基于單片機的電子血壓計設(shè)計

1、基于單片機的電子血壓計設(shè)計摘 要單片機以其卓越的性能，得到廣泛的應(yīng)用，以深入到各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)，在醫(yī)學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，血壓測量的準確與否直接關(guān)系到人們的健康?，F(xiàn)代人患心血管疾病呈低齡化趨勢，所以隨時關(guān)注我們的血壓狀況對我們百利無害。本論文討論了以AT89C51單片機為核心的電子血壓計測量原理。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，計算出收縮壓、舒張壓和脈搏。重點介紹了單片機及濾波電路的設(shè)計。首先依據(jù)示波法和脈搏波理論設(shè)計了血壓測量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。該方案硬件電路以AT89C51單片機為核心，包括信號采集處理電路，A/

2、D轉(zhuǎn)換電路，控制按鈕電路和顯示電路等幾大部分。本文對以上幾個部分的軟硬件設(shè)計作了詳細的闡述，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)計方法和相應(yīng)的軟件程序。討論說明了各部分電路點的工作原理，以及其軟硬件的具體設(shè)計。關(guān)鍵詞：單片機；血壓；血壓計；示波法；脈搏波The design of portable blood pressure monitorAbstractSingle chip with its superior performance, are widely used to drill in various fields has become a matu

3、re 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 our blood pressure

4、 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 pulse signal o

5、btained 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 as the core, inc

6、luding 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 design, introduced

7、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 and software. Key

8、words: Single-chip；blood pressure；Sphygmomanometer；Oscillometric method；pulse waveform目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 背景11.2 血壓測量方法11.3 血壓計測量現(xiàn)狀22 血壓計設(shè)計原理32.1 示波法測量血壓原理32.1.1 示波法概述32.1.2 示波法原理32.2 設(shè)計的總體思路43 濾波電路設(shè)計63.1 傳感器63.1.1 壓力傳感器簡介63.1.2 壓力傳感器的選用63.2 濾波器設(shè)計73.2.1 濾波器概述73.2.2 低通濾波器設(shè)計93.2.3 帶通濾波器設(shè)計114 單片機系

9、統(tǒng)設(shè)計154.1 單片機AT89C51154.2 時鐘及復位電路設(shè)計174.3 ADC0809轉(zhuǎn)換電路及內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件184.3.1 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)184.3.2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件194.3.3 ADC0809的運行時序224.4 自動充放氣電路的設(shè)計224.5 控制按鈕電路與顯示電路234.5.1 控制按鈕電路設(shè)計244.5.2 顯示電路245 軟件設(shè)計265.1 血壓信號采集265.2 控制按鈕及顯示電路程序設(shè)計285.2.1 控制按鈕程序設(shè)計285.2.2 液晶顯示程序設(shè)計29結(jié)論30致謝31參考文獻32附錄3336基于單片機的電子血壓計設(shè)計1 緒論1.1背景隨著人們

10、生活水平的不斷提高，心血管疾病特別是高血壓、動脈硬化疾病的發(fā)病率和死亡率較30年前有了明顯提高，據(jù)統(tǒng)計全世界死亡人數(shù)中，約有三分之一死于此類疾病，很多病人由于沒能及時發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而死于非命。因此，對人體的血壓準確地測量，及時的預(yù)防和治療心血管疾病，具有非常重要的意義。動脈血壓一般也簡稱血壓，表示血液在動脈血管內(nèi)流動時對血管壁所施加的壓力。動脈血壓在循環(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。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)就要影響其正常活動。血壓過高則增加心臟和血管的負荷，心臟必須

11、加強收縮才能完成射血任務(wù)，嚴重時可引起心室擴大，心輸出量減少，使循環(huán)功能發(fā)生障礙，血壓過高還可導致血管破裂，嚴重時要影響生命。因此動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的研究，讓人們隨時可以在家里測量自己的血壓，隨時關(guān)注自己的血壓情況，及早發(fā)現(xiàn)問題，能及時的去醫(yī)院就診，所以，及時、準確地掌握自己血壓高、低壓變化的情況，適時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管插入欲測部位的血管或心臟內(nèi)，通過導管內(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變

