電子血壓的設(shè)計、完整論文及詳細電路

1、 電子血壓計的設(shè)計與制作摘要：血壓指標是一個具有重要生理意義的臨床檢測指標，傳統(tǒng)設(shè)備笨拙，測試條件要求相對嚴格，測量的專業(yè)性強，不利于病人對自己的血壓進行日常監(jiān)測。單片機的廣泛應(yīng)用為血壓測量提供了新的方案，本設(shè)計就是由傳感器，調(diào)理電路、單片機等所共同構(gòu)成的方便實用的血壓測量裝置設(shè)計方案。關(guān)鍵字：血壓、單片機、調(diào)理電路 第1章 緒論1.1 課題研究背景 隨著生活水平的提高，人們對健康的關(guān)注程度也越來越高，生活觀念也同步發(fā)生了很多轉(zhuǎn)變，現(xiàn)階段，相當一部分家庭收入都用于健康保健方面的投資，伴隨生活結(jié)構(gòu)及方式的不斷變化，醫(yī)療器械及醫(yī)療電子類測量設(shè)備的使用也將越來越普遍，隨之而來的將會是醫(yī)療設(shè)備市場規(guī)模

2、的迅猛增長。血壓是人類健康的一個重要的生理指標，正常的血壓是保證身體健康的一個重要條件，及時掌握個人血壓的變化情況，了解血壓的測量結(jié)果對因血壓引起的各類疾病的防治、診斷及治療都具有重要的臨床意義。1.2 研究課題的提出本文研究的綜合血壓檢測系統(tǒng)基于電子血壓計為基礎(chǔ)進行研究與設(shè)計。血壓檢測設(shè)備當前是一個非常熱門的研究領(lǐng)域。其中最典型的研究就是電子血壓計?？v觀國內(nèi)外電子血壓計的發(fā)展狀況，目前國內(nèi)生產(chǎn)的電子血壓計性能指標與國外先進產(chǎn)品相比尚有差距，其根本原因在于產(chǎn)品質(zhì)量不高，缺乏統(tǒng)一的國家標準，各企業(yè)的標準也參差不齊，彼此差異較大，缺乏可比性。中國有13億人口，31萬個醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)，醫(yī)療器械有廣闊的

3、市場。中國是全球醫(yī)療器械十大新興市場之一，己成為除日本以外亞洲最大的市場。隨著醫(yī)學知識的普及和自我保健意識的提高，人們開始重視對自身血壓的日常監(jiān)測，中國目前血壓計潛在需求總量在30003500萬臺左右，消費市場主要集中在城市，而且基本上是一線大型城市。目前主要大城市電子血壓計配置相對較高，中小城市配置率低，農(nóng)村基本是沒有開發(fā)的市場。結(jié)合中國目前的電子血壓計發(fā)展狀況及潛在的市場前景，開展對血壓檢測產(chǎn)品的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義?；谏厦娴姆治?，針對目前市場上電子血壓計存在的一些共性問題，本文提出了一種綜合性的血壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計，本系統(tǒng)致力于研究及設(shè)計系統(tǒng)功能強大，性能優(yōu)越，便于攜帶，經(jīng)濟實惠，

4、既適合家庭用又適合醫(yī)院用。第2章 血壓測量原理及方法2.1 血壓測量原理血液在血管內(nèi)流動和水在平整光滑的河道內(nèi)流動一樣，通常是沒有聲音的，但當水通過狹窄的管道形成渦流時，則可發(fā)出聲音，測量人體血壓的血壓計就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。心臟時刻都在對血液施加壓力，血液不斷地在血管里面流動，當進行血壓測量時，通過氣泵對袖帶進行充氣，當袖帶達到一定壓力的時候就會阻斷血液的流動，當血流完全阻斷時，通過氣閥進行放氣，血液的流動就會發(fā)出聲音及產(chǎn)生振動波形，血壓的測量就是根據(jù)血流聲音及振動波形的變化進行判定的。2.2 血壓測量方法血壓測量的起源追溯到18世紀，牧師Stephen Hales將一個充滿水的玻璃管插到

5、動物的動脈管里，根據(jù)最終水柱保持的高度來測得動物的血壓值。該牧師被稱為血壓測量第一人。此舉對血壓測量的發(fā)展具有非常重要的意義，為后期血壓測量奠定了醫(yī)學基礎(chǔ)，直至20世紀初期血壓測量被引入到臨床應(yīng)用。目前市場上主流血壓檢測設(shè)備主要采用柯氏音法及示波法這兩種方式進行測量，這也是兩種最方便，最適合于普通用戶的測量方式，下面分別對這兩種測量方式的測量原理及方法予以介紹。2.2.1柯氏音法柯氏音法由俄國醫(yī)生Korotkov在1905年提出，迄今在臨床上仍是一種較為普遍的測量方法，柯氏音測量法又可分為人工柯氏音法和電子柯氏音法兩種。目前應(yīng)用最好的人工柯氏音測量方法就是水銀式血壓計，它有一個充氣袖帶，用聽診

