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单片机的电子血压计工作原理及设计1doc

作者:PP电子官网更新时间:2020-10-17 08:44点击次数:字号:T|T

  单片机的电子血压计工作原理及设计1.doc_调查/报告_表格/模板_实用文档。单片机的电子血压计工作原理及设计 示波法(振荡法)测量血压工作原理示波法(振荡法)是根据袖带在减压过程中,其压 力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。 目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅 最大

  单片机的电子血压计工作原理及设计 示波法(振荡法)测量血压工作原理示波法(振荡法)是根据袖带在减压过程中,其压 力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。 目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅 最大时,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。硬件设计系统基本工作原理如图1所示。压力传感器输出 的电压信号首先通过低通滤波器滤波,之后由运放电路将信号转化为适合单片机的输入信 号. 示波法(振荡法)测量血压工作原理 示波法(振荡法)是根据袖带在减压过程中,其压力振荡波的振幅变化包络 线来判定血压的。目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅最大时,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。 硬件设计 系统基本工作原理如图1所示。压力传感器输出的电压信号首先通过低通滤 波器滤波,之后由运放电路将信号转化为适合单片机的输入信号,最后将模拟的 10 采样信号经过 MN10 101EF32D 单片机转化为数字量。 程序对采集的数据进行数字 滤波后分析,计算出人体血压的两个关键指标舒张压和收缩压,之后单片机 立即将数据存储到外部存储器中,并将这些重要数据显示在 LCD 上。 传感器介绍及其外围电路的设计 006 该血压计使用的传感器为 MPS MPS-3100-006 压阻式压力传感器,是由四个等 006G 值电阻组成的惠式电桥,其输出电压和输入压力成正比,理想状态下当压力输入 时,电阻值就跟着改变,但实际上温度的改变也会影响其阻值输出结果。另外, 由于晶体和电路设计制作的误差, 加上封装过程等方面的影响, 零点偏移不是零。 所以必须由外加元件来进行个别温度补偿电路校正。其重要指标如下: 15 a、传感器测定范围:5.8~15 15PSIG b、操作温度范围:?40~85 ℃ c、驱动电流:1.5~3mA d、驱动电压:5~15V e、零点漂移:?25~25mV f、电阻温度系数为:0.2%/℃ 因为血压信号取自手臂,测量的信号容易受袖带的位置、手臂的挪动而带来 的干扰。 根据这些专业特点,要求系统具备高输入阻抗、 高增益、高共模抑制比、 低噪声以及低漂移等特征。如图2所示,图中的 T1即为 MPS-3100-006G 压阻式 压力传感器。整个电路首先将压力信号转换为电压信号,然后进行放大滤波。 图 中 U1、U2为有源运放 LM324 LM324,它的输入阻抗很高。压力传感器的信号通过放 大后,并通过调节 VR1的大小来改变运放的闭环增益,以调节为适应于 A/D 的 电压输入范围。 U1运放回路用来测量袖带中的压力, 测量的数据用来供 MCU 分 析并控制对袖带充气和放气的速度。另外 U2运放回路是将通过 C11电容隔直的 交流信号放大,此回路测量的是人体的脉搏波。两个回路的采集数据构成了血压 计各个指标的重要计算参数。 MN101EF32D 的特性 on MN101EF32D 是松下 (Panason 公司于2008年初推出的产品, onic) MN101Exx 系列8位单片机复合了多功能的外围功能,具有灵活而最优化的硬件结构,简洁 而高效的指令体系,充分实现经济性和高速性。 