毕业设计-电子血压计.doc
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毕业设计-电子血压计
目录
1引言………………………………………………………………………………………….1
2血压计总体概述…………………………………………………………………………….3
2.1血压计简介…………………………………………………………………………..3
2.1.1便携式血压计的简单介绍…………………………………………………..3
2.1.2便携式血压计功能简介……………………………………………………..3
2.1.3便携式血压计使用注意事项…………………………………………………3
2.2血压计装置设计方案………………………………………………………………..4
2.3血压计测量与工作原理……………………………………………………………..5
2.3.1血压测量的工作原理………………………………………………………..5
2.3.2血压计的工作原理…………………………………………………………..6
3硬件电路的设计…………………………………………………………………………..6
3.1MCS-51单片机的简介及其电路设计……………………………………………….6
3.1.1单片机的介绍………………………………………………………………….6
3.1.2单片机电路设计…………………………………………………………….11
3.2传感器简介以及外接电路的设计………………………………………………….13
3.2.1传感器介绍………………………………………………………………….13
3.2.2传感器与单片机连接的电路设计………………………………………….15
3.3模数转换器的设计………………………………………………………………….15
3.3.1A/D转换原理………………………………………………………………..15
3.3.2ADC0809与MCS—51单片机的连接………………………………………..16
3.4液晶显示模块电路设计…………………………………………………………….17
3.4.1数码管显示模块的设计…………………………………………………….17
3.4.2LED显示器与单片机的连接电路设计……………………………………..17
4系统流程图以及程序的设计……………………………………………………………..18
4.1单片机主程序流程图……………………………………………………………….18
4.2数据采集流程图…………………………………………………………………….18
4.3数据显示流程图…………………………………………………………………….19
4.4.电子血压计运作程序设计………………………………………………………..19
结论………………………………………………………………………………………….21
参考文献……………………………………………………………………………………..22
谢辞…………………………………………………………………………………………..23
基于单片机的电子血压计的设计
顾斌
（德州学院机电系，山东德州253023）
摘要：
随着现代社会的快速发展，人们的生活质量的提高，带来了不健康的饮食与生活规律，导致了越来越多疾病的出现。
其中，“高血压病”被称为人类第一无形杀手，可见它的可怕程度。
便携式家用血压计，非医护人员也可方便操作。
随着家庭医疗保健的流行，这种血压计的市场得以开发。
在过去，人们测量血压不得不去医院，而如今只要拥有这种血压计，在家里即可随时监测血压，做到早发现早治疗，降低了脑出血.心功能衰竭等猝发疾病的危害。
该血压计以NPC1210压力传感器测得血压值，再将血压数据通过ADC0809数模转换器转换成数字信号，传入89C51单片机，然后由单片机控制，经主程序处理数据之后，在LED液晶显示器上把数据显示出来。
关键词：
NPC1210压力传感器;89C51单片机;ADC0809数模转换器;LED液晶显示模块
1引言
现如今人们的生活水平提高了，越来越观注自己的身体健康，血压是身体康的一项重要指标。
血压的高低可直接影响全身各组织器官的血液供给。
若血压过低，可造成组织器官供血不足。
相反，血压过高，增加心脏负担，久而久之，导致心衰，同时血管弹性下降，脆性增加，脑动脉破裂，出现脑出血[1]。
据2012年全国普查显示，我国每三个家庭就会有一个高血压患者；尤其在老年人群中患病可达12%。
因此，研发便捷家庭使用型血压计具有重要意义。
在疾病排名册上，高血压的危害已居前几位。
对于老年人群，血压血压是一个重要的健康信号。
高血压是最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一。
高血压病不仅是危害人体健康的一种慢性病，而且它还是脑中风、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、肾衰等疾病的祸首，因此被人们称为“无形杀手”。