6、器聽柯氏音的方法進行測壓，水銀柱的高度指示的是氣袖內(nèi)的壓力，氣袖壓能傳遞到動脈壁，給氣袖加壓直到能使動脈壁閉合，然后將氣袖逐步降壓，當氣袖壓剛好等于收縮壓時，血管被沖開，聽診器能聽到柯氏音，此時的氣袖壓就是收縮壓，氣袖壓繼續(xù)下降，直到剛好低于舒張壓時柯氏音消失，這樣也就測得了舒張壓。目前，在血壓測量的智能化方面提出了一些新的設(shè)想，技術(shù)原理仍是基于電子柯氏音測量原理發(fā)展起來的，將醫(yī)學界普遍認可的柯氏音法血壓測量原理、人體仿真?zhèn)鞲袦y量技術(shù)、信息識別技術(shù)、計算機控制技術(shù)有機地結(jié)合在一起，形成的電腦智能仿真耳柯氏音法，使電腦可以模仿人耳進行偵聽柯氏音并記錄和智能判斷，從而實現(xiàn)準確地測得被測者袖帶內(nèi)的壓

7、力，將此壓力信息不失真?zhèn)鬏斀o計算機控制系統(tǒng)。這樣就可以同樣準確地得到收縮壓和舒張壓的值，達到與傳統(tǒng)的“汞血壓計”相同的測量效果。2.2.2 示波法示波法，又稱為振動法或測振法。這是當前電子血壓測量設(shè)備普遍采用的一種間接式測量方法，示波法測量的原理就是建立起血壓與袖帶壓力之間的一種函數(shù)關(guān)系來對血壓值進行判斷。經(jīng)相關(guān)研究表明脈搏波與血壓之間有一種較為穩(wěn)定的關(guān)系，該方法具有操作簡單，抗噪聲干擾能力強，無需拾音器件。采用示波法比聽音法準確度更高。2.3 收縮壓與舒張壓的判定示波法是目前電子血壓檢測設(shè)備普遍采用的一種測量方法，而示波法從測量原理上又可以分為波形特征法和幅度系數(shù)法兩大類。在醫(yī)學上，示波法起

8、初用于測量平均壓，而臨床上通常用收縮壓和舒張壓兩個參數(shù)來反映血壓情況，因此，采用示波法對收縮壓及舒張壓進行研究也得到進一步探索。目前，示波法測量血壓尚無統(tǒng)一的判定標準，不同的檢測設(shè)備采用的判定標準及算法均有所不同，但示波法是目前各類血壓檢測設(shè)備很受歡迎的一類檢測方法。2.4 系統(tǒng)的性能參數(shù)和技術(shù)指標2.4.1.技術(shù)參數(shù)（1）量程：本系統(tǒng)血壓計量程為300mmHg。（2）分辨率：顯示分辨率為1mmHg。（3）可重復(fù)性：在靜態(tài)連續(xù)低壓狀態(tài)下測量，在刻度范圍內(nèi)每一點重復(fù)測量的讀數(shù)之間，相差應(yīng)不大于0.533kPa（4mmHg）.所有讀數(shù)應(yīng)符合壓力傳感器準確性中的要求。（4）充氣源：充氣源應(yīng)能在10s

9、內(nèi)提供足夠的空氣使得200cm3（12立方英寸）的容器內(nèi)的壓力達到40kPa（300mmHg）。（5）氣閥袖帶放氣率：當氣閥處于壓力自控位置（使用配套的袖帶）時，從33.33 kPa（250mmHg）降到6.67kPa（50mmHg）的降壓速度應(yīng)不低于0.267kPa/s（2mmHg/s）。（6）沖氣囊：袖帶氣囊的長度大約為袖帶覆蓋肢體周長的0.8倍，修改氣囊的寬度最好是長度的一半。氣囊及整個管路應(yīng)能承受袖帶預(yù)期使用的最大壓力。（7）袖帶：尺寸，袖帶氣囊的長度大約為袖帶預(yù)期使用范圍的正中線位置所丈量的肢體周長的0.8倍，袖帶氣囊的寬度最好是長度的一半。耐壓力，袖帶、一體化氣囊以及整個管路應(yīng)能承

