1、 基于单片机 AT89C51电子血压计的设计 摘 要 随着现代科技的快速发展，所带来的就是高强度、高压力的生活；而随着物质生活水平的提高以及城市老龄化比例的增长，医疗电子器件的家庭化逐渐成为了一种趋势 ,其中家用电子血压计就是典型的家庭医疗检测设备之一。 血压作为人体重要的生命参数，对其精确测量具有重要意义，特别是在临床医学和人体保健工作中十分重要。 目前 ,血压计大致上可分为两种：第一种是汞柱式血压计，其优点为数值稳定，其缺点为肉眼观察误差极大，主观性强，而且体积较大不易携带， 必须在专业人员操作 下进行；第二种是 电子式血压计，其优点为使用简易， 操作简单 ，测量值便于记录，体积轻巧便于携
2、带。电子式血压计确实具备了诸多优点，越来越受到大众家庭的欢迎。 本文设计的电子血压计是采用 示波法测量原理， 以 AT89C51 单片机为控制核心，辅以US9111-006-D 型压力传感器与 MCU 之间模拟信号处理，通过 ADC0808 转换器完成数字信号转换以及液晶显示、报警、自动关机等电路来实现家用电子血压计的设计。在本次设计中，通过对模拟脉搏波的输入进行放大，通过 AD 转换器来进行模拟信号到数字信号的转换，最后通过单片机进行处理，来完成显示、比较 、储存、查询等功能。 关键词：血压计；传感器；液晶显示； AT89C51 单片机Based on single chip microco
3、mputer AT89C51 electronic blood pressure device design Abstract With the rapid development in modern science and technology， the intensive strength and high pressure are brought to us in our lives.With the continuous improvement of living standards, as well as the increasing proportion of the aging
4、of population,electronic medical equipment has gradually become a new trend in families,while electronic blood pressure monitor is a typical one of the family medical testing equipments.Blood pressure,being an significant life parameter for human boday,plays an important role in accurate measurement
5、,particularly in clinical medicine and health protection areas. At present,the blood pressure monitor can be roughly divided into two categories.The first one is mercury sphygmomanometer with its stable numerical value as advantage and its great visual observation error,high subjectivity,portable di
6、fficulty,necessity of being operated by health care professionals as shortcomings.The second type is electronic blood pressure monitors.Its advantages are included simple to use,convenient to operate,and easy to record the measured value,handy and portable. Electronic blood pressure monitor has so m
