1、便携式电子血压计设计随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高，医疗检测设备的家庭化逐渐成为了趋势。其中家用电子血压计就是典型的家庭医疗检测设备之一。血压计大致上可分为两种：一是水银式血压计，其优点为数值稳定，其缺点为：无法一人自行操作，且必须专业医护人员操作，肉限观察误差极大主观性强，体积较大不易携带。二是电子式血压计其优点为：使用简易，可一人独自操作，测量值便于记录，体积轻巧便于携带。电子式血压计具备了诸多优点，越来越受到普通家庭的欢迎。本文介绍了以 PIC16F877 为控制核心。辅以气压传感器 FGN-605PGSR 和用作传感器与 MCU 之间模拟信号处理的 LM324331 模
2、拟电路以及 LCD 驱动芯片 HD44780A，实现了家用电子血压计的设计。该设计尽量将系统使用的芯片和被动组件数量降低，故具有低成本小型化低功耗的特点。1 PIC16F877 单片机PIC16F877 单片机美国微芯(Micro Chip)公司推出的 8 位 CMOS FLASH 2840 引脚的单片机。单片机采用 RISC CPU，有 35 条单字节的指令，即保证了必要的指令效率也兼具了控制芯片成本和简化编程复杂度。其主要特点如下：宽工作电压为 2.05.5 V；时钟周期为 020 MHz 指令周期为 05 MHz；片内 FLASH ROM 为 8 k Words，RAM 为 368 B，
3、E2PROM 为 256 B；低功耗工作电流0.6 mA3V 时钟周期为 4 MHz；2 个 8 位和 1 个 16 位定时器；2 个 16 位捕捉比较模块或 2 个 10 位 PWM 模块；10 位多信道 ADC；串行通信口 SPI，I2C，USART 及 8 位并行通信口。2 外围组件介绍FGN-605PGSR 是日本专业传感器供货商 fujikura 公司推出的专门用于血压计的气压传感器，其尺寸为 10.3 mm×7 mm×9.5 mm，可测压力范围-34.47+34.47 kPa 符合所要量测的压力范围。FGN-605PGSR 原理是在恒流源供电的文氏电桥上的电阻随
4、气压变化而输出双端差分电压信号。LM324 是常用的 4 运放 14 脚双列直插集成电路，LM311 是常用的 4 比较器 14 脚双列直插集成电路，其具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，低价等优点。HD44780A 是日立推出的点阵字符液晶显示控制器和驱动器，可显示 16 字×1 行或16 字×2 行或 20 字×4 行之文字模式，每个字为 5*7 点矩阵字型。3 电子血压计工作原理 3.1 血压测量原理定义血压的概念就是血液流经血管壁时的压力。由心脏出来的血液，需要有推力，才能绕行身体一周，心脏就是借着不停的收缩、放松，将血液推送前进。血压有两种，一
5、是收缩压：是当心脏收缩把血液打到血管所测得的血压，二是舒张压：是心脏在不收缩所得的压力。当袖带的压力等于血压时，血液开始可以流通而产生所谓的袖带声，这时候也就是收缩压，必须开始从这里做记录，直到最后当袖带声没有的时候，此点即为舒张压。3.2 系统工作原理系统框图如图 2 所示。系统由压力传感器(FGN-605PGSR)，恒流源(LM324×1)，差分放大(LM324×3)，0.8 Hz 二阶高通滤波(LM324×1)，200 倍放大(LM324×2)，38Hz 二阶低通滤波(LM324×1)，血压脉冲触发(LM311×1)，液晶驱动器
