基于AT89S51单片机的电子血压计设计

第25卷第8期 2011年 8月 常熟理工学院学报(自然科学) Journal of Changshu Institute Technol0gy(Natural Sciences) Vo1．25 No．8 Aug．，2011 基于AT89S5 1单片机的电子血压计设计 顾 涵 (常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500) 摘 要：针对采用传统单片机的电子血压计成本高、测量精度低等缺点，以AT89S51单片机为控制 核心，采用气体压力传感器US9111、串行A／D转换芯片ADC0832、LCD驱动芯片和外围模拟电路设 计了新的电子血压计，并采用C语言编程．所设计的血压计具有成本低、测量精度高等优点． 关键词：血压计；AT89S51单片机；设计 中图分类号：TP368．1 文献标识码：B 文章编号：1008—2794(2011)08—0097—04 2010年全国人口普查显示，我国平均每五个家庭就有两个高血压患者，慢性低血压的患病率增至4．8％， 在老年人中更高达II．8％，电子血压计已越来越多的成为家庭自测血压的主要工具．目前市场上的电子血 压计一般都以MSP430或PIC16系列单片机川为控制核心，价格比较高，本文所设计的以AT89S51单片机为控 制核心的电子血压计，可大幅度降低电子血压计成本． 1 设计原理 目前大多数电子血压计都采用示波法脚，示波法是通过充气袖套阻断上臂动脉血流来实现的．由于心搏 血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波．当气袖压力远高于收缩压时，脉 搏波消失．随着袖套压力下降，脉搏波开始出现，当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突 然增大，直到平均压力达到最大值，然后又随袖套压力下降而衰减．示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与 气袖压力之间关系来估计血压的，与脉搏波最大值对应的是平均值，收缩压和舒张压分别由对应脉搏波最 大振幅的比例来确定． 收缩压和舒张压的确定采用最大振幅法嘲．放气过程中，在脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏 波的幅度 与最大幅度 Um(平均压)之比刚刚大于 ( 为经验参数)时，就认为此时对应的气袖压力为收 缩压．而在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度 与最大幅度Um(平均压)之比刚刚小于 ( 为经验参数)时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压．袖带气压和脉搏波经信号处理模块的处理 后，得出如图1数据波形，下方为被测者的脉搏波，上方为血压计升压和降压过程中的袖带压力．在此基础 上分析信号，提供收缩压、舒张压和平均压的计算． 2 硬件设计 采用AT89S51单片机为控制核心，硬件电路主要由A／D转换[4】、数据处理和显示三大模块组成，在附加电 收稿日期：2011-05—04 作者简介：顾 N(1985--)，男，江苏苏州人，常熟理工学院物理与电子工程学院助理实验师，研究方向：单片机技术与智 能控制． 98 常熟理工学院学报(自然科学) 2011短 路的处理上尽可能采用程序来替代硬件逻辑实现 ， 与采用MSP430或PIC16系列单片机的设计相 比，大 大简化了硬件电路，降低了血压计成本． 2．1 AID转换模块 A／D转换模块选用8位逐次逼近型A／D转换芯片 ADC0832t ，如图2所示，由于信号采集包括脉搏信号 和袖带压力信号，其中袖带压力信号为直流电压信 号，脉搏信号为小于2Hz的交流信号，因此在不增加 器 件 的情 况下 ，AID通道 至 少 为两个．而芯 片 ADC0832正好符合此条件 ，A／D转换时间为32 s，满 足通道数量和数据采集速度．另外，ADC0832价格便 宜，可节省成本． 2．2 数据处理模块 数据处理模块采用 AT89S51单片机的最小系 统．如图3所示，晶振选用 12MHz，P0口作为普通I／O 口使用，上拉4．7K电阻．单片机作为控制核心，主要 P Ps Pd t 图 1袖带压力、脉搏波形 +5 C 0．1UF 图2 A／D转换电路 有以下作用：接收按键控制并作出处理；读取A／D转换的血压信息；处理分析血压数据得出收缩压和舒张压 及脉搏信息；控制显示人体的血压和脉搏信息． 图3中，KEY1键为开始键，控制气泵充气，完成一次血压i贝0量．KEY2为复位键，当一次测量结束，液晶 显示测量结果后，按下KEY2键显示结果清零，为第二次测量作准备．KEY1和KEY2直接接到单片机的外部 中断，可以在中断时扫描按键以提高CPU的工作效率．24C256用来存储AID转换的血压直流分量和脉搏波 交流分量，供单片机进行数据处理分析．WP为读写屏蔽引脚，高电平时为只读操作(低电平时可读可写)． 由于IIC总线为开路(集电极开路)时输出，所以SDA、SCL上拉4．7K电阻构成回路． 2．3 显示模块 1602点阵液晶显示分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780t61，带背光的比不带背光的 图3 AT89S51单片机最小系统 第8期 顾涵：基于AT89S51单片机的电子血压计设计 99 厚，是否带背光在该设计中并无差别．本设计显示部分采用 1602点阵液晶带背光显示，液晶对比度的调节 采用电阻分压的方式实现对控制引脚VL的信号输入． 3 软件设计 硬件部分完成后，电子血压计的功能实现关键是程序的编写，程序主要包括下面 四部分：主程序、血压测量程序、A／D转换程序和显示程序． 3．1 主程序 主程序流程如图4所示，加电后，首先完成系统的初始化工作，单片机开始给气泵 供电，让袖带迅速充气至200mmHg左右．之后，单片机通过一路A／D开始采集袖带气 压，并根据袖带气压下降的速度来控制排气阀排气，使袖带内气压以3-5mmHg／s匀速 降压．同时，另外一路A／D开始采集脉搏信号，当脉搏振幅达到最大时，袖带气压就是 动脉的平均压．动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线 的第二个拐点，处理后的数据通过液晶显示． 3．2 血压测量 血压测量流程如图5所示 ，在测量模式下，气泵自动充气 ，当袖带压 力大于等于200mmHg，无脉搏信号出现时，停止充气，袖带中气体缓慢释 放．电路每隔5ms采集1次脉搏信号，在检测到第1个峰值后，以5ms周期 采集脉搏信号值和静压信号值，分别获得脉搏信号序列和静压信号序列， 并判断采集的脉搏信号值是否为峰值．