MN101E32D 型单片机,内置64KB Flash、4KB RAM,具备6个外部中断、 20个内部中断(包括 NMI)、9个定时器计数器、3个串行接口、8路 A/D 转换器、 32×4段 LCD 驱动器、监视定时器、单系统的数据自动传送功能、同步输出功能 以及蜂鸣器输出等外围功能。 最小指令执行时间可达50ns, 封装为64引脚 LQFP。 本血压计使用 MN101EF32D 的功能大致如下: a、10位 A/D 采样,用于静态压力及脉搏波的测量。 23 b、LCD 显示控制器,直接驱动23 23*4段的液晶显示器,显示测量的过程及结 果。 c、定时器功能,用于定时 A/D 采样数据并计算自动关机时间。 d、采用数字信号处理的技术对 A/D 采样的信号进行处理,主要有数字低通 滤波和相关的计算。 e、电源开启采用硬件控制的方法,电源关闭采用软件控制的方法,关机时 除了稳压模块外,其它芯片处于断电状态,功耗极低。 f、测量时可以选择 mmHg 和 Kpa 作为主显示方式,测量精度高,达到静态 1mmHg、动态3mmHg 的测量精度。由于采用铁电存储器作为存储媒介,数据 的保存时间很长。 MN101EF32D 与外部串行铁电存储器的硬件连接 在选择外部存储器时,由于考虑到要长期反复擦除、写入所设置的工作参数 和测量到的重要信息,并保存大量的历史数据,因此必须使用容量较大的静态存 储器,以便写入尽可能多的数据信息并保证掉电后数据不丢失。由于 EEPROM EEPROM 本身的设计工艺。寿命有限,而且写入的时间较长,因此不适合用于电池供电的 系统。 血压计需要保存的数据设计依次为收缩压 (2个字节) 舒张压 、 (2个字节) 、 平均压(2个字节) 、脉搏(2个字节) 、每次记录的时间(5个字节)等,每次测 量需要13字节存储数据。假设每天测量4次,需要13×4=52字节,血压计能够 364 保存7天的数据则需要364 364字节,故选用铁电的24cL04。当打开血压计使用的 时候,单片机在其 PA0 PA0口模拟出 IIC 总线的 SCL SCL,并输入给外部存储器24cL04 的 SCL 引脚,同时 PA1 PA1口与24cL04的 SDA 口进行数据交换,将有用的数据显 示在 LCD 上。 电源处理模块及其相关电路设 本血压计选用2节7号电池作为电源的输入。为了达到较好的供电质量,在此 电路中选择了 DC/DC 升压芯片 RN5RK331A,将2节串联的1.5伏7号电池构成 的3V 左右的电压升到3.3V,供给系统中的模拟电路电源,也作为数字电路的正 电源供给 MCU(如图3所示) 。考虑到气泵、气阀如果与模拟电路、数字电路直 接共用一个电源,会引入比较大的干扰,从而影响压力传感器、运放以及 MCU 的正常工作,所以设计成气泵、气阀不与其它器件接在一起,直接由电池供电。 另外,血压计的重要采集数据通过运放放大的袖带气压和隔直后的脉搏波, 由于它们都是通过微小的信号放大后得到的,所以 A/D 转换的设计也极为重要。 系统采用智能充气测量、自动降压,在降压的过程中进行测量。由于在气阀工作 降压的时候,电源受到波动,如果用系统电源直接拿来作为 A/D 的参考电压基 准,必然会给测量带来误差。采用 National Semiconductor 的 LM385 LM385作为 A/D 转换的电压基准连接到芯片的 VREF+引脚,确保采集的数据转换准确。 LCD 显示模块的设计 如图4、5所示,为了使用户更为方便、简单地使用本系统,采用 LCD 显示。 松下的 MN101EF32D 芯片内置了 LCD 驱动模块,可以直接驱动 LCD。先 初始化 LCD 方式控制寄存器1(LCDMD),它是8位寄存器,用来指定 LCD 时钟、 LCD 显示的 ON/OFF、显示占空比等。 系统软件设计 软件的主要流程如下: 上电后,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 充气至被测者收缩压以上约30mmHg 左右。 之后单片机通过1路 A/D 开始采集袖 带的气压,并根据袖带内气压下降的速度来控制排气阀排气,使袖带内匀速降压 (3~5mmHg /s) 。与此同时,另外1路 A/D 开始采集经过隔直的脉搏波。当脉搏 波的振幅最大时,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。 