7、any advantages,which makes it more and more popular in public families. The electronic blood pressure monitor,which is introduced in this paper,employs oscillographic testing principle,centralized by the AT89C51 single-chip microcomputer,supplemented by US9111-006-D type pressure sensor and analog s
8、ignal processing between MCU,finishes the digital singal convertion,LCD,warning alarm,auto power off circuits etc. By AD converter to realize a homely used electronic blood pressure monitor.In this design,by amplifying the input from the analog pulse,converting the analog signal to digital signal vi
9、a using AD converter and lastly operating by single-chip microcomputer,the features of displaying,comparing,storing and searching are finished. Key words: blood pressure monitors; sensors; liquid crystal display; AT89C51 single-chip 目 录 基于单片机 AT89C51电子血压计的设计 . I 前言 . 1 1 概 述 . 2 1.1 课题背景及意义 . 2 1.2
10、国内外发展现状 . 3 1.2.1 国外研究现状 . 3 1.2.2 国内发展现状 . 4 2 电子血压计设计原理 . 1 2.1 示波法测量血压原理 . 1 2.2 总体方案论证 . 2 3 系统硬件设计 . 3 3.1 血压传感电路 . 3 3.2 滤波和放大电路 . 4 3.3 采样保持电路 . 4 3.3.1 采样保持电路概述 . 4 3.4 AD 转换电路 . 5 3.4.1 ADC0808 与单片机的接口电路 . 5 3.4.2 AD 转换概述 . 6 3.4.3 逐次比较式 A/D 转换器的工作原理 . 8 3.5 微控制器电路 . 9 3.5.1 微控制器模块 . 9 3.6
11、键盘和显示电路 .11 3.6.1 液晶显示模块 .11 3.6.2 键盘工作原理 . 12 3.7 总体硬件电路 . 14 4 系统软件的设计 . 16 4.1 软件设计思想 . 16 4.2 软件设计流程图 . 16 5 系统调试 . 24 5.1 硬件系统调试 . 24 5.2 软件调试 . 24 5.2.1 KEIL UVISION2 软件调试 . 24 5.2.2 PROTEUS 软件调试 . 25 5.3 软硬联调 . 26 6 结 论 . 27 7 致 谢 . 28 8 参考文献 . 29 附录 . 30 附录一： 程序清单 . 30 附录二： 原理图 . 41 前言 经调查，现
12、代人患心血管疾病的趋势逐渐导向低龄化，血压是反映血管阻力和全身血容量的重要指标，在临床医学以及全麻病人的监护方面有极其重要的意义，而在平时日常的生活中也要做好保健工作，如果能经常测量自己的血压，随时监测自己的健康情况，早期发现问题，就能得到较好的治疗效果。 本次设计系统是基于 AT89C51 单片机为控制核心制作的电子血压计，其中主要包括如下模块：血压传感模块，即检测人体血压；滤波放大模块，即滤除不需要的测量量以及对传感器检测的信号进行放大； AD 转 换模块，即把模拟信号转换成数字信号送给单片机，使用单片机来计算血压量的大小；微机控制模块，即是来处理血压的值计算出舒张压和收缩压； LCD 显