6、(HD44780A)和单片机(PIC16F877)组成。单片机主要工作为：PWM 输出控制气泵充气漏气调整袖带内气压；一路 ADC 采样袖带内气压直流分量以便取得收缩压和舒张压；一路ADC 采样袖带内气压交流分量经分析计算分析后确定收缩压和舒张压的瞬态时间位置；接收血压脉冲信号触发 ADC 工作；将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示。一次测量血压的过程为：按激活键单片机 PWM 输出控制气泵充气至 200 mmHg 高，慢慢以每秒约下降 5 mmHg 的速度放气。压力传感器输出信号经差分放大器后变单端信号一路送入单片机 ADC 监视直流分量，另一路送入 0.8 Hz 二阶高通滤波器
7、滤除直流分量；交流分量经 200 倍放大后输入 38 Hz 二阶低通滤波器去除电源及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰并将此信号维持在 05 V 之问，滤波后的交流分量一路送入血压脉冲触发然后触发单片机 ADC 工作，另一路送入单片机 ADC 计算幅值，先找出最大振幅值 Amax，在往前找幅值为 0.5Amax 的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压，往后找幅值为 0.8Amax 的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压，将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示。血压信号及收缩压和舒张压位置如图 3 所示。4 硬件设计4.1 PIC16F877 单片机时钟输入 外接有源晶振通过 OSC1CL
8、KIN(Pin13)输入 8 MHz 主频。电源输入 系统电源为 9 V 电池，通过外部 7805 降压到直流 5 V 输入 VDD(Pin11，32)。按键输入 按键低电平脉冲通过 RB0INT(Pin33)输入，以中断方式触发一次测量血压的过程，中断服务子程序有消除按键抖动的处理。气泵驱动 RC1(Pin33)为内部 PWM 模块的输出信道，PWM 驱动气泵充气和放气。喇叭驱动 RC3(Pin37)驱动喇叭输出测量血压时的提示和过程声音。液晶驱动控制 对 HD44780A 输出指令和数据进行显示控制，RC.35(Pin18，23，24)接 HD44780A 控制线RS，RW，EN；RD.0
9、7(Pin1922，2730)接 HD44780A 数据总线 DB07。4.2 提供传感器偏置的恒流源如图 4 所示，运放 LM324-11 输入正端为可设定的直流偏置电压 Vref，LM324-11 输出端和输入负端提供了压力传感器电桥恒流偏置的回路。回路电流为：4.3 差分转单端输出的放大电路如图 4 所示，经过两个运放 LM324-12，13 隔离，LM324-14 差分放大后其输出电压为：4.4 0.8 Hz 二阶高通巴特沃思滤波器 采用二阶巴特沃思二阶高通滤波，运放 LM324-24 接成跟随器放大倍数为 1，高通滤波器的传递函数为：取二阶巴特沃思网络函数的系数 a11=1.414，
10、截止角频率 c=0.8×2，取 C1=C2=0.1F。 可以计算得到：4.5 200 倍放大电路 如图 4 所示，用两个级运放 LM324-21，22 搭成的比例放大电路，第一级为 20 倍放大，第二级为 10 倍放大。4.6 38Hz 二阶低通巴特沃思滤波器采用二阶巴特沃思二阶低通滤波，运放 LM324-23 接成跟随器，放大倍数为 1，低通滤波器的传递函数为：取二阶巴特沃兹网络函数的系数 a11=1.414，截止角频率 c=38×2 ，取 C3=C4=0.1F。 可以由以下计算得到：4.7 血压脉冲触发 利用比较器 LM311 设定一定的电压门限，将血压交流信号形成脉冲
