单片机血压测量仪设计的毕业设计.docx

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单片机血压测量仪设计的毕业设计

本科毕业设计

毕业设计题目：

单片机血压测量仪设计

摘要

本设计制作了一台智能血压测量仪。

该血压测量仪采用了STC12C5A60S2作为主控制器，利用专用的血压传感器作为数据采集，通过三运放仪用放大电路将信号放大，整形，将模拟量的血压值转变成为单片机可以接收的电压值，通过主控器内部的AD数模转换器，将数据处理成数字信号，并通过数码管显示出来。

该测量仪的优点在于通过智能芯片处理，使原本复杂的血压测量变得更加简单易操作，测量结果更加准确，稳定。

关键词血压测量仪仪用放大电路AD

Abstract

Thisdesignmadeasmartbloodpressuremeasurement.ThebloodpressuremeasuringinstrumentusedSTC12C5A60S2asthemaincontroller,usespecialbloodpressuresensorasdatacollection,throughtheSiYunputinstrumentamplifiercircuitwilluseamplification,plastic,thesimulatedamountofbloodpressurevalueintoasinglechipcanreceivethevoltagevalue,throughthemaincontrollerinternalADdigital-to-analogconverters,willbetreatedtoadigitalsignaldata,andthroughthedigitaltubedisplay.Theadvantagesofthemeasurementinstrumentisisthattheintelligencechipprocessing,makeoriginallycomplexbloodpressuremeasurementbecomemoresimpleeasytooperate,moreaccuratemeasurementresults,stable.

Keywords :

Bloodpressure；Measuringinstrument；Withinstrumentamplifiercircuit；AD

1.引言

随着当今社会的快速发展，人们的生活水平的不断提高，健康已经成为人们越来越多加关注的一个话题。

因此，更多小型的简单器材也开始进入大家的生活当中，血压计就是其中的一个！

血压计具有一定的便携性和操作简单，可以让人们随时随地地对自己进行血压的测量，从而时刻知道自己的血压状况，也可以从某种程度上了解到自己的健康状况，更是让预防疾病的发生！

这个课题便上研究一款更加简单智能化的血压计，让人们能够以最简便的操作得到最准确有血压测量值！

该血压测量仪利用专用的血压传感器作为数据采集，通过三运放仪用放大电路将信号放大，整形，将模拟量的血压值转变成为单片机可以接收的电压值，通过主控器内部的AD数模转换器，将数据处理成数字信号，并通过数码管显示出来。

该测量仪的优点在于智能芯片处理，完全实现智能化，使原本复杂的血压测量变得更加简单易操作，测量结果更加准确，稳定，可以应用于普通家庭。

2.总体方案设计与分析

2.1功能与指标

本设计要求设计基于单片机的血压测量仪，结合单片机技术，选用合适的传感器电路、设计一个血压测量仪，精确测出血压值，测量的结果用数字显示出来。

要求设计原理图，焊接样机，并编写程序，实现血压测量。

设计性能可靠，能演示效果，精度满足测量要求。

2.2实现原理概述

本设计采用STC12C5A60S2作为主控器，因为该芯片自身内部自带了AD数模转换器，可以将电压值转成单片机可以识别的数字信号。

血压值采集方面采用专用血压传感器，并通过三运放仪用放大电路放大，整形，使用三运放仪用放大电路是因为其它简单且稳定，可以完成模拟信号的处理工作，并将处理结果送到主控器进行数据处理，利用自内部自带的AD数模转换器将返回的电压值转变成数字信号。

