、R5的關(guān)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(diào)類型，本設(shè)計(jì)中用到的是固定輸出3.3V和5V的芯片。 4.3.2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)都在每一次轉(zhuǎn)換電壓輸出加一個(gè)插槽，防止調(diào)試電源電路的時(shí)候燒壞其他電源芯片。總體電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如下圖：圖 49總體電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)4.4 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 4.4.1 液晶顯示芯片ZS83376D簡(jiǎn)介 液晶屏ZS83376D是深圳微顯示科技有限公司生產(chǎn)的專門用于電子血壓計(jì)的產(chǎn)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(qū)動(dòng)芯片HT1621B的簡(jiǎn)介及電路設(shè)計(jì) 4.4.2.1 HT1621B簡(jiǎn)介HT1621B是128 點(diǎn)內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器,他可由軟件配置成1/2或 1/3的LCD驅(qū)動(dòng)器偏壓和2、3或4個(gè)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(shè)計(jì)采用3V供電）* 一個(gè)32 X 4的點(diǎn)段式LCD驅(qū)動(dòng)器* 內(nèi)嵌32 X 4為顯示RAM內(nèi)存* 內(nèi)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(shè)計(jì)表 44 LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621B的引腳描述管腳號(hào)管腳名稱功能描述9/CS片選輸入，當(dāng)/CS為高電平時(shí)讀寫數(shù)據(jù)和命令無效，當(dāng)為低電平時(shí)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(fù)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(nèi)存的數(shù)據(jù)被讀到DATA線上，本設(shè)計(jì)中/RD接口與3V點(diǎn)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(nèi)RC振蕩器（256KHz)、晶振（32.768KHz)產(chǎn)生時(shí)鐘源。顯示模塊的電路設(shè)計(jì)如下圖14：圖 411顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖4.5 放大電路設(shè)計(jì)4.5.1 儀表放大器電路原理 儀表放大電路主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成，由三個(gè)運(yùn)算放大器所組成，如下圖15，運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)差分放大器電路，增益 = Rf/R3，當(dāng)R1=R2時(shí)，差分輸入電阻=2*R1；左邊兩個(gè)放大器A1和A2則起到輸入緩沖作用；當(dāng)Rg被移除時(shí)，兩個(gè)緩沖級(jí)只是單位增益緩沖器；在這個(gè)狀態(tài)之下，增益等于 Rf/R3，而緩沖級(jí)

33、提供高輸入阻抗；緩沖器的增益可以增加因?yàn)榉旁谪?fù)輸入和接地之間的電流所產(chǎn)生的分流的負(fù)反饋；而在兩個(gè)反向輸入放入一顆電阻Rg的優(yōu)點(diǎn)在于：增加緩沖級(jí)的差模增益，而使共模增益等于1；如果單獨(dú)存在時(shí)有同樣的增益時(shí)，將會(huì)增加電路的共模互斥比（CMRR），會(huì)使得緩沖器可以處理更大的共模信號(hào)；Rg的另一個(gè)好處是，只用一顆電阻來提更增益，而不是一對(duì)，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(guān)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(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的信號(hào)放大通過運(yùn)算放大器TLC2264實(shí)現(xiàn)，TLC2264一款四路運(yùn)算放大器，每個(gè)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(hào)非常微弱， 通過一個(gè)儀表放大器（三運(yùn)放差分放大電路）進(jìn)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(jì)算公式為:A=（1+2*R6/R7)*(R/R9)，其中R=R11*R12/(R11+R12)。把相關(guān)參數(shù)代入公式計(jì)算的放大倍數(shù)A1=6.4。 電路中增加了電壓跟隨電路，當(dāng)傳感器不工作時(shí)，把運(yùn)算放大電路輸出的電壓作為為基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓理論值為0.455V，實(shí)際測(cè)得的值

35、為0.476V，在合理誤差范圍內(nèi)。因?yàn)椴杉降男盘?hào)有噪聲，要對(duì)其進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)中采用的是RC濾波器進(jìn)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(shè)計(jì) 如下圖17，傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過儀表放大器第一級(jí)放大后得到壓力信號(hào)，在儀表放大電路輸出端加一個(gè)反相放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大，得到脈搏波信號(hào)。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(yùn)算放大的放大倍數(shù)A2=-R18/R17，代入相關(guān)參數(shù)得出A2=-30，即脈搏波的放大倍數(shù)達(dá)-192倍。本電路設(shè)計(jì)中的跟隨電壓值也是0.455V，測(cè)得的實(shí)際值是0.449V，在合理誤差范圍內(nèi)。圖 414脈搏波

36、放大電路原理圖4.6 其他電路設(shè)計(jì)4.6.1 JTAG仿真下載電路 JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP(Test Access Port,測(cè)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(biāo)板，由于本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)工作電壓為3.3V，而PC機(jī)并口輸出的邏輯電平是5V，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 JTAG接口電路設(shè)計(jì)圖如圖：圖 415 JTAG接口電路設(shè)計(jì)圖 JTRST、JTDI、JTMS、JTCK和JTDO端分別與單片機(jī)的56、50、46、49和55引腳相連，并且都各加

37、一個(gè)阻值是4.7K的上拉電阻，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)通信功能。4.6.2 泵閥控制電路圖 416 泵閥控制電路設(shè)計(jì) 如圖，用兩個(gè)三極管開關(guān)控制泵、閥的驅(qū)動(dòng)，輸入端PUMP、VALVE控制開關(guān)電路的開啟和關(guān)閉，當(dāng)PUMP、VALVE輸入低電平時(shí)，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(dāng)于開關(guān)的開啟，泵、閥沒有電流通過。同理，當(dāng)PUMP、VALVE輸入高電平時(shí)，由于基極有電流流動(dòng)，使集電極流過更大的電流，負(fù)載回路便被導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)的閉合。VALVE與接入單片機(jī)的23引腳PA7，可進(jìn)行PWM輸入，通過PWM（ Pulse Width Modulation 脈寬調(diào)變）

38、改變占空比方式控制放氣速率本章小結(jié) 本章介紹了元器件的選型，具體介紹了設(shè)計(jì)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(gè)電路設(shè)計(jì)圖，并對(duì)其進(jìn)行解釋，尤其是放大濾波電路部分，是整個(gè)電路的精華部分，信號(hào)的放大倍數(shù)對(duì)電路的測(cè)試和數(shù)據(jù)的處理有重要作用。5 系統(tǒng)驗(yàn)證5.1 硬件調(diào)試與測(cè)試表 51 硬件調(diào)試結(jié)果理論值實(shí)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?yàn)樵诤附与娐钒鍟r(shí)，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(nèi)。5.2 壓力與脈搏的計(jì)算驗(yàn)證首先，將壓力傳感器US9111與標(biāo)準(zhǔn)水銀壓力計(jì)組合起來，使水銀壓力計(jì)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(hào)輸出電壓，從而得到電壓與氣壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系：Pressure = Volt*k + b。然后，執(zhí)行下面步驟：第一，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)讀出氣壓值。第二，在電路板上測(cè)量電壓值。第三，將電壓值與電子壓力計(jì)讀出的氣壓值進(jìn)行對(duì)比。最后，制出電壓壓力關(guān)系表，并在Excel中進(jìn)行圖表制作和線性擬合，得出電壓與氣壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。表 52實(shí)驗(yàn)過程中一共測(cè)得四組壓力與電壓關(guān)系數(shù)據(jù)mmHgV1V2V3V4V-ave00.4770.4750.4730.4780.476200.5110.5120.5150.51