本科毕业设计自动化测控技术与仪器 基于单片机的多功能血压计的设计.docx

本科毕业设计自动化测控技术与仪器 基于单片机的多功能血压计的设计.docx

《本科毕业设计自动化测控技术与仪器 基于单片机的多功能血压计的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科毕业设计自动化测控技术与仪器 基于单片机的多功能血压计的设计.docx（56页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

本科毕业设计自动化测控技术与仪器基于单片机的多功能血压计的设计

毕业设计（论文）

基于单片机的多功能血压计的设计

院别

控制工程学院

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

5080902

学生姓名

龚攀君

指导教师

贾朔

2011年6月15日

基于单片机的多功能血压计的设计

摘要

随着现代社会的迅速发展，环境的日益恶化以及不健康的生活习性与不科学的饮食习惯，导致人类疾病越来越多的出现。

其中，有着人类第一无形杀手称号的高血压病，已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名，长期危害着人体健康，让饱受高血压折磨的患者痛不欲生。

如何便捷有效地测量与监控高血压，从而有效预防与治疗高血压，成为人们对抗高血压病的首要问题。

于是，设计一台准确易用测量血压的装置，成为重中之重。

目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字，无法判别血压计的准确性、可靠性。

本课题研究最终旨在设计出简单易用并且增加了一些实用的功能使每次测量结果完全透明，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的错误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。

而且简单易于操作的电子血压计可以广泛应用于家庭日常的血压检测，真正实现对高血压的预防。

本文将详细介绍我设计的基于单片机的多功能型血压测量装置。

关键词：

压力测量，血压计，STC12C5A60S2单片机

TheBasedonMCUmulti-functiondigitalsphygmomanometerdesign

Author：

GongPanjunTutor：

JiaShuo

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernsociety,increasingdeteriorationoftheenvironmentandunhealthylivinghabitsandnotsciencediet,causesthehumandiseasemoreandmoreappear.Amongthem,hashumanfirstinvisiblekillertitlehypertension,alreadygraduallyrosetoharmhumandiseasetopofthe,long-termharminghumanhealth,andletthepatientsufferedfromhighbloodpressuretorturepainnotthedesireliving.Howeffectivemeasurementandmonitoringtheconvenienthighbloodpressure,andiseffectiveforthepreventionandtreatmentofhighbloodpressure,becomethepeopleagainstthechiefproblemofhypertension.So,designaaccurateeasytomeasuretheirbloodpressuredevice,becomeatoppriority.

Currentlyonthemarketmostdynamicbloodpressurerecorderrecordseveryonlytheresultsofthemeasurement,thedoctorfaceisabatchofauthenticitydifficultdebatedigital,cannotidentifytheveracityandreliabilityofblood.Thistopicresearchaimedtodesignasimpletousefinalandincreasedsomepracticalfunctionmakeeverytimemeasurementresultsarecompletelytransparent,makethedoctorcancontroltheveracityoftheoriginaldatawaveformjudgment,effectivelytodiscerninterferenceandpseudopoorercauseerrordetection,restoretruebloodpressure,bloodpressureofthereportthatefficiencyandreliability.Simpleandeasytouseelectronicdevicecanbewidelyusedinfamilydailybloodpressuretesting,torealizethepreventionofhighbloodpressure.ThispaperintroducedthedesignwillIbasedonMCUmulti-functiondigitalsphygmomanometerdesign.

KeyWords:

Pressuremeasurement,sphygmomanometer,STC12C5A60S2MCU

1绪论

1.1血压计的发展

血压计最早由SamuelSiegfriedKarlRittervonBasch发明。

1896年，意大利医生ScipioneRiva-Rocci发明的血压计更为简单易用。

1901年，HarveyCushing发现这种仪器后将其推广使用。

这种血压计包括一个用于充气的气球、一个能充气的袖带和一个水银检压计。

随着人们对健康的关注越来越大，并且科学技术也越来越发达，血压也日渐成为日常生活中传递健康的一种信号。

相应的，血压的检测方法层出不穷，血压的检测工具也日新月异。

我们接触到的血压计种类也不在少数了，总的来说常用的类型有水银（汞）柱式、弹簧表式和电子血压计。

目前电子血压计的品牌也比较多，其中十大电子血压计品牌有欧姆龙Omron,九安andon，松下Panasonic，迈克大夫Microlife，鱼跃YUYUE，金亿帝KINGYIELD，脉博士medipro，日精NISSEI，会好GRACE，海尔Haier。