13、示模块，即实时显示舒张压和收缩压的值；按键模块，即用来对开 /关机、启动电子血压计测量以及查询前次测量值，实现对电子血压计的设计；报警模块，即对超出血压测量范围进行报警，及电池电压低于 4.0-2.0V 时报警等。该设计系统最终要实现的性能指标如下： 1) 显示范围： 0-299mmHg 2) 测量范围： 40-270mmHg 3) 脉率： 40-200 次 /分 4) 放气速率： 2.3-6.0mmHg/ 5) 分辨 率： 1mmHg 6) 静态压力基本误差： 3mmHg 7) 动态压力基本误差： 5-8mmHg 8) 脉率误差： 5% 9) 低电压显示：当电池电压低于 4.0-0.2V 时
14、，显示低压符号 10) 记忆功能：能显示前次测量值 11) 自动关机： 5min 在单片机控制系统中，软件是很重要的一部分。本设计编程采用的是汇编语言，用汇编语言编程简单、开发快，指令执行的速度快，节省存储空间。本文主要介绍了基于AT89C51 单片机的电子血压计的设计思路及方法，详细介绍了系统所实现的功能，系统的设计方法，系统的总体构成，模块电路的设计步骤和系统的调试方法等内容。 1 概 述 1.1 课题背景及意义 就一般而言，人过 40 岁以后会有血压升高的倾向。所以，经常监测自己的血压是保证身体健康必不可少的一环。对于高血压患者，每天定时测量血压及时掌握血压变化的情况，对调整和治疗病患更
15、为有益。众所周知，高血压病对人的身体健康威胁很大。它能引起心、脑血管疾病，如冠心病，心脏病、血栓和心肌梗塞，还有脑栓塞、脑溢血及中风等重病，严重者危及生命已不少见。所以，及时、准确地掌握自己血压高、低压变化的情况，适时治疗和采取有效措施具有十分积极的意义。以往测量血压都使用气压式血压计，这种血压计除专业人士外一般 人不容易掌握，且自己为自己测量多有不便 。现代电子科学技术的发展使这一测量仪器也进人了电子时代 电子血压计。然而在中国，电子血压计并没有走进千家万户，人们对电子血压计的准确性存在着怀疑。 关于“血压”和“血压计”的概念 “血压”一词，究其医学含义，是指血液在血管内流动时对血管壁产生的
16、压力。随着心脏的搏动， 此压力是变化的。在一个心脏脉动周期中，相应有“收缩压” (平时所说的“高压” )和“舒张压” (平时所说的“低压” )。而要直接测量这一压力，只有在手术中以及必须对特殊病人进行“有创血压”监测时， 才能实现。人 们在体检和平时保健监测中所说的“血压”，通常是指在上臂肱动脉处测得的体表动脉压，在医学上称为“无创血压”。俄国科学家柯罗特柯夫发现了在体表对应处能听到动脉内血流冲击血管壁产生的脉动音，为纪念他，把这种声音称为“柯氏音” (或“柯氏声” )。用可加压袖带锁闭肱动脉血流，并缓慢释放袖带内压力，当此外压力与血管内的“收缩压”相同或略低时， 开始有动脉血流，用听诊器监听
17、到此时的“柯氏音”并同时观测到此时的袖带压力值，就可测出相对应的“收缩压”与同样方法测出的“舒张压” 这就是已有近 100 年历史的“听诊法”汞柱式血压 计的测量原理。所以，平常所说的“血压”，都是指用“听诊法”在上臂肱动脉处测得的“无创血压”值；而无特别指明时，“血压计”都是指袖带法“汞柱式血压计”。 电子血压计和适用人群的选择 电子血压计有两种：手臂式和手腕式。手腕式电子血压计不适合患有末梢循环障碍的人群，因为患有末梢循环障碍的病人手腕血压与上臂血压的测量值会相差很大。糖尿病、高血压、高血脂和老年患者都会有不同程度的末梢循环障碍，也不宜选用手腕式电子血压计，故手臂式血压计比较常用。 由于电
18、子血压计采用的原理和水银血压计采用的原理不同 ,它也不适合下例人群使 用： 1) 过度肥胖者 2) 心率失常的病人 3) 脉搏极弱、严重呼吸困难和低体温病人 4) 连接人工心肺机的病人 5) 心率低于 40 次 /分和高于 240 次 /分的病人 6) 测压期间血压急剧变化的病人 7) 帕金森氏症患者。 目前市场上还有指套式血压计和手表式血压计，而严格来说其上两种都只能称为指端脉搏压力计，因为其测量方式决定其所测得的 “血压 “仅仅是指端脉搏压力值，与真实的动脉血压值之间存在较大的差距，不能作为血压计使用。本次设计我选择的是手臂式电子血压计的制作。 1.2 国内外发展现状 1.2.1 国外研究