软件主要细分为以下3个重要模块: 一)匀速降压控制模块 尽管气阀有自动缓慢放气的特点,但为了使袖带迅速充气至被测者收缩压以 上30mmHg 左右后匀速降压(3~5mmHg /s) ,而不能用普通的处理方法,因为 整个测量过程中容易受到外界震动的影响,如人为的震动袖带、气管的震动、 人 的身体运动等,另外气管的刚性度也会影响到袖带内气压微弱的变化。所以袖带 内的压力降低的速度与气阀开关的频率为非线形关系。 本设计采用了 PID 算法来控制气阀的开关时间来确保袖带以3~5mmHg /s 的 速度匀速降压。受到单片机的处理速度和 RAM 资源的限制,这里不采用浮点数 运算,而将所有参数全部用整数,最后再除以2N(相当于移位) ,作类似定点数 运算,可大大提高运算速度。最终赋值给定时器,来控制气阀的开启时间,从而 保证降压的速度恒定。 在 PID 算法中三个基本的参数 Kp、Ki、Kd 的设定与调整是比较难的部分, 根据这些参数的作用原理,总结调整方法大致如下: 1、压力很快就降到目标值,但压力降的太多: a)比例系数太大; b)微分系数过小; 2、压力下降达不到目标值: a)比例系数过小; b)积分系数过小; 3、基本上能够控制在目标上,但上下偏差较大,且经常波动 a)微分系数过小; b)积分系数过大; 二)信号处理模块 本血压计测量信号为2路, MPS-3100-006G 压力传感器的信号首先进行低通 滤波处理,排除因外界干扰造成的信号读数的误差,之后放大送 AD1 AD1,作为静 态血压信号;隔直后经再次放大送 AD2,作为脉搏波信号。由于 MN101EF32D 1024 的 A/D 为10位,因此最高精度可达1/1024 1024。为了最大限度地利用 A/D 转换的采 样速度,用中断来实现 A/D 转换后的数据处理。当 A/D 转换完毕,在中断程序 中,用防脉冲干扰移动平均值法来实现简单有效的数字滤波,使测量更加准确。 具体做法为在一次定时中断内连续进行5次 A/D 转换,去掉最大值和最小值,剩 余3个数据求算术平均值,该算术平均值作为此次的 A/D 转换结果。 三)计算血压模块 袖带气压和脉搏波经信号处理模块的处理后,得出如图6所示的数据。图中 的下方为被测者的脉搏波,上方为血压计升压和压降过程中的袖带压力。在此基 础上分析信号,供收缩压、舒张压、平均压和心率的计算。单片机在测量过程中 已经存储各个脉搏波的峰值,以及每个脉搏波的间隔时间。 收缩压判据的确定采用最大振幅法,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 (平均压) 之比刚刚大于 Ks 时, 就认为此时对应的气袖压力为收缩压。 Ps=P/Ui=Ks*Um 舒张压判据的确定也是用最大振幅法来判定的,不过是在脉搏波幅度包络线 的下降段,当某一个脉搏波的幅度 Ui 与最大幅度 Um(平均压)之比刚刚小于 Kd 时,就认为此时对应的气袖压力为舒张压。 Pd=P/Ui=Kd*Um 先用经验参数 Ks = 0.54和 Kd = 0.72来计算,经测试后再进行修正。 心率即为脉搏波的周期,具体也为算术平均值做法。 血压是极为重要的健康指标,血压测量的准确与否直接关系到人们的健康。 国家把血压计列为强制检定计量器具。 一般医院使用的水银血压计基于人工柯氏 音法,这种方法存在一些固有的缺点:一是放气的快慢对读数有直接影响,国际 标准放气速度为每秒3~5mmHg, 而不同的医生放气有快有慢,会影响测量的准 确度;二是这种方法以人的视觉、听觉和协调程度为主要依据,很难标准化。 为 此 , 本 设 计从 血 压 的 检 测 方法 着 手 , 采 用 日 本松 下 公 司 高 速 、低 功 耗 的 MN101EF32D 单片机,作为血压计测量、控制、数据读写、数据显示的核心, 可准确地采用示波法(振荡法)测量血压。 基于 MN101EF32D 单片机的血压计,充分利用了该芯片本身的功能, 具备电路简单、功耗低、电源要求单一、精度高以及实用性强等特点,有着广阔 的市场前景。 希望以上内容能够为大家带来帮助!最后分享下我当时购买的地址,感兴趣 的朋友可以点击下面的链接了解下。

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