高血压对人体的损害是全身性的，也是造成死亡的恶魔，直接威胁着人的生命，所以，对高血压这个无形杀手，不可掉以轻心。
预防高血压病，首先量测量准确的血压。
正常的收缩压为：
90-140mmHg（12.0-18.6kpa）舒张压为：
60-90mmHg（8.0-12.0kpa），正常血压的范围：
正常成人在安静状态时，动脉压为：
30-40mmHg（4.0-5.3kpa）
我们常用血压计测量血压。
测量血压时，是以血压和大气压作为比较的，用血压高于大气压的数值表示血压的高度。
常用血压计有
（1）汞柱式:
玻璃管面标有双刻度；一侧为0~300mmHg,最小分度值为2mmHg；一侧为0~40kPa,最小分度值为0.5kPa；玻璃管上端盖以金属帽与大气相通，下端和汞槽相通,汞槽内有水银；特点：
测得数值准确可靠，但较笨重不易携带，且玻璃管部分易破裂。
（2）表式：
又称弹簧式血压计。
外形似表,呈圆盘状，正面盘上标有刻度及读数，盘中央有一指针,以提示血压数值。
特点携带方便，但准确性不如汞柱式血压计（3）电子血压计袖带内有一换能器，有自动采样单片机控制数字运算，自动放气程序。
数秒钟内可得到收缩压、舒张压、脉搏数值。
特点是操作方便，不用听诊器，省略放气系统，排除听觉不灵敏，噪音干扰等造成的误差，但准确性不如汞柱式血压计[2]。
结构如图1：
图1血压计外观图
传统的血压计操作比较复杂，而且受环境的影响较大。
在使用时，需要用一个准确的汞柱血压计一同校核，专业性较强。
为了让每个血压计使用者更方便的使用与维护血压计；我们设计了一台操作便捷，测量精确，无需维护的智能型测量血压的装置，用来帮助人们急早的发现高血压迹象。
目前生活中使用的血压计大部分是水银式的。
水银血压计每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂，只能是每个医生一次对一个人进行测量;而且对不同的医生，测量结果可能不同:
对同一个人来说，影响血圧因素也非常多，，测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值。
血压随年龄的增加而增高，新生儿血压最低，小儿血压比成人低，中年以前女性血压略低于男性，中年以后差别较小；一般白天血压高于夜间，过度劳累或睡眠不佳时，血压稍增高；在寒冷环境中血压可升高，高温环境中血压可略下降；紧张、恐惧、兴奋及疼痛均可导致血压升高，舒张压一般无变化。
劳动、饮食、吸烟和饮酒也可影响血压值。
将脉动波的记录引入动态血压技术，提供24小时内的每次血压测量结果，而且能再现每次测量过程中的波形。
在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的。
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。
本课题研究设计动态血压记录仪，使每次测量结果完全透明，实时分析，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效查找出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。
2血压计总体概述
2.1血压计简介
2.1.1便携式血压计的简单介绍
该产品体积小，重量轻，可方便携带。
与传统血压计相比，无水银，避免了因水银泄露而造成环境污染的问题。
操作简单易行，适合家庭使用。
2.1.2便携式血压计功能简介
该血压计以压力传感器测得血压值，再将血压数据通过A/D转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由单片机控制，经主程序处理数据之后，在液晶显示器上把数据显示出来。
2.1.3便携式血压计使用注意事项
1.患者取坐位或仰卧位，被测肢体应和心脏处于同一水平，上臂自然下垂，坐位时平第四肋软骨；卧位平腋中线，平整地将袖带置于上臂中部，距肘窝下缘2-3cm
2.需密切观察血压者应做到四定
定时间、定部位、定体位、定血压计，有助于测定血压的准确性和对照的可比性
3.为偏瘫、肢体外伤或手术的患者测血压应测健测肢体
4.排除影响血压的外界因素
袖带过宽、过窄；袖带缠得过紧、过松；肢体位置过高、过低等因素对血压值的影响
5.袖带宽度要合适，
袖带太窄，须加大力量才能阻断动脉血流，测得数值偏高;袖带太宽，大段血管受阻，测得数值偏低
6.肱动脉位置高于心脏水平，测得血压值偏低;低于心脏水平，测得血压值偏高
7.袖带过松，橡胶带呈气球状，有效测量面积变窄，使血压测量值偏高;袖带过紧，使血管在未注气时已受压，使血压测量值偏低
8.发现血压听不清或异常，应重复测量;应将袖带内气体驱尽，稍等片刻再复测，一般连续测2~3次，取其最低值