10、受的內(nèi)部壓力等于袖帶所預(yù)期使用的最大壓力。2.4.2 安全指標（1）最大袖帶壓：公用、家用及其他無人監(jiān)管下使用的設(shè)備，應(yīng)提供一種限制壓力的措施確保袖帶壓不超過40kPa（300mmHg）。設(shè)備應(yīng)保證袖帶壓處在2kPa（15mmHg）以上的時間不超過3分鐘。對于可用于新生兒模式的血壓測量系統(tǒng)應(yīng)提供一種限制壓力的措施以保證袖帶壓決不會超過20kPa（150mmHg）。另外，設(shè)備應(yīng)保證袖帶壓處在0.67kPa（5mmHg）以上的時間不超過90秒。（2）泄氣：設(shè)備應(yīng)提供一種簡單易懂且清楚標識的措施允許使用者給袖帶放氣。在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從34.67kPa（260mmHg）降到2k

11、Pa（15mmHg）的時間不應(yīng)超購10秒。對于可用于新生兒模式的血壓測量系統(tǒng)，在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從20kPa（150mmHg）降到0.67kPa（5mmHg）的時間不應(yīng)超過5秒。（3）電氣安全性：設(shè)備應(yīng)滿足GB9706.1-2007中規(guī)定的要求。（4）電磁兼容性：設(shè)備應(yīng)滿足YY0505-2005中規(guī)定的要求。第3章 具體設(shè)計過程 本設(shè)計以壓力傳感器、單片機、液晶顯示器等元器件為主體，通過外圍電路的連接，設(shè)計構(gòu)成便攜式數(shù)字血壓計。其必須滿足能夠測量出人體的血壓信號，能夠進行收縮壓和舒張壓的判別以及進行相應(yīng)的運算，能夠在液晶顯示器上顯示出所測得的收縮壓與舒張壓的值。設(shè)計的總體

12、框圖如下所示：3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1傳感器簡介 氣壓傳感器采用US9116-00，如圖3.1.1。該型傳感器是一款專為電子醫(yī)療器械（電子血壓計）開發(fā)的氣體壓力傳感器，標稱壓力為5.8PSI(300mmHg)，采用標準的小型DIP-6塑膠封裝，代替NAIS ADP4系列、Honeywell HPX系列壓力傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強等優(yōu)點，具有低廉的價格，替換性好等特點，主要適用于腕式臂式電子血壓計、醫(yī)療按摩器等需要控制氣體壓力的設(shè)備和器械中 。圖 3.1.13.1.2 前置放大電路設(shè)計 前置放大電路如圖3.1.2所示。設(shè)計采用AD620芯片，為電路提供約55倍的放

13、大。 設(shè)計的電路圖如下所示：圖 3.1.23.1.3 濾波電路設(shè)計 微弱脈搏波信號BP (一般0.1-30Hz左右)疊加在袖帶壓力信號CP(0.04Hz)上。如何提取出比較純 凈的脈搏波信號是本設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。思路是首先進行低頻濾波，濾除直流袖帶壓力信號，再對高頻的脈搏波信號進行放大。但由于脈搏波信號非常微弱，應(yīng)盡量減少濾波放大環(huán)節(jié)，從而減少干擾引入的機會。因此本設(shè)計采用一個截止頻率38hz的高通濾波器和一個截止頻率0.6hz的低通濾波器組成一個帶通濾波器來對脈搏信號進行濾波，電路圖如下所示：仿真結(jié)果如下所示：由仿真結(jié)果圖可知，帶通濾波器的幅頻特性滿足要求。另外為了使輸出效果明顯，在濾波之

14、后又加了一個二級放大電路，電路和前置放大電路類似。3.1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換與單片機接口電路模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用ADC0832芯片實現(xiàn)功能，ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。本文設(shè)計的電子血壓計只要兩路模擬通道IN-0 和IN-1，所以此處選用0832即可，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實

15、現(xiàn)通道功能的選擇。單片機對ADC0832 的控制原理：正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。具體仿真電路如下：仿真結(jié)果如圖所示：當輸入兩路電壓時，通過單片機相應(yīng)的程序控制，最后就會在液晶顯示器上顯示出相應(yīng)的電壓值。3.2 軟件設(shè)計 程序流程圖如下所示：主程序依此調(diào)用5個模塊： (1)處理模塊 判斷鍵盤的當前狀態(tài)（是否開/關(guān)電源），執(zhí)行相應(yīng)的操作。(2)測量模塊 測量信號為二路，壓力傳感器的信號經(jīng)放大送AD1，作為靜態(tài)血壓信號