12、壓器、電容式傳感器等相連，從而測出導管端部的壓力。另一種形式是把傳感器放在導管的末端，直接測出端部所在點的血壓值。這種方法的優(yōu)點是測量準確，并能進行連續(xù)測量。但它必須經(jīng)皮膚將導管插入血管內(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脈后，隨后緩慢放氣，在袖帶下或動脈的遠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

13、袖帶內(nèi)壓力波動的形式作為判據(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)了很多自動及半自動的血壓間接測量系統(tǒng)，即各種類型的數(shù)字血壓計。本次設(shè)計利用示波法原理來設(shè)計一種血壓計對血壓測量，該血壓計能夠?qū)ζ骄鶋海湛s壓，舒張壓測量，分別對這三種血壓計進行顯示。論文主要包括研究包括：對示波法原理的學習與研究；設(shè)計濾波電路對從壓力傳感器輸出的袖帶壓力信號、脈搏波信號的獲??；設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路對模擬信號數(shù)字化處理；設(shè)計液晶顯示電路對其三種血壓的顯示；以及自動充放氣電路和鍵盤電路。研究學習血壓算法，編寫血壓判定程序?qū)ζ骄鶋?、收縮壓、舒張壓

14、的計算。 1.3血壓計測量現(xiàn)狀以往測量血壓都使用氣壓式血壓計，這種血壓計除醫(yī)生外一般人不容易掌握，且自己為自己測量多有不便 。現(xiàn)代電子科學技術(shù)的發(fā)展使這一測量儀器也進人了電子時代電子血壓計。早期的電子血壓計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。電子血壓計是利用現(xiàn)代電子技術(shù)與血壓間接測量原理進行血壓測量的醫(yī)療設(shè)備。電子式血壓計，其優(yōu)點為：使用簡易，可一人獨自操作；測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計具備了諸多優(yōu)點，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)療機構(gòu)1。 2 血壓計設(shè)計原理2.1 示波法測量血壓原理在硬件電路設(shè)計之

15、前，必須知道本系統(tǒng)的軟件算法分析是基于什么理論的，也就是說必須知道系統(tǒng)所需要提取的是什么信號。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說明。2.1.1 示波法概述 示波法（Oscillometric method），也稱為振動法或測振法。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，理論計算和實踐均證明此振蕩波與動脈收縮壓、平均壓及舒張壓有一定函數(shù)關(guān)系。2.1.2 示波法原理示波法血壓測量中采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，當動脈血流被阻斷時，由于近端血液的脈動，在袖帶內(nèi)可以檢測出

16、動脈血流產(chǎn)生的氣壓振動波。首先，將袖帶充氣到高于收縮壓20mmHg左右，然后使袖帶緩慢放氣。當袖帶內(nèi)壓力等于收縮壓（PS）時，振動波幅度增大，隨著袖帶內(nèi)壓力不斷降低，振動波幅度不斷增大。當袖帶內(nèi)壓力等于平均壓(PM)時，動脈管壁處于去負荷狀態(tài)，振動波幅度達到最大。當袖帶內(nèi)壓力小于平均壓時振動波幅值逐漸減小，袖帶內(nèi)壓力小于舒張壓(PD)以后，動脈管壁在舒張期已充分擴張，管壁剛性增加，而振動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),來識別動脈收縮壓、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

17、細研究降壓曲線，讓信號通過二個不同頻帶的模擬通道，分別得到圖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圖2-2(c)和動脈壓力波圖2-2(b)結(jié)合算法可以求出血壓。2.2 設(shè)計的總體思路本論文討論的是基于單片機的電子血壓計設(shè)計，是以單片機為核心的電子控制系統(tǒng)在醫(yī)學上的應(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行充放氣來獲取壓力信號和脈搏波，所以必