因为传统听诊器和水银血压测量仪的测量过程是通过判断是否听到脉搏声来判断收缩压及舒张压的。

充气过程中，从无声到有声过度点是舒张压，即低压，从有声到无声则是收缩压，即高压。

放气过程刚好相反。

而有声的过程伴随着就是血压的跳动，主控器巧妙地利用这一特点进行血压的测量。

因为血压在充气过程血压变化大且不规律，本设计则让血压先达到一个固定的血压值，利用放气过程血压稳定下降，测出收缩压和舒张压，并通过数码管显示出来。

基于上述原理，设计了如图1的系统框图。

2.3系统设计基本框图

图1单片机血压测量仪功能框图

2.4系统设计原理详解

2.4.1血压传感器

本设计采用的血压传感器是由无锡市迈姆斯科技有限公司生产制造的MPS20N0040D-D。

产品简介：

MPS20N0040D-D是一款DIP封装的产品。

此款产品被广泛应用于与气压相关的产品。

并且具有良好的可重复性和长时间的工作稳定性。

产品特点：

█小尺寸

█工作温度：

-40℃~125℃

█量程：

0~40kpa

█线性度：

0.3%（典型值）

█成本低，可靠性高

应用领域：

█高度计

█医疗领域

█工业控制

█工程控制

█差压传感器系统

电路结构如图2：

图2血压传感器的内部结构

性能参数如表1：

表1

工作原理：

MPS20N0040D-D由四个电阻桥组成，在没有输入，即正常大气压下，电桥处于平衡状态。

当气压大于正常大气压时，电桥处理非平衡状态，导致电桥两端输出电压不同，将该微波不同的电压值进行一系列的放大处理即可以得到明显的电压变化用于数据处理。

2.4.2三运放仪用放大电路

仪表放大器与运算放大器的区别是什么？

仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。

大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109Ω。

其输入偏置电流也应很低，典型值为1nA至50nA。

与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。

运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。

与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。

对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。

专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？

答案是肯定的。

使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。

电路如下图3所示：

图3标准三运放仪用放大电路

输出电压表达式如图中所示。

看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？

为何上述电路可以实现仪表放大器？

下面我们就将探讨这些问题。

在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分电路图4：

图4

  如果R1＝R3，R2＝R4，则VOUT=（VIN2—VIN1）（R2/R1）

  这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。

首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。

在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于100kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200kΩ。

因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。

（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。

）

  另外，这一电路要求电阻对R1/R2和R3/R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。

例如，当增益等于1时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有0.1%失配，其CMR便下降到66dB（2000:

1）。

同样，如果源阻抗有100Ω的不平衡将使CMR下降6dB。

  为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。

如下图5所示：

图5

  以上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下图6所示：

图6

 输出电压表达式如上图6所示。

上图所示的电路增加增益（A1和A2）时，

它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。

也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。

   下面，要开始最巧妙的变化了！

看电路先：

图7

这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。

像前面的电路一样，上图中A1和A2运算放大器缓冲输入电压。

然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。

由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。

因为输入电压经过放大后（在A1和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

这种连接有另外一个优点：

一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。

如果R5＝R6，R1＝R3和R2＝R4，则VOUT=（VIN2－VIN1）（1＋2R5/RG）（R2/R1）由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1和A2获得增益并得到放大。

然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。

由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作。

因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2RF/RG）〕的增益系数被放大。

这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2RF/RG）〕倍！

在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。

因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。

这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。

上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。

到这里，我们导出了这个经典电路的；来龙去脉：

差分放大器-->前置电压跟随器-->电压跟随器变为同相放大器-->三运放组成的仪用放大器。

2.4.3微控制器的选用及原理

目前市面上的微控制器品种繁多，针对的市场应用各有各的特点。

常用的微控制器有经典的MCS-51系列单片机、AVR单片机、PIC单片机，高级的处理器有ARM7、ARM9、ARM11等，本设计采用常用的51单片机，其性能已经可以满足系统的设计要求，但普通的51单片机没有直接的PWM输出和AD转换功能，所以本设计选用了高性价比的STC12C5A32S2增强型51单片机作为系统的核心控制器。

其内部集成了8通道10位ADC模数转换器和2通道8位的PWM，并且该单片机是1T指令周期的高速单片机，这些功能都大大的方便了系统的设计。

STC12C5A60S2/AD/PWM系列主要性能描述：

◆高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍

◆宽电压：

5.5～3.3V

◆增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）

◆增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM

◆低功耗设计：

空闲模式，（可由任意一个中断唤醒）

◆低功耗设计：

掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒

◆工作频率：

0～35MHz，相当于普通8051：

0～420MHz

◆时钟：

外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置

◆60K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上

◆1280字节片内RAM数据存储器

◆芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上

◆ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器

◆8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用

◆2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）

◆4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器[1]