19、现状 电子式血压计目前的发展很快。较早期的产品是袖袋式 的 , 多为半自动。近几年来所生产的电子式血压计为全自动式较多 , 即所有操作只须按一下开始开关便可完成整个测量过程 , 测量结果全部是数字 , 除了显示收缩压、舒张压 , 还显示平均压和脉搏数 , 操作非常简单。作为一个国际知名品牌，日本欧姆龙株式会社所生产的电子血压计在其领域内堪称佼佼者，其医疗事业部的工作人员申报了大量的专利，在血压计的发展上铺垫了一条成熟的道路，可以说欧姆龙电子血压计的发展代表了当今世界电子血压计的发展方向。其中近几年具有代表性的实用性发明有以下一些。 在 2003 年，尾浜昇研制出可以使测定精度提 高的电子血压计
20、，在测定血压时 MPU 控制臂带内的压力，经带通滤波器等检测由于臂带压的压迫而产生的脉搏波，计算出所检测到的脉搏波的波形特征量，使用计算出的波形特征量计算血压并输出时， MPU 在可检测到脉搏波的臂带压的范围内检测脉搏波。因而，由脉搏波的检测、波形特征量的计算及血压的计算所构成的血压测定处理在可检测到脉搏波的臂带压的范围内进行，所以在不能检测到脉搏波的范围内不进行上述处理，能够提高血压测定精度。 同年，白崎修研制出一种能够在同一设备上实现更短时间的血压测定功能和更正确的血压测定功能的电子血压计。电子血 压计上装载了振量法测定部和 SPD 法测定部，该振量法测定部是在慢慢改变压力的过程中计算血压
21、，因此虽然测定需要时间，但使用较多的身体信息量，能够高精度地计算血压；该 SPD 法测定部是只使用 1 个或者几个动脉波计算血压，因此虽然身体信息量少，测定精度因人而异，但能在短时间内完成。由于在以振量法测定部测定时一并对 SPD 法测定部进行校正处理，因此，实质上可排除复杂的校正操作。另外，由于不同动作 /特征的血压测定功能一体化于同一台电子血压计上，因此，不必要分别购买不同的血压测定功能的血压计，方便且经济 。 在 2006 年，岸本宽 志、泽野井幸哉、田中孝英、江田宪史等人研制出一种计算出血压平均值的电子血压计。在该电子血压计中，将所测定的血压数据与有关测定时刻的信息建立对应关系而存储在
22、存储器中。然后，响应于对操作部 (存储调出开关 )进行操作，而检索存储于存储器的血压数据中的、与从基准的血压数据的测定时刻起规定时间 (例如 10 分钟 )内的测定时刻建立着对应关系的血压数据，而作为特定数据。然后，基于特定数据计算出平均值，并将所计算出的平均值作为评价指标而进行显示。另外他们还研制出一种电子血压计和血压测定方法，在血压计算之前，预先将空气密封于卷绕安 装在血压测定部位上的血压测定用袋内，参照该压力变化，根据进行相对于测定部位的卷绕的适合判定的过程中的压力变化，掌握测定部位的周长。然后，当转到血压测定时，将施加于血压测定用袋的压力加压或者减压，检测出血压测定用袋内的压力。按照预
23、先掌握的测定部位的周长，计算出基于所检测出的压力的血压。 除此之外还有一些其他一些公司的研究人员研制出比较具有代表性的电子血压计，例如时至准钟表股份有限公司的研究人员中西孝研制出一种电子血压计及血压的测定方法，它是一种以因脉搏振幅变化而形成的脉搏振幅变化波形和袖带（ cuff）压的变化 为基础的电子血压计，在该电子血压计中，由测定脉搏超过了第阈值时的脉搏振幅和袖带压来决定第点，由测定脉搏超过了第阈值时的脉搏振幅和袖带压来决定第点，接着，决定连接第和第点的脉搏振幅线性表达式，并根据脉搏振幅线性表达式计算最大压力。倘采用本电子血压计，则即便是当血压计是把袖带装戴在被测定人的手腕上，脉搏振幅取决于袖
24、带的装戴方法而变化，或者，即便是脉搏某种程度地取决于被测定人的身体状况而波动这样一种类型的电子血压计时，这种电子血压计仍可以精确地测定血压。 西铁城控股株式会社的中西孝、伊藤清研制出一种电 子血压计，根据对袖带加压时的脉动波信息，由测定结束压力计算机构计算测定结束压力。在减压过程中，如果由血压决定机构决定最低血压值时的袖带压比测定结束压力低，则由测定结束判断机构判断测定结束，由急速排气机构对袖带立即急速排气。在最低血压值决定时的袖带压比测定结束压力不低时，继续测定，在袖带压变为比测定结束压力低时结束测定，立即对袖带进行急速排气。从而，在该电子血压计中，能正确地决定最低血压值之后，迅速地使袖带内