16、；隔直后經(jīng)再次放大送AD2，作為脈搏波信號。由于傳感器的AD為10位，因此最高精度可達1/1024。采樣后的信號經(jīng)信號處理模塊的處理，最終計算得到收縮壓。舒張壓和心率。(3)信號處理模塊 主要功能是脈搏波的判斷和檢測，主要分為兩步：第一步，對A/D采樣的脈搏波信號進行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號讀數(shù)的誤差；第二步，采用相關(guān)運算，最大程度的排除因手臂的運動造成的誤差。在這基礎(chǔ)上，分析信號，得到波形的峰值供判斷收縮壓，舒張壓和平均壓），得到每個脈搏波的時間。 (4)顯示模塊 主要顯示3種信息：測量過程顯示當前壓力值、漏氣速率；測量結(jié)束后分別以mmHgH和Kpa方式滾動顯示收縮壓、舒張壓及

17、心率；校準狀態(tài)下顯示當前壓力值、漏氣速率。(5)串行通信模塊采用PC機主叫的中斷方式，一旦接到PC機發(fā)來的命令，對血壓進行初始值的設(shè)定，主要包括起始加壓值，每次的壓力遞增值和最高壓力限制。3.3 脈搏波的計算 脈搏波的判斷和檢測，采用相關(guān)運算，最大程度的排除因手臂的運動造成的誤差。在這基礎(chǔ)上，分析信號，得到波形的峰值（供判斷收縮壓，舒張壓和平均壓），脈搏波判斷模塊流程圖如圖：第4章 系統(tǒng)測試及結(jié)論系統(tǒng)測試部分主要分為前置放大電路的測試、帶通濾波的測試、AD轉(zhuǎn)換部分的測試及總體測試。4.1 前置放大電路測試 用示波器對輸出信號進行顯示，如圖所示：根據(jù)波形圖計算出實際放大倍數(shù)： A=3.72V/7

18、0mV=53.1和理論放大倍數(shù)相差無幾。4.2 帶通濾波電路的測試脈搏波信號的頻率范圍為0.639Hz。設(shè)計截止頻率為39Hz的低通濾波器和截止頻率為0.6Hz的高通濾波器，來提取脈搏波信號。帶通濾波器在濾波的同時提供4倍的放大。測試過程如下所示：（1）（2）（3） 由上面的三組圖可知，輸入信號的幅值選擇為1V，頻率分別為0.5Hz、20Hz和40Hz，由示波器顯示結(jié)果可知當頻率為0.5和40時，幅值出現(xiàn)衰減，20時幅值正常，從而得出結(jié)論，本次帶通濾波器的設(shè)計滿足要求。4.3 放大濾波整體測試由上面的設(shè)計可知，整體放大倍數(shù)為200左右，測試效果如下所示：由輸入輸出的波形幅值可知，放大倍數(shù)為20

19、0左右 ，滿足要求。4.4 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計AD轉(zhuǎn)換模塊選用ADC0832芯片，與單片機相連，在LCD上顯示數(shù)值結(jié)果。測試結(jié)果如下所示：如上圖所示，當用電源提供一個2.1V的電壓時，最后在顯示屏顯示的數(shù)值為2.156V，雖然有些偏差，但基本滿足設(shè)計需要。4.5 脈搏波的測試效果經(jīng)過前面的放大和濾波，最后用該電路裝置檢測人體的脈搏波，其波形圖如下所示： 這是在20S的時間內(nèi)測試的一段波形，根據(jù)人體在一分鐘內(nèi)正常的脈搏跳動次數(shù)，這個波形符合實際情況。為了使結(jié)果更具有說服了，我們記錄了加壓和放氣時波形的整個過程，其中的幾個波形如下所示：開始時為加壓時情況，然后信號幅值很小，說明信號很弱，后來信號增大，并且在一瞬間有一個最大值，接著再次減弱，在一分鐘左右減為零。第五章 總結(jié)與展望本文在基于對市場上存在的血壓檢測設(shè)備的調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上提出了血壓檢測系統(tǒng)新的設(shè)計方案，在己有的設(shè)備基礎(chǔ)上做了很大的改進工作，其功能及性能都有了很大提高，實用性更強，隨著電子技術(shù)、集成電路、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的不斷發(fā)展，本文提出一些新的改進設(shè)想，主要包括以下幾方面:1. 考慮增加心電檢測功能，這也是人體生理的一個重要指標，可以在檢測血壓的過程中同步檢測。2. 引入藍牙技術(shù)，通過藍牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，這樣患者在診斷的過程中即可將測量數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)主機進行處理。3. 引入GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)