9.当舒张压的变音和消失音之间有差异时;应记录两个读数，即变音~消失音数值
如180/90~70mmHg
10.不要在浴后、吸烟、饮酒、喝咖啡后测血压[3]。
2.2血压计装置设计方案
2.2.1设计要求
该种血压计是将传感技术与单片机有机结合而成的，它的结构应该保证完成三项基本流程：
1、感应血流的压力，并能够将信号转变成压电信号；2、利用单片机技术判断高压与低圧；3、在屏幕上显示测量结果。
对于传感器的要求是：
高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。
能根据血压变动及时抓住高、低压，体积小，集成度高，抗干扰能力强，可靠性高，价格低，程序简单，运用灵活，易于实现产品化的单片机，使用具有显示清晰，亮度高.寿命长等优点的显示器，因此我们在此设计中采用了LED显示器。
2.2.2具体设计方案
本设计是基于89C51单片机的设计，具体装置方案如图2所示：
恒流电源
ADC0809
A/D模数转换
LED显示屏
89C51
单
片
机
NPC-1210压力传感器
电源
气袖
图2血压计各部件连接图
系统工作示意图：
图3系统工作图
接通电源后，我们可以通过键盘对血压计的参数进行设计。
参数设置后，系统将会启动A/D转换，转换结束后将进行数据处理阶段，若未转换完毕将进行程序循环继续转换。
数据处理阶段将会对转换的数据进行采样，分析出最大值和最小值，将最大、最小值按血压原理定为收缩压和舒张压，经由单片机将其送到LED显示器进行显示。
2.3血压计测量与工作原理
2.3.1血压测量的工作原理
血压的测量采用传统的示波法[4]。
当袖带压力振荡波的振幅达到最大时，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。
收缩压数值得确定：
通常采用最大的振幅法，气袖在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升阶段中，如果某一个脉搏波的幅度与Um之比时，对应的气袖压力便定义为收缩压。
计算公式为：
（1）
舒张压数值的确定：
与收缩压不同的是在脉搏波振幅包络线的下降段中，如果一个脉搏波的幅度与之比时，对应的气袖压力便定义为舒张压。
计算公式为：
（2）
图4血压交直流信号及收缩压和舒张压位置
首先找到最大振幅值Amax处,往前找到幅值为0.5Amax的瞬态位置处，此位置所对应的血压直流分量的值定为收缩压,往后找到幅值为0.8Amax的瞬态位置处，此位置所对应的血压直流分量定为舒张压,将计算出的收缩压和舒张压的值经单片机的控制输出到LED液晶显示。
2.3.2血压计的工作原理
当袖带充气时，袖带内部便会产生一定压力，数字压力传感器NPC-1210感应到该压力时，经过放大以及滤波电路后，由单片机89C51的第1脚读入，并进行A/D转换。
单片机在程序的控制下，严格按照NPC-1210压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进行运算，然后经LED数码管液晶显示模块进行显示。
3硬件电路的设计
3.1MCS-51单片机的简介及其电路设计
3.1.1单片机的介绍
MCS-51系列单片机是Intel公司生产的产品。
MCS-51系列具有8位处理能力的CPU。
128byte内部数据读写存储器，32位双向输入/输出线，1个全双工的异步串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源2级中断优先级，时钟发生器，可寻址64KB程序存储器和64KB外部数据存储器等部分[9]。
图5MCS-51系列单片机的总体结构
OSC
CPU
ROM
中断控制
RAM
定时器
总线控制
4*8I/O
串行口
GND
GND
1.微处理器的组成及工作原理
微处理器是单片机中实现运算和控制的部件，由运算器和控制器两部分组成。
（一）运算器
运算器主要实现对操作数的运算、逻辑运算和位运算。
运算器通常由算术逻辑运算部件、累加器、暂存器、程序状态字、十进制调整电路和布尔处理器等组成。
（1）算数逻辑运算部件（简称ALU），主要完成加、减、乘、除、加1（增量）、减1（减量）、十进制调整等算数运算，也能完成位置、复位、取反等位操作，还能完成与、或、非等逻辑运算，同时完成数据传送的操作。
（2）累加器（简称ACC），用于存放算术逻辑运算部件需要运算的操作数，或者用于存放算数逻辑运算部件运算操作的结果。
（3）暂存器（简称TMP），用于暂存算数逻辑运算部件需要运算的操作数，使进入算数逻辑运算部件的两个操作数能够被同步地送到ALU的两个入口进行运算。
（4）程序状态字（简称PSW），用于存储程序运行中的各种状态信息。
程序状态字中每一位都可以用来代表某一种状态，由运算器的过程或结果对其进行设置和改变。
P奇偶标志位（D0）--表示累加器中的运算结果中1的个数是奇数还是偶数，结果中1的个数为奇数时置1，否则为0.