但是在这十大品牌中日系的牢牢地占据了前三的两个席位，因此我们在单片机领域的发展还得加快速度，开发出更多更有质量的产品。

[1]

水银血压计能直接测得血压的毫米汞柱值，较为直观，准确性和可靠性较高，且价格低廉，但其缺点是较重，携带不方便，且要用听诊器，听力不好及未经专业训练者无法使用；弹簧表式血压计（又称气压表、无液测压计）的优点是携带方便，操作简单，但其准确度不如水银柱式血压计，且维修较困难，刻度数字较小，也需用听诊器，听力视力不好的老人使用较困难；而电子血压计方便易学，可自动显示血压测值（包括收缩压、舒张压、平均动脉压、脉压、脉率等多种参数），除此之外还可以提供脉搏读数，部份型号更能自动记录每天的数据，方便监测血压及脉搏的长期变化情况。

随着技术的不断研发与产品的批量化生产，这部分的血压计的成本也在不断下降，必将成为主流血压计。

电子血压计是利用现代电子技术与血压间接测量原理进行血压测量的医疗设备。

电子血压计有臂式、腕式之分；其技术经历了最原始的第一代、第二代（臂式使用）、第三代（腕式使用）的发展。

对于健康人来讲，应该均适用。

但腕式和手指式的电子血压计，不适用于患有血液循环障碍的病人，如糖尿病、高血脂、高血压等病会加速动脉硬化，从而引起末梢循环障碍。

这些患者的手腕（手指）同上臂的血压测量值相差很大。

建议这些患者及老年人应选择臂式电子血压计来使用。

（1）臂式电子血压计

测量方法与传统水银血压计相近，测的是肱动脉，因其臂带放至上臂，其测量稳定性优于腕式血压计，更适合年纪较大、心律不齐、糖尿病引起末梢血管老化等患者使用，缺点是没有手腕式电子血压计方便。

（2）腕式电子血压计

外形与手腕间隙更小的碗带，抗菌材料制作，数字显示血压及脉搏数。

手腕式血压计由于所测的压力值为腕动脉“脉搏压力值”，对于大多数中、老年人，特别是血液粘稠度高者、微循环不佳者、血管硬化症患者等较特殊的人群，用腕式血压计与用臂式血压计多次测量的平均值之间，相差±1.3kPa（10mmHg）以上是很常见的。

（3）指套式电子血压计

外形更小，可以直接套在手指上，携带更方便。

所测压力值为指动脉，指动脉属于小动脉，它与肱动脉存在一定关系。

利用他们之间的关系就可以测出血压值了。

随着单片机技术的不断发展，血压计也随着不断地发展。

从原来简单的51单片机到后来的avr，甚至后来的arm单片机都已经应用在血压计上了，而且现在也已经开发出了各种专门用来测血压的单片机。

1.2血压计的研究需求

近年大量研究表明，我国高血压发病率逐年增加，已成为危害人民身体健康的一大问题，要彻底解决这一现状需提高全民健康防范意识，拥有一款能够简单操作精确测量血压的血压计显得尤其重要。

随着生活水平的提高，人们越来越关注自己的身体健康，血压是身体健康与否的一个重要指标。

据2001年全国普查显示，我国平均每三个家庭就有一个高血压患者；慢性低血压的发病率为4%左右，其在老年人群中可高达10%[3]。

因此，研制既适合家庭保健人员又适合专业人士多功能血压计具有重要的意义。

本文研究的多功能血压计属于微机检侧与控制领域，因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。

国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。

因此，通过对它的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义。

本文利用微弱信号的检测技术设计出血压测量计。

该血压测量计可以进行简单的血压测量。

本文以目前较为流行的单片机STC12C5A60S2为血压测量计的核心，利用压力传感器将血液对血管壁的压力转换为电信号，将血压信号转换为数字信号后进行显示、存储、传输、报警等处理。