18、須用單片機來控制充氣與放氣。要使單片機與血壓產(chǎn)生聯(lián)系就必須要使用傳感器，自然地就會用到壓力傳感器。通過壓力傳感器傳送得到的電信號還不能被單片機分析應(yīng)用，這就需要對電信號的處理與轉(zhuǎn)換。電信號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)字信號供單片機分析計算得出結(jié)果存儲，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的智能化要求，血壓計總體框圖如圖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)，由單片機控制氣泵向袖帶充氣，同時通過壓力傳感器采集壓力信號并設(shè)定充氣的最大值，當袖帶壓達到預(yù)定值時停止充氣。此時，肱動脈血管受壓迫停止脈動，然后通過單片機控制放氣閥進行緩慢放氣，使袖

19、帶壓力逐步減小，當袖帶壓下降到肱動脈收縮壓以下時，肱動脈開始搏動，并隨著袖帶壓的下降不斷加強。袖帶壓力和肱動脈上的脈動信號經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，對此電壓信號進行放大與兩路濾波處理，可以得到幅值適當?shù)囊宦沸鋷盒盘柡鸵宦访}搏波信號，將其經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機進行分析處理，計算結(jié)果并進行顯示3。袖 帶充氣泵放氣閥A/D轉(zhuǎn)換電路顯示器濾波電路壓力傳感器袖帶壓力信號脈搏波信號單片機鍵 盤圖2-3 血壓計設(shè)計系統(tǒng)總體框圖3濾波電路設(shè)計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。3.1.1 壓力傳感

20、器簡介通常所說的壓力傳感器也包括壓強傳感器，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)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、價格低以其較好的線性和頻率響應(yīng)等特點。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，因為經(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才的保存。但實際情況并非如此，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。3.1.2 壓力傳感器的選用系統(tǒng)中需要用壓力傳感器模塊將袖帶內(nèi)壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。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

21、-電信號轉(zhuǎn)換公式簡單，節(jié)約軟硬件設(shè)計；方差小則濾波后脈動壓力信號噪聲小。本次設(shè)計采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MPX5050GP壓阻式壓力傳感器，該傳感器是被廣泛應(yīng)用的先進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)合了先進的微加工技術(shù)，薄膜金屬化和雙極處理，提供了一個正比于施加壓力的準確的高層次模擬輸出信號。其運行特性如下：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)時間：1ms準確性：2.5 %V工作溫度：085該傳感器不僅線性度

22、好，而且還具有精度高、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，這就保證了提取的脈搏波信號失真小，提高了后面血壓的可靠性4。傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下所示：VOUT=VS*（0.018*P+0.04） （3-1）其中，VS為傳感器供電電壓，單位為VP為所需轉(zhuǎn)換的壓力信號，單位為kPaVOUT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如圖3-1所示。圖3-1 壓力輸入(Kpa)與輸出信號幅值(V)3.2 濾波器設(shè)計從壓力傳感器輸出的信號不僅包含了袖帶壓信號和脈搏波信號，而且也包含了大量的噪聲。模擬信號處理電路的任務(wù)就是從噪聲中提取袖帶壓信號和脈搏波信號，并將它們調(diào)整到適當?shù)碾娖捷敵鼋oA/D轉(zhuǎn)換

23、電路,其電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。袖帶壓信號低通濾波器壓力傳感器輸出電壓信號帶通濾波器脈搏波信號圖3-2 模擬信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖3.2.1 濾波器概述濾波器是一種頻域變換電路。它能讓制定頻段的信號順利通過，甚至還能放大，而對非自定的信號予以衰減。僅采用R、L、C元件組成的濾波器稱無源濾波器，含有晶體管或運算放大器的稱為有源濾波器，本設(shè)計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

24、須消除低頻、甚至直流信號的影響的場合。RC耦合電路，就有效地隔離了零漂等慢變化和兩級的直流信號。帶通濾波器主要用于遴選出有用頻段的信號，而削弱其他非有用頻段的信號或干擾和噪聲。帶阻濾波器主要是摒除某指定頻段的信號，而允許非指定頻段所有的信號通過5。按通帶截止頻率f0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；切比雪夫濾波器在通帶或者在阻帶頻率有波動；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

