電子血壓的設計、完整論文及詳細電路

1、 電子血壓計的設計與制作摘要：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。單片機的廣泛應用為血壓測量提供了新的方案，本設計就是由傳感器，調理電路、單片機等所共同構成的方便實用的血壓測量裝置設計方案。關鍵字：血壓、單片機、調理電路 第1章 緒論1.1 課題研究背景 隨著生活水平的提高，人們對健康的關注程度也越來越高，生活觀念也同步發(fā)生了很多轉變，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，伴隨生活結構及方式的不斷變化，醫(yī)療器械及醫(yī)療電子類測量設備的使用也將越來越普遍，隨之而來的將會是醫(yī)療設備市場規(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進行研究與設計。血壓檢測設備當前是一個非常熱門的研究領域。其中最典型的研究就是電子血壓計?？v觀國內外電子血壓計的發(fā)展狀況，目前國內生產的電子血壓計性能指標與國外先進產品相比尚有差距，其根本原因在于產品質量不高，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，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，農村基本是沒有開發(fā)的市場。結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)的設計，本系統(tǒng)致力于研究及設計系統(tǒng)功能強大，性能優(yōu)越，便于攜帶，經濟實惠，

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流動和水在平整光滑的河道內流動一樣，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這個原理設計的。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)出聲音及產生振動波形，血壓的測量就是根據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，直至20世紀初期血壓測量被引入到臨床應用。目前市場上主流血壓檢測設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想，技術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、信息識別技術、計算機控制技術有機地結合在一起，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)關系來對血壓值進行判斷。經相關研究表明脈搏波與血壓之間有一種較為穩(wěn)定的關系，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)和技術指標2.4.1.技術參數(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）可重復性：在靜態(tài)連續(xù)低壓狀態(tài)下測量，在刻度范圍內每一點重復測量的讀數(shù)之間，相差應不大于0.533kPa（4mmHg）.所有讀數(shù)應符合壓力傳感器準確性中的要求。（4）充氣源：充氣源應能在10s

9、內提供足夠的空氣使得200cm3（12立方英寸）的容器內的壓力達到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。氣囊及整個管路應能承受袖帶預期使用的最大壓力。（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能承

10、受的內部壓力等于袖帶所預期使用的最大壓力。2.4.2 安全指標（1）最大袖帶壓：公用、家用及其他無人監(jiān)管下使用的設備，應提供一種限制壓力的措施確保袖帶壓不超過40kPa（300mmHg）。設備應保證袖帶壓處在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，設備應保證袖帶壓處在0.67kPa（5mmHg）以上的時間不超過90秒。（2）泄氣：設備應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）的時間不應超過5秒。（3）電氣安全性：設備應滿足GB9706.1-2007中規(guī)定的要求。（4）電磁兼容性：設備應滿足YY0505-2005中規(guī)定的要求。第3章 具體設計過程 本設計以壓力傳感器、單片機、液晶顯示器等元器件為主體，通過外圍電路的連接，設計構成便攜式數(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。設計的總體

12、框圖如下所示：3.1 硬件電路設計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。具有結構簡單、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備和器械中 。圖 3.1.13.1.2 前置放大電路設計 前置放大電路如圖3.1.2所示。設計采用AD620芯片，為電路提供約55倍的放

13、大。 設計的電路圖如下所示：圖 3.1.23.1.3 濾波電路設計 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計的一個關鍵問題。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：仿真結果如下所示：由仿真結果圖可知，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)轉換與單片機接口電路模數(shù)轉換部分采用ADC0832芯片實現(xiàn)功能，ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。本文設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，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉換時間僅為32S，據有雙數(shù)據輸出可作為數(shù)據校驗，以減少數(shù)據誤差，轉換速度快且穩(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 與單片機的接口應為4條數(shù)據線，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，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據線上使用。具體仿真電路如下：仿真結果如圖所示：當輸入兩路電壓時，通過單片機相應的程序控制，最后就會在液晶顯示器上顯示出相應的電壓值。3.2 軟件設計 程序流程圖如下所示：主程序依此調用5個模塊： (1)處理模塊 判斷鍵盤的當前狀態(tài)（是否開/關電源），執(zhí)行相應的操作。(2)測量模塊 測量信號為二路，壓力傳感器的信號經放大送AD1，作為靜態(tài)血壓信號

16、；隔直后經再次放大送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，采用相關運算，最大程度的排除因手臂的運動造成的誤差。在這基礎上，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，采用相關運算，最大程度的排除因手臂的運動造成的誤差。在這基礎上，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，從而得出結論，本次帶通濾波器的設計滿足要求。4.3 放大濾波整體測試由上面的設計可知，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轉換模塊設計AD轉換模塊選用ADC0832芯片，與單片機相連，在LCD上顯示數(shù)值結果。測試結果如下所示：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，但基本滿足設計需要。4.5 脈搏波的測試效果經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的時間內測試的一段波形，根據人體在一分鐘內正常的脈搏跳動次數(shù)，這個波形符合實際情況。為了使結果更具有說服了，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 總結與展望本文在基于對市場上存在的血壓檢測設備的調查與分析的基礎上提出了血壓檢測系統(tǒng)新的設計方案，在己有的設備基礎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、集成電路、網絡技術等的不斷發(fā)展，本文提出一些新的改進設想，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，通過藍牙實現(xiàn)數(shù)據的無線傳輸，這樣患者在診斷的過程中即可將測量數(shù)據傳送到相關主機進行處理。3. 引入GPRS無線網絡接入技術，通過GPRS無線網絡