本次设计的目的是在目前市场的电子血压计基础上进行创新，增加更多功能，给使用者带来更多的方便和实惠，确保使用者的身体健康，满足使用者的不同方面的需求。

本血压计使用起来方便快捷，操作简单，实用性强，适合于不同年龄的人使用。

具有小型化、低功耗、智能化程度高的优点，在使用上有便携和易操作的特点，从而呈现出家用化的趋势。

本次课题是基于便携性，设计一款适用于老年人的能准确测量，并能显示出血压值，具有高低压语音报警，能定时关机的多功能电子血压计。

在原有电子血压计的基础上加上了语音播报功能，解决了老年人看不清等难题，更为人性化。

2多功能电子血压计的设计原理

2.1血压的简单介绍

血压（bloodpressure,BP）是体循环动脉血压，是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。

但通常所说的血压是指一些体检和实验常用的大型动脉的血压，如肱动脉﹑颈总动脉﹑股动脉等处的动脉血压。

这几处血压大致接近主动脉血压。

心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高，称为收缩压（systemicbloodpressure，SBP）。

心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力称为舒张压（diastolicbloodpressure，DBP）。

收缩压和舒张压的差值正常为30－40毫米汞柱，叫做脉压。

在安静状态下，正常人的血压比较稳定，正常范围是收缩压在90－139毫米汞柱之间，舒张压在60－89毫米汞柱之间，随着年龄的增长血压会增高，一般血压在清晨最低，白天逐渐升高，到午后或黄昏最高，50岁的中年人早期血压平均值为73－95算是正常值之内。

[2]脉压不是越大越好，日常生活中，常见的脉压差小多是因收缩压（高压）降低引起的，其中有生理性因素，也有病理性原因。

发现脉压差明显减小时，如经详细检查后，未发现明确病因时，应认为属于体质性血压降低（主要指收缩压）。

治疗体质性低血压，除增强体质、适当加强营养外，还要防止站立时发生头晕或摔伤。

可采用具有调节植物神经作用的谷维素、维生素等药物进行治疗。

对无不适感的脉压差小，不必过于介意，因其对健康不会产生太大影响。

常见引起脉压差过大的疾病有主动脉瓣关闭不全、主动脉硬化、甲亢、严重贫血、风湿性心脏病、部分先天性心脏病与高血压心脏病等。

[4]

老年人随着年龄的增长，血管老化，血管壁渐渐失去常性，而多年沉淀的脂肪会让血夜变得越来越粘稠，血压也会自然而然地升高了。

老年人患高血压，在很大程度上是有身体功能的自然老化与衰退造成的。

生活中的“发福”从医学角度来看绝不是值得庆幸的事。

在体重不断增加的同时，体内的血液也会随之增加，迫使心脏必须加倍地努力工作才能把血液输送至各血管。

另外，高血压会在有高血压家族史的人群中发生，父或母有高血压，其子女患病率为28.3%，父母均为高血压则子女患病率为46%。

不良的生活习惯也会增加高血压。

高血压之所以成为健康的大敌，在于它是引起脑溢血、心力衰竭和肾功能衰竭三大并发的罪魁祸首。

但是如果能做到定时测血压还是可以有效防治高血压的。

2.2血压测定的方法

血压的测定最早用急性实验法在活体动物测量动脉血压的是英国生理学家S.黑尔斯，他1733年在马的股动脉中接以铜插管﹑再连以长玻璃管，当打开股动脉结扎时,马的动脉血冲入玻璃管的血柱高达2.5米，并随马心的搏动而上下波动。

这种测定血压的方法叫做直接测定法。

由于操作不便,以后法国生理学和物理学家J.-L.-M.泊肃叶在1823年改用水银测压计接上充满抗凝血剂的动脉插管与实验动物的动脉相接而进行动脉血管的测定。

德国生理学家C.F.W.路德维希在1847年进一步用U形管水银测压计，一端与实验动物的动脉相连，另一端水银柱上加以浮标，上载描记笔尖在转动的记纹鼓上持续记录动脉压的波动变化，是实验生理学方法学上的一大进展。

此法在一般急性动物实验中仍广泛使用，但因对身体有严重伤害，故不能用于人体。

人体动脉血压测定要用间接测定法，通常使用俄国医师N.科罗特科夫发明的测定法，装置包括能充气的袖袋和与之相连的测压计，将袖袋绑在受试者的上臂，然后打气到阻断肱动脉血流为止，缓缓放出袖袋内的空气，利用放在肱动脉上的听诊器可以听到当袖袋压刚小于肱动脉血压血流冲过被压扁动脉时产生的湍流引起的振动声（科罗特科夫氏声，简称科氏声）来测定心脏收缩期的最高压力即收缩压。