25、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倍時的頻率，有時又稱為-3dB頻率。 fp=f0=1/2兀RC

26、（3-5）上式中，f0稱為特征頻率6。3.2.2 低通濾波器設(shè)計在放氣過程中，袖帶壓力緩慢變化的，因此，袖帶壓信號是一種低頻信號。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。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，和無限增益多路負反饋二階濾波電路。壓控電壓源二階濾波電路特點：運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，濾波器相當于一個電壓源。其優(yōu)點：電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路負反饋二階濾波電路特點是：運算放大器的開環(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：輸出電壓與

27、輸入電壓的相位相反，元件較少，但增益調(diào)節(jié)不便。 圖3-5 典型二階VCVS低通濾波器在上圖中，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點可得： U+ =U- =R3*U0/(R3+R4) （3-6）AVP=U0/Ui=(R3+R4)/R3；AVP=1+R4/R3 根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)：VOUT=VS*（0.018*P+0.04）可得：VOUT在0.2V4.54V之間的情況，所以Avp=1，為了滿足增益令=，即放大器反向輸入端對地相當于開路。其傳遞函數(shù)為： H(s)=AVPb0/(s+b1s+b0):b0=1/R1R2C1C2;b1=(1/R1C1)*(1-AVP)+1/C2(1/R1+1/R2) (3-7)

28、為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響，應(yīng)使： R1+R2=R4R3/(R3+R4) (3-8) 將上式與AVP=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，=15K，=30K。由于R3=，所以R4為任意值均能滿足Avp=1，本設(shè)計中，令R4=0即短路，

29、本設(shè)計中采用的低通濾波器如圖3-6所示。 圖3-6 設(shè)計中采用二階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3.2.3 帶通濾波器設(shè)計一般認為，肱動脈處脈搏波信號的頻率范圍為0.66.4Hz，這個范圍基本能夠涵蓋正常和異常情況下的脈搏波信號及其個體差異。為此我們將設(shè)計一個帶通濾波器來實現(xiàn)對這段頻帶范圍內(nèi)信號的采集。帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。從原理上說，將一個通帶頻率為f2的低通濾波器與一個通帶頻率為f1的高通濾波器串聯(lián)起來，當滿足條件f2>f1時，即可構(gòu)成帶通濾波器，其原理示意圖如圖3-8所示。為此，我們設(shè)計

30、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。2010Au 低通 f2 2010Au 高通 f12010Au 帶通 f1 f2圖3-8 帶通濾波器原理示意圖切比雪夫濾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及其個體差異。巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器輸出的脈動壓力波如圖3-9和圖3-10所示7。圖3-9 切比雪夫濾波器輸出脈動波 圖3-10 巴特沃思濾波器輸出脈動波從圖中可以看出切比雪夫濾波器

31、輸出的脈動波時域包絡(luò)并不明顯，無法計算出血壓，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)計帶通濾波器。（1）高通濾波器設(shè)計本設(shè)計采用巴特沃斯二階壓控電壓源高通濾波器來濾除信號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R5=4.7K，R6=30K，R3=5.1K，R4=4.7K，高通

32、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)計從高通濾波器輸出的信號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低通濾波器電路確定電阻和電容的計算關(guān)系式如同3.2.2的低通濾波器設(shè)計，可知R7=6.2K，R8=3.9K，R9=10K，R10=150K，C6=2u，C7=22u，通帶截止頻率為6.4Hz。由通帶頻率為0.6Hz

33、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8。為以下模擬信號數(shù)字化，數(shù)字信號的處理做好了充分的準備，為設(shè)計能夠順利進行做好了基礎(chǔ)。4 單片機系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)的CPU是由單片機來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)中，單片機需要完成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。4.1單片機AT89C51AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128bytes的隨機數(shù)