◆可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟

◆硬件看门狗（WDT）

◆高速SPI串行通信端口

◆全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口

◆先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令

◆通用I/O口复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA

◆STC12C5A60S2单片机有定时器0和定时器1两个16位定时器，与传统8051单片机的定时器完成兼容，也可以设置为1T工作模式，其中定时器1做波特率发生器是，定时器0也可以当作两个8位定时器用。

定时和计数功能是由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T进行选择，TMOD寄存器的各位信息描述如表4所示。

可见STC12C5A60S2单片机拥有8通道10位高速AD转换器，完全符合本设计的要求，可以用于电压模拟量转化成数字量。

2.4.3.1A/D转换器的结构

STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz（25万次/秒）。

8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。

上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。

STC12C5A60S2系列单片机ADC（A/D转换器）的结构如下图8所示：

图8

当AUXR.1/ADRJ=0时，A/D转换结果寄存器格式如下：

图9

当AUXR.1/ADRJ=1时，A/D转换结果寄存器格式如下：

图10

STC12C5A60S2系列单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC_CONTR构成。

STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。

逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。

逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。

从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC0~7的模拟量输入送给比较器。

用数/模转换器（DAC）转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。

A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG,以供程序查询或发出中断申请。

模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0确定。

ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0确定。

在使用ADC之前，应先给ADC上电，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。

当ADRJ=0时，如果取10位结果，则按下面公式计算:

当ADRJ=0时，如果取8位结果，按下面公式计算:

当ADRJ=1时，如果取10位结果，则按下面公式计算:

式中，Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。

2.4.3.2与A/D转换相关的寄存器

与STC12C5A60S2系列单片机A/D转换相关的寄存器列于下表所示。

（1）P1口模拟功能控制寄存器P1ASF

STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换通道与P1口（P1.7-P1.0）复用，上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的P1口可继续作为I/O口使用（建议只作为输入）。

需作为A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。

P1ASF寄存器的格式如下：

P1ASF:

P1口模拟功能控制寄存器（该寄存器是只写寄存器,读无效）

当P1口中的相应位作为A/D使用时,要将P1ASF中的相应位置1。

（2）ADC控制寄存器ADC_CONTR

ADC_CONTR寄存器的格式如下：

ADC_CONTR:

ADC控制寄存器

对ADC_CONTR寄存器进行操作，建议直接用MOV赋值语句，不要用‘与’和‘或’语句。

ADC_POWER:

ADC电源控制位。

0：

关闭A/D转换器电源;

1：

打开A/D转换器电源。

建议进入空闲模式前，将ADC电源关闭，即ADC_POWER=0。

启动A/D转换前一定要确认A/D电源已打开，A/D转换结束后关闭A/D电源可降低功耗，也可不关闭。

初次打开内部A/D转换模拟电源，需适当延时，等内部模拟电源稳定后，再启动A/D转换。

建议启动A/D转换后，在A/D转换结束之前，不改变任何I/O口的状态，有利于高精度A/D转换，若能将定时器/串行口/中断系统关闭更好。

SPEED1，SPEED0：

模数转换器转换速度控制位

STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换模块说使用的时钟是内部R/C振荡器所产生的系统时钟,不使用时钟分频寄存器CLK_DIV对系统时钟分频后所产生的供给CPU工作所使用的时钟。

好处:

这样可以让ADC用较高的频率工作,提高A/D的转换速度。

这样可以让CPU用较低的频率工作,降低系统的功耗。

ADC_FLAG：

模数转换器转换结束标志位，当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，要由软件清0。

不管是A/D转换完成后由该位申请产生中断，还是由软件查询该标志位A/D转换是否结束，当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，一定要软件清0。

ADC_START:

模数转换器（ADC）转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换,转换结束后为0。

CHS2/CHS1/CHS0：

模拟输入通道选择，CHS2/CHS1/CHS0

程序中需要注意的事项:

由于是2套时钟,所以,设置ADC_CONTR控制寄存器后,要个4个空操作延时才可以正确读到ADC_CONTR寄存器的值,原因是设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行后,要经过4个CPU时钟的延时,其值才能够保证被设置进ADC_CONTR控制寄存器。

MOVADC_CONTR,#DATA

NOP

NOP

NOP

NOP

MOVA,ADC_CONTR

;经过4个时钟延时后,才能够正确读到ADC_CONTR控制寄存器的值

（3）A/D转换结果寄存器ADC_RES、ADC_RESL

特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL寄存器用于保存A/D转换结果，其格式如下：

AUXR1寄存器的ADRJ位是A/D转换结果寄存器（ADC_RES,ADC_RESL）的数据格式调整控制位。

当ADRJ=0时，10位A/D转换结果的高8位存放在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2位中。

此时，如果用户需要完整10位结果，按下面公式计算:

如果用户只需要8位结果，按下面公式计算:

式中，Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。

当ADRJ=1时，10位A/D转换结果的高2位存放在ADC_RES的低2位中，低8位存放在ADC_RESL中。

此时，如果用户需取完整10位结果，按下面公式计算:

式中，Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。

（4）与A/D中断有关的寄存器

IE:

中断允许寄存器（可位寻址）

EA:

CPU的中断开放标志，EA=1，CPU开放中断，EA=0，CPU屏蔽所有的中断申请。

EA的作用是使中断允许形成多级控制。

即各中断源首先受EA控制;其次还受各中断源自己的中断允许控制位控制。

EADC:

A/D转换中断允许位。

EADC=1，允许A/D转换中断；

EADC=0，禁止A/D转换中断。

如果要允许A/D转换中断则需要将相应的控制位置1:

1、将EADC置1，允许ADC中断，这是ADC中断的中断控制位。

2、将EA置1，打开单片机总中断控制位，此位不打开，也是无法产生ADC中断的A/D中断服务程序中要用软件清A/D中断请求标志位ADC_FLAG（也是A/D转换结束标志位）。

IPH:

中断优先级控制寄存器高（不可位寻址）

IP:

中断优先级控制寄存器低（可位寻址）

PADCH,PADC:

A/D转换中断优先级控制位。

当PADCH=0且PADC=0时，A/D转换中断为最低优先级中断（优先级0）

当PADCH=0且PADC=1时，A/D转换中断为较低优先级中断（优先级1）

当PADCH=1且PADC=0时，A/D转换中断为较高优先级中断（优先级2）

当PADCH=1且PADC=1时，A/D转换中断为最高优先级中断（优先级3）

2.4.3.3A/D转换模块的参考电压源

STC12C5A60S2系列单片机的参考电压源是输入工作电压Vcc，所以一般不用外接参考电压源。

如7805的输出电压是5V，但实际电压可能是4.88V到4.96V，用户需要精度比较高的话，可在出厂时将实际测出的工作电压值记录在单片机内部的EEPROM里面，以供计算。

如果有些用户的Vcc不固定，如电池供电，电池电压在5.3V-4.2V之间漂移，则Vcc不固定，就需要在8路A/D转换的一个通道外接一个稳定的参考电压源，来计算出此时的工作电压Vcc，再计算出其他几路A/D转换通道的电压。

如可在ADC转换通道的第七通道外接一个1.25V（或1V，或．．．）的基准参考电压源，由此求出此时的工作电压Vcc，再计算出其它几路A/D转换通道的电压（理论值据是短时间之内，Vcc不变）。

2.4.4血压计数据处理原理

在电子血压计出现前，传统水银血压计是最广泛运用的，但其操作难，需要具有一定医学能力的人才能使用，在家自测难以实现。

目前临床上测量血压均采用间接测量法，所用的血压计由气球、袖带和检压计三部分组成。

袖带的橡皮囊二管分别与气球和检压计相连，三者形成一个密闭的管道系统。

检压计有水银柱式和弹簧式两种。

测量血压时先用气球向缠缚于上