继续放气，科氏声加大，当此声变得低沉而长时所测得的血压读数,相当于心脏舒张时的最低血压即舒张压，当放气到袖袋内压低于舒张压时，血流平稳地流过无阻碍的血管,科氏声消失。

[5]

由于汞的比重太大，水银测压计难以精确迅速地反映心搏各期血压的瞬间变化，所以后来改用各种灵敏的薄膜测压计可以较准确地测得收缩和舒张压。

近年来常使用各种换能器与示波器结合可以更灵敏地测定记录血压。

2.3多功能电子血压计的设计

2.3.1多功能血压计设计的市场分析

目前电子血压计主要有手动式数字电子血压计和全自动电子数学血压计。

所谓手动式数字电子血压计是指要自己往气袋中打气，测量过程则是自动的，因此这种血压计也称半自动电子血压计；另一类是全自动电子数字血压计，它无需捏橡胶球充气加压，只需要按动开关键，一切就都可以自动完成，也便于携带。

它又分为臂式、腕式和指式三种。

本次设计的产品重量轻，便携，可随身携带;无水银，避免医院水银污染事故，有利于环保。

而且是一台使用操作非常简单的仪器，真正做到便携实用。

2.3.2多功能血压计装置的功能简介

（1）检测血压并显示在液晶

（2）高低压预警

（3）语音提示功能

（4）自动关机

2.3.3设计的总体要求

多功能型电子血压计是传感技术和单片机技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务：

（1）测量血液对血管壁的压力；

（2）判别高压和低压并发出语音提示；

（3）在屏幕上显示测量结果

感受血流压力离不了传感器，民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。

在各种传感器中有一类是利用压电效应的，还有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料。

其次就是能根据血压变动及时判别高、低压的单片机。

另外，血压会通过电子血压计的液晶显示屏进行显示。

2.3.4设计的实现

我此次设计的多功能数字血压计以数字压力传感器ASDX001为测量器件、以LCD1602液晶显示模块为显示器件，以通用单片机STC12C5A60S2单片机为控制核心。

在压力测量气囊的帮助下，压力传感器可以准确的感应到压力值，然后将这个物理量转换成电压的信号，将这个电压信号传入控制核心单片机，最后，在单片机的控制下，系统将血压值准确的显示在液晶显示模块上。

整个过程，从理论上来讲，是完全正确的；从现有条件上来讲，也是完全可以做到的。

电子血压计系统框图如图2.1所示

图2.1电子血压计硬件系统框图

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,经传感器分析后将数字信号传入单片机确定收缩压和舒张压的瞬态时间位置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200mmHg高,慢慢以每秒约下降5mmHg的速度放气。

先找出最大振幅值Am,收缩压Ad，舒张压As。

C1=As／Am为收缩压的归一化值，C2=Ad／Am为舒张压的归一化值。

在往前找幅值为0.5Am的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压,往后找幅值为0.8Am的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压,即本设计中C1=0.5，C2=0.8。

[6]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2.2所示

图2.2血压交直流信号及收缩压和舒张压位置

硬件工作流程图如图2.3所示。

电源开启后，若有必要修改默认参数，将由键盘进行设置。

待采样的时间达1秒钟后将分析数据结果，求出最大值和最小值，经过一些处理后即为收缩压和舒张压。

将它们送往液晶显示器进行显示。

具体的血压计工作流程图如下：

图2.3血压计工作流程图

3硬件系统设计

3.1传感器

ASDX001属于微型结构压力传感器ASDXDO系列。

ASDX系列是Sensym公司检定合格的ICT代表产品的一种增强型品种。

也是工业水平领先的一种SDX系列传感器增强型。

ASDX001传感器的外形尺寸要比SDX稍大，能提供高电平（4.0V测量范围）的输出电压，价格便宜。

ASDX001压力传感器内置专用集成电路（ASIC）经全面CI校准并有温度补偿。

ASDX001压力传感器采用标准DIP封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。

ASDX001采用了IC兼容性协议，无需额外的元件或电子电路，就可容易地连接最常用的微控制器和微处理器。

[7]