34、據(jù)存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8為中央處理器和Flash存儲單元。AT89C51高性價比，能適用于各種控制領(lǐng)域。本設(shè)計采用的40引腳雙列直插封裝(DIP)的AT89C51單片機引腳分配如圖4-1所示。圖4-1 80C51單片機引腳各引腳功能如下：Vss(20)：接地。 Vcc(40)：接+5V電源。XTAL1(19)和XTAL2(18)：在使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時鐘時，則用來輸入時鐘脈沖。RST/VPD(9)：RST是復位信號輸入端。當此輸入端保持兩個機器周期(24個振

35、蕩周期)的高電平，就可以完成復位操作。第二功能是VPD，即備用電源輸入端，當主電源發(fā)生故障，降低到規(guī)定的低電平以下時，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/(30)：ALE是地址鎖存允許信號，在訪問外部存儲器時，用來鎖存由P0口送出的低8位地址信號。在不訪問外部存儲器時，ALE以振蕩頻率1/6的固定速率輸出脈沖信號。因此它可用作對外輸出的時鐘。但要注意，只要外接有存儲器，則ALE端輸出的就不再是連續(xù)的周期脈沖信號了。第二功能是用于對8751片內(nèi)EPROM編程的脈沖輸入端。 (29)：它是外部程序存儲器ROM的讀選通信號。在執(zhí)行訪問外部ROM指令的時候，會自

36、動產(chǎn)生信號，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器RAM或訪問內(nèi)部ROM時，不產(chǎn)生信號。 EA/ VPP (31)：訪問外部存儲器的控制信號。當EA為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但當程序計數(shù)器PC的值超過0FFFH(對8051/80C51/8751)或1FFFH(對(8052)時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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)總線復用口，作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門，對端口寫“1”可作為高阻輸入

37、端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8為雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個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。此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8為雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個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。此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引

38、腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX DPTR指令）時，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)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI指令）時，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口能驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個LS型TTL負載。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口引腳第二功能端口接引第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2.INT0(外部中斷 0）P3.3(外部中斷

39、 1）P3.4T0（定時/計數(shù) 0）P3.5T1(定時/計數(shù) 1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）4.2 時鐘及復位電路設(shè)計AT89C51中有一個用于構(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：C1，C2=40PF+10pF 陶瓷諧振器：C1，C2=40pF+10pF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。對外接電容的值雖沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高

40、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1.2MHz12MHz之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，晶振和電容應(yīng)可能安裝得與單片機芯片靠近，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 時鐘電路及復位電路電路圖單片機復位通過外部的復位電路實現(xiàn)。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器

41、周期的S5P2，施密特觸發(fā)器輸出電平有復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電復位和按鍵復位兩種方式。本設(shè)計采用上電復位，上圖中C3為22uF，R3取1K。當電源接通時只要VCC的上升時間不超過1ms，就能實現(xiàn)自動上電復位9。4.3 ADC0809轉(zhuǎn)換電路及內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件4.3.1 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由于經(jīng)過低通濾波和帶通濾波得到的信號為模擬信號，單片機無法對其進行操作和處理，就需要進行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是將時間連續(xù)和幅值連續(xù)的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的N為二進制數(shù)字輸出信號的電路。A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)一般要經(jīng)過采樣、保持、量

42、化、及編碼4個過程。在實際電路中，有寫過程是合并進行的。本系統(tǒng)中，我們需要對袖帶壓力信號和脈動壓力信號的處理，因此選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片至少滿足兩通道輸入同時，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)由于正好是一個字節(jié)處理起來很方便，因此本設(shè)計采用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。它性能價格比較高，市場售價較低，購買也很方便，如圖4-4所示。A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路連接圖，本設(shè)計主要是ADC0809與單片機直接相連，對信號進行轉(zhuǎn)換，送入單片機。 圖4-4 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路單片機通過P2.3、P2.4兩個端口對ADC08