25、的流体急速排气，缩短上臂等的压迫时间。 1.2.2 国内发展现状 国内的电子血压计的研究成果也很多，不乏优秀的产品 。其中具有代表性的有：中国人民解放军北京军区总医院研制的四肢血压同步测量仪，该电子血压计是一种四肢血压同步测量仪，选用技术参数相近的四个电子血压计组装在同一机盒内，每两个血压计并联为一组，分别接在启动按键和量程选择键上，可控制每组两个血压计同时启动；另设有延时控制电路，使四个血压计适时启动，达到同步测量；该测量仪还配备有标准气带和可供粗状肢体使用的加长加宽型气带。该测量仪能同步测量人体四肢的血压，为疾病的诊断提供重要参数。 柯顿（天津）电工电器有限公司开发出一种一次性完成对血粘度
26、、血管弹性和血压测量的电子血 压计，在传统血压计产品元件的基础之上，该装置还增加了包括血压数据提取单元、脉搏波形提取单元和心率计算单元，从存储单元中输出的经放大的压力信号，以数字信号形式的压力波形数据分别供给血压数据提取单元、脉搏波形提取单元和心率计算单元作进一步的波形处理。这个实用性很强的新型电子血压计克服了传统脉搏波采集装置采集脉搏波不易找准位置的弱点，增强抗干扰能力；将血压测量和采集脉搏波合二为一，操作简便、快捷，排除了分开进行血压测量和采集脉搏波所带来的附加误差。 优盛医学科技股份有限公司的洪清溪研制出一种具有提示校正功能的电子 血压计，包括：控制单元、压力感测单元、测量电路、警示单元
27、、按键输入单元、显示单元及电源单元，控制单元加载有判断电子血压计使用年限 /次数的软件程序，在电子血压计电源开启后，控制单元读取现在电子血压计的使用时间和使用次数，判断其是否超过预设使用年限 /次数的上限，若未超过所述上限，则直接测量压力值、血压值、心跳数等。若已超过预设使用年限 /次数上限之一，控制单元将输出信号至警示单元，由警示单元产生信号提醒受测者，同时微处理器将此信号传送至显示单元，由显示单元显示，从而提醒受测者需将电子血压计送回原厂或由相关医护员 进行血压计测量精确度的校正，以保证电子血压计测量的精确度。 河北工程大学医学院王庆书研制出一种戒指型电子血压计，由电路板、显示屏、微型充气
28、泵、电磁减压阀、电池、戒指环型气囊、导电胶条、开关、检测头、蜂鸣器和外壳组成，其特征是电池在外壳的后上端，电路板、检测头、电磁减压阀在电池的下边；显示屏在这些部件的前侧，微型充气泵在这些部件的下边，开关设在微型充气泵的前侧，蜂鸣器和戒指环型气囊设在微型充气泵的下边，也即外壳的最下边。其优点为结构简单，造价低廉，实用方便，利用了高科技电子芯片，灵敏度高，能够有效测定血压的动 态变化，手指动脉采集血压不受任河因素影响，弥补了腕式血压计采集血压的不足，能够有效监控高血压病人和低血压病人的病情，是一种理想的戒指型电子血压计。1 2 电子血压计设计原理 电子血压计的测量方法有柯氏法和示波法，但柯氏法存在
29、一些固有的缺点：一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。而相对比来说，示波法测量准确，简单容易，本次设计我主要是采用示波法测量血压原理进行的 。 2.1 示波法测量血压原理 示波法是根据血压计的气压袖带在收放气过程中，所产生的压力振荡波的振幅变 化包络线来判定血压的。而目前比较一致的看法是当气压袖带产生的压力振荡波的振幅达到最大时，气压袖带的压力就是动脉的平均压。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 。 收缩压判据的确定：通常采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段， 当某一个脉搏波的幅度 Ui 与最大幅度 Um 之比 =Ks 时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。 Ps=Pi*Ui=Ks*Um 舒张压判据的确定：也是用最大振幅法来判定，不过是在脉搏波幅度包络线的下降阶段，当某一个脉搏波的幅度 Ui与 Um之比 =Kd 时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。 Pd=Pi*Ui=Kd*Um mdiid UKUPP 根据众多大型厂家和医院研究所等多年的研究成果，以及他们所使用示 波法时袖带和脉搏波经信号处理模块所得出的实验图，我决定在此次血压计的设计中取 Ks=0.6， Kd=0.8。