所有ASDXDO压力传感器的精度在满量程范围内为。

具有可用单一5v供电电压工作的特性。

传感器的设计和制造均遵循ISO9001标准。

此系列传感器可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。

传感器的输出是一个己校正的压力值，其分辨率为12位。

该压力传感器可用于测量绝对压、差力压和表力压。

范围从1PSI到100PSI，绝压型传感器有一个内部真空参比值（基准值），因此可直接输出一个与绝对压成比例的信号。

差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于压力差的测量。

3.1.1ASDX001的外部结构：

图3.1ASDX001外部结构图

3.1.2ASDX001内部结构：

ASDX001的内部结构主要包括4部分：

①多路分配器；②模/数转换器；③微控制器；④数/模转换器。

其内部结构如图3.2所示：

图3.2ASDX00内部结构图

3.1.3传感器电路设计

ASDX001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。

工作电压为+5v。

由Vs脚引入正5负电压，Vout为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的1脚，ASDX001的GND脚接地。

因此，这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Vout连接到STC12C5A60S2单片机的1脚上即可.

图3.3ASDX001与单片机的连接电路原理图

3.2电源电路

3.2.1PFM升压器简介

QX2302系列产品是一种高效率、低纹波、工作频率高的PFM升压DC-DC变换器。

QX2302系列产品仅需要四个元器,就可完成将低输入的电池电压变换升压到所需的工作电压。

在需要输出电流大的情况下，可使用EXT外扩端，驱动外接晶体管或MOS管，使输出电流达到所需要的值。

内置EN使能端，可控制变换器电源的开关，关断状态时耗电仅1uA。

[8]

3.2.2PFM升压器特性

●最高工作频率:

500KHz；

●输出电压:

2.0V～5.0V（步进0.1V）；

●低启动电压：

0.8V（1mA）；

●输出精度:

优于±2.5%；

●最高效率：

87%；

●输出电流：

大于400mA（Vi=2.5V，Vo=3.3V）；

●低纹波，低噪声；

●通过外接驱动管，扩展输出电流。

3.2.3PFM升压器应用范围

电子词典、数码相机、LED手电筒、LED灯、血压计、MP3、遥控玩具、无线耳机、无线鼠标键盘、医疗器械、汽车防盗器、充电器、VCR、PDA等手持电子设备。

电源由AAA电池两颗提供。

电源透过L1、D1、U3形成PFM升压电路，R33与C9做为升压后电压滤波作用。

实测中，加上R33可降低50%之电源离讯。

Q4为VCC电源控制电晶体。

R13与R14分压值做为电压侦测位准。

具体工作方式：

当3V电压从L1流过给升压IC后，经升压从第3脚输出为5V，Q4为开关管，在关机状态下，Q4不导通，C9，C10为滤波电容。

当POWER键按下时Q4导通，输出一个5V的电压给Vcc，供电给其他设备。

如图3.4所示：

图3.4电源电路

3.3线性阀PWM控制电路

泄气速率以PWM（PulseWidthModulation脉宽调变）方式控制，MCU将依据压力值之泄气变化调整泄气速率在规格范围内。

C11与C12做为稳定电源与滤波作用，减少PWM控制避免电源变动造成电压不稳。

具体工作方式：

当充气到200KPA时，开始漏气，由IC发出一个信号给第3脚，经R12流过到Q2使Q2导通，输出一个2.7V的电压给V1，使V1开始工作，D2保护Q2和V1的正常工作而设计。

如图3.5所示：

图3.5线性阀PWM控制电路

3.4充气PUMP控制电路

PUMPcontrol讯号控制PUMP动作，R27为限流电阻。

具体工作方式：

由IC的4脚输出一个低电平约（0.6V）信号给R27，经Q1导通，VBT为Q5提供3V的电压，Q5导通输出一个3.2V的电压经PUMP，使PUMP导通。

D3为保护二极管，使PUMP能稳定工作。

如图3.6所示：

图3.6充气PUMP控制电路

3.5按键电路

开关连接单片机的27脚，构成整个系统的开关电源。

按下POWER键，则系统导通，开始工作。

如图3.7所示：

图3.7按键电路原理图

3.6液晶显示

3.6.1液晶显示特点

●显示质