43、09進行控制。P2.3連接到ADC0809的ALE和START兩個端口，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。單片機使用P0口從ADC0809獲得數(shù)據(jù)。其中ALE信號與START信號連在一起，可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿便啟動轉(zhuǎn)換。4.3.2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件ADC08098位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS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)換時間為100uS。ADC0809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

44、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個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用1個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A，B，C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。在某一時刻，模擬開關(guān)只能與一路模擬量通道接通，對該通道進行A/D轉(zhuǎn)換。表4-2中C、B、A是三條通道的地址線。當?shù)刂匪嫘盘朅LE為高電平時，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ALE一0時，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-

45、2所示。表4-2 ADC0809通道選擇表輸入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 A 01010101B 0011 0011C 000011118位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次迫近式，由控制與時序電路、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：IN7IN0：模擬量輸入通道。0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍05V、若信號過小，還需進行放大。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

46、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，用于對模擬通道進行選擇，引腳圖中相應(yīng)為ADDA、ADDB和ADDC。ALE：地址鎖存允許信號。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)換啟動信號。START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清0；START下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為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，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機上輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻態(tài)

47、；OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK：時鐘信號。ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。當EOC0時，正在進行轉(zhuǎn)換；當EOC1時，轉(zhuǎn)換結(jié)束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標志，又可以作為中斷請求信號使用。Vcc：5V電源。Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為5V（Vref(+)+5V、Vref()0V）。4.3.3 ADC0809的運行時序選中通道的模擬量到達A/D轉(zhuǎn)換器時，A/D轉(zhuǎn)換器并未對其進行A/D轉(zhuǎn)換。只有當轉(zhuǎn)換啟動信號端START出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動

48、芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，START的上升沿復位ADC0809。ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進行的。ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時間為100uS左右。當ADC0809用于80C51單片機系統(tǒng)時，若80C51采用6MHz的晶振，這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉(zhuǎn)換時間為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，單片機不能獲取之。單片機要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使ADC0809

49、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)換時序如圖4-7所示。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，在A/D轉(zhuǎn)換期間，EOC維持高電平，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC變成高電平。ADC0809的START端收到下降沿后，并不立即進行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?0。圖4-7 ADC0809 讀、寫、啟動以及A/D轉(zhuǎn)換時序圖4.4 自動充放氣電路的設(shè)計本系統(tǒng)中采用單片機控制充氣泵和放氣閥對袖帶自動充放氣，在操作過程中排除了操作者主觀因素影響，為測量的準確進行提供了必要的前提。自動充氣控制的電路原理圖如圖4-

50、8所示。圖4-8 自動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現(xiàn)。本儀器中采用AT89C51的輸入輸出口P2.1控制充氣泵，P2.2控制放氣閥?？紤]到單片機上電時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，這樣避免了單片機上電時氣泵和氣閥多余的啟停。充氣泵、電磁閥都屬于強電設(shè)備，其作業(yè)會對單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的干擾，所以在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮到電氣隔離問題。單片機控制系統(tǒng)和強電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因為強電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強電設(shè)備和地之間形成強大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地電阻

51、和電容耦合到單片機回路中。消除這些脈沖干擾的最有效方法是使單片機弱電部分和強電控制電路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路。設(shè)計中采用雙級隔離電路來切斷強電設(shè)備充氣泵和電磁閥啟停時引起的沖激干擾。雙級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)動器，RELAY為繼電器線圈，K為相應(yīng)觸點。光隔離器隔離的響應(yīng)速度快，可達10s左右，但驅(qū)動能力小，繼電器隔離適用于啟動負荷大響應(yīng)速度慢的動力設(shè)備，因為繼電器觸點的負載能力大，能直接控制強電動力設(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采集終端對生理信號的簡單顯示、對生理信號采集單元的控制，是控制系統(tǒng)與操作人員間交互的窗口。在測量血壓時，使用按鈕電路對系統(tǒng)經(jīng)行控制，而顯示電路則是對于我們請求的回應(yīng)。實現(xiàn)了人與機器之