若是峰值，则记录此时的脉搏信 号值和静压信号值，以及从上一个峰值到当前时刻的时间差，分别生成峰 值序列和峰值时间间隔序列．一般情况下，当袖带压力小于60mmHg时， 脉搏信号峰值消失，当连续4s内检测不到脉搏信号峰值时，退出本次血压 测量． 3．3 A／D转换 和显 示 AID转换流程如图6所示 ，采样信号分为两路 ， 一 路为静压信号，另一路为脉搏信号 ，其中静压信号 为直流信号，脉搏信号为频率小于2Hz的电压信号． 本设计中采用低频段最高频率的4—1O倍 作为采样 频率，数据处理后在LCD1602液晶上显示． 显示部分程序编写较复杂，需注意指令含义的 理解，显示部分流程图如图7所示． 4 测量精度测试 f 开机 1 、L t l LcD液晶畀面初始化 t [ 采样数字信号处理 t l 数据显示 图4主流程 图6 A，D转换流程 为验证设计效果 ，采用实验板焊接血压计硬件电路，用 KeiluVision3编程 ， 然后把调试通过程序生成的．HEX文件烧写到AT89S51单片机中．用血压计实 验电路和泰康品牌的TK一805型电子血压计测量同一人血压作对比，血压计实 图5血压测量流程 图7液晶显示流程 验电路的显示值为收缩压 108．3mmHg，舒张压78．6mmHg，而 TK一805型 电子血压计的显示值为收缩压 108．5mmHg，舒张压78．3mmHg，从而可知舒张压和收缩压相对测量精度分别为0．184％和0．255％，测量精度 较高． 5 结束语 我们设计的以AT89s51单片机为控制核心的电子血压计与市场上现有的传统电子血压计相比 ，可大幅 100 常熟理工学院学报(自然科学) 2011矩 度降低成本(至少降低一半以上)，且测量精度较高，具有潜在的实际应用价值 参考文献： ⋯I王迎旭．单片机原理与应用[M]．北京 ：机械工业出版社，2011． 【2】王虎．医学论电子血压计产业在中国的未来发展fJ]．医学信息：中旬刊，2010(5)：2994—2995． 『3】张桂平．电子血压计测量原理及存在的问题[J]．医疗保健器具，2009(5)：48—49． 【4】李相伟．微机系统原理与接口技术[M】．北京：国防工业出版社，2010． 【5】肖忠祥．数据采集原理[M]．陕西：西北工业大学出版社，2010． 【6】杨天怡，黄勤．微型计算机控制技术【M]．重庆大学出版社，2011． 【7】刘坚强，王永才．基于示波法的电子血压计系统设计『J]．单片机与嵌入式系统应用，2010(4)：62—65 Design of Electronic Blood Pressure M onitor Based on AT89S51M CU G 日0n (School of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China) Abstract：The disadvantages of traditional design of MCU lie in high cost，as well as the poor accuracy．Based on the mechanism of measurement of blood pressure，this paper designs an electronic blood pressure monitor， which uses AT89S5 1 MCU，air press sensor US9 1 1 1，serial A／D transfer chip ADC0832，LCD module and analo— gY circuit as the hardware，and the software is written in C language．The designed blood pressure monitor is low in cost and more accurate．W e hope that it will have a potential application in the near future． Key words：blood pressure monitor；AT89S51MCU；design (上接第93页) 提高了测频的精度，并缩短了测频时间． 参考文献： ⋯1董秀洁，杨艳．基于VHDL语言的数字频率计的设计与仿真【J】I河南工程学院学报，2008，20(4)：59～61 【2】2吴海明，王伟．基于单片机与FPGA的等精度频率计设计[J】_兵工自动化，2009，28(3)：79—81． 【3】莫琳．基于FPGA的等精度频率计的设计与实现【J]．现代电子技术，2004，10：81—84． 【4】李云鹏，王思明．基于FPGA的等精度频率计设计[J]．电子元器件应用，2007，9(11)：54—55． 【5】曾光，冯锐．基于FPGA的数字频率计VHDL软件实现方法[JJ．软件导刊，2009，8(2)：28—29． The Design of Equal Precision Digital Frequency M eter Based on FPGA CHEN Jing-bo，DING Xu，JIANG Wei-yong (School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China) Abstract：According to the principle of equal precision measurement，a digital frequency meter is designed based on FPGA．The program is composed of frequency modules，counter modules，divider module，display rood— ule．which are written in Verilog HDL．W ith the certification of hardware emulation system，the circuit can meet the demand of measurement in the reality and frequency ranges from 1 Hz to 1 MHz． Compared with traditional meth0d．this method has the merit of simple peripheral circuit，short design period and easy amendment． Key words：equal precision；FPGA；frequency meter；Verilog HDL