11、，输入 PIC16F877 RC2 的 CCP1 触发 ADC 信道 1 工作。5 单片机软件设计5.1 初始化工作上电后对单片机寄存器，SRAM，特殊功能的设置如 PWM，输入输出端口的设置做必要的初始化；对 HD44780A 输出指令关闭显示。5.2 按键输入未按键时 RB0INT(Pin33)端口为大电阻上拉状态，有按键时低电平脉冲通过此端口输入，中断方式触发一次测量血压的过程，进入中断服务子程序后每隔 10 ms 判断一次端口状态，连续读到 3 次低电平，则判断按键有效，这是消除按键抖动的处理。判断按键有效后对 HD44780A 输出指令显示开始测试画面。5.3 气泵充气判断按键有效后
12、，PWM 输出对气泵充气。停止充气的条件有两个必须同时满足：一是 ADC 信道 0 测到的血压直流分量是否大于 4 V；二是 ADC 信道 1 测到血压交流分量是否介于 1.64.9 V 之间。满足此条件表示气压已足够，可停止充气，一般此时气压略大于 200 mmHg。5.4 测量血压PWM 输出匀速放气。心跳脉冲通过 CCP1 触发 ADC 信道 1 采样血压交流分量测出每个脉冲的峰峰值，同时计算出这个脉冲时间段内 ADC信道 0 测到的血压直流分量的平均值。把峰峰值和直流平均值作为一对数据记录起来，每个心跳脉冲会对应一对数据。 5.5 计算收缩压和舒张压ADC 信道 0 测到的血压直流分量
13、是否小于 1 V 表示气压低于 50 mmHg，是单次测量结束的标志。然后开始统计记录下来的若干组峰峰值和直流平均值，找出峰峰值最大的值 Amax，在往前找峰峰值最接近 0.5Amax 的一对数据其中血压直流分量即为收缩压，往后找峰峰值最接近 0.8Amax 的一对数据其中血压直流分量即为舒张压。判断测出收缩压和舒张压的值落在合理的数据范围内，如：收缩压应在80190 mmHg 范围内和舒张压 50120 mmHg 范围内。将计算出落在合理数据范围内的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示。5.6 ADC 数据处理ADC 信道 1 测血压交流分量的采样率为 2 kHz，其取值原由为：心跳脉冲频
14、率上限约为 2 Hz，定义峰值出现的时间约占心跳脉冲周期的1，在峰值附近 ADC 测量 10 次，所以 ADC 的采样率=2 Hz1×10=2 kHz。因为 ADC 测量到数据含有电源及皮肤与袖带摩擦的高频噪声，必须经过 ADC 多次测量才可将噪声造成的异常数据去除，这里采用的做法将多次测量的数据先做比较先去掉个别与大多数数据相差较大的数据，在剩下的数据中取偏大(小)的几个数据做平均从而得到高(低)峰值。本设计将 PIC16F877 设置单次数模转换时间为48s，具体条件为 FUSC=8 MHz，TOSC=125 ns，TAD=32TOSC，故单次数模准转换时间 TADC=12TAD
15、=12×32×125 ns=48s。实际上在数模转换前还必须保留 20 s 采样保持时间。这种设置采样率的最大值可做到 1(48s+20 s)=14.7 kHz 远大于要求的 2 kHz，故满足要求。ADC 信道 0 测血压直流分量模准转换时间设置与 ADC 信道 1 相同，每次采样紧接着 ADC 信道 1 采样后进行。5.7 异常处理 (1) 充气时在限定时间内未满足气压足够高即停止充气的条件，则先放气然后重新充气。连续 3 次出现此异常，则 HD44780A 输出错误信息。(2) 放气时在限定时间内未满足气压足够低即停止血压测量的条件，则放弃此次测量数据再放气然后重新充气并测量。连续 3 次出现此异常，则 HD44780A 输出错误信息。(3) 测量后计算出的收缩压和舒张压未落在合理的数据范围内，则放弃此次测量数据再放气然后重新充气并测量。连续 3 次出现此异常，则 HD44780A 输出错误信息。6 结 语电子血压计具有低成本、小型化、低功耗、自动化程度高的优点，在使用上带来了便携和易操作的特点，从而使电子血压计呈现出家用化的趋势。本文给出了完整的携带式电子血压计设计方案，并基于 PIC 16F877 为控制核心辅以压力传感器和外围的模拟电路以及LCD 驱动芯片实现了电子血压计的设计。此设计可直接转化为实际产品，故有较高的实用价值。