OV溢出标志位（D2）--表示运算结果是否溢出，即是否超出累加器可表示的带符号数范围（-128--+127）,有溢出时OV置1，否则置0.
RS1.RS2工作寄存器区选择标志位（D4.D3）--两位组合用于指定4个工作寄存区之一，00表示1区，01表示2区，10表示3区，11表示区。
F0用户标志位（D5）--用于用户自定义的状态标志。
AC辅助进位标志（D6）--进行8进位数加减运算时，若低4位向高4位有进位或借位时，该位置1，否则置0。
CY进位标志（D7）--进位算数运算时，最高位有进位或借位，该位置1，否则置0。
（5）十进制调整电路，用于对采用BCD码表示的操作数在进行了二进制运算后的结果进行调整，使其运算的结果仍然保持为BCD码的形式。
（6）布尔处理器，用于实现位操作和逻辑运算。
位操作和逻辑运算都是以位为单位进行运算的，通过布尔处理器可以进行二进制位的置位（置1）、复位（置0）、取反、二进制数的与（逻辑乘）、或（逻辑加）、非（逻辑反）运算。
2.控制器
（1）程序计数器PC，用于存放下一条要读取的指令的程序存储地址。
读取指令时，PC将其保存的地址输出到程序存储器，在选通信号的控制下，将指定地址单元的内容读出。
同时对程序计数器PC自动加1，生成下一个程序存储器地址。
（2）指令寄器IR，用于存放从程序存储器中读出并将该指令送到指令译码。
（3）指令译码器ID，用于对指令寄存器中的指令进行译码，产生各种控制信号，控制单片机的各个部件正常工作。
（4）数据指针DPTR，用于存放片外数据存储器地址或I/O端口地址。
数据指针DPTR是16位的地址寄存器，用于指出片外数据存储器或I/O端口的地址，并且用户可以直接访问，可以作为两个8位寄存器被访问，其中DPL是DPTR的低8位，DPH是DPTR的高8位。
（5）堆栈指针SP，用于存放堆栈存储区的当前单元地址。
能够在堆栈操作时自动进行加1和减1的操作，以改变栈顶单元的地址，保证进出栈操作的正常进行。
栈是按后进先出的原则进行操作的存区，用于保存一些特殊的信息。
堆栈存区设置在数据存储区，栈顶位置由堆栈指针SP中存放的8位地址指出。
进栈时SP内容自动加1，出栈时SP内容自动减1.系统复位后，SP的值为07H。
（6）时钟发生器、定时控制逻辑、复位电路，用于产生微处理器工作所需要的时序信号，并通过时序信号的同步，产生系统控制所需要的各类控制信号，以保证系统有序地运行。
3.存储器
（1）程序存储器
程序存储器的地址通过16位的程序计数器PC提供，寻址空间为64KB。
在使用片外程序存储器时，程序计数器PC提供的地址经P0和P2两个8位端口送出，供片外程序存储器使用。
处理器通过EA引脚输入的电平来确定使用片外程序存储器还是片内程序存储器。
当EA引脚输入的电平为高电平时，系统默认使用片内程序存储器，只有当使用的地址超出片内程序存储器地址范围时，才会转向片外程序存储器。
而当EA引脚输入的电平为低电平时，无论是否有片内程序存储器，系统都将只使用片外程序存储器。
数据存储器
（2）包括片内数据存储器和片外数据存储器，采用各自独立的编址方式。
片外数据存储器的地址通过数据指针DPTR或寄存器R0、R1，以间接寻址的方式提供16位地址，经P0、P2端口送出，实现64KB的寻址空间。
片内数据存储器的存储空间为256B，采用8位地址编码，通过相应的指令直接访问。
片内数据存储器可以分为工作寄存区、位寻址区、数据区、特殊功能寄存区等部分。
4、输入输出控制
（1）P0口
P0口是8位的三态I/O口，具有两种工作方式:
一般输入/输出端口方式和地址/数据端口方式，在单片机无外部地址需求的情况下，P0口可作为一般输入/输出端口使用。
通过控制信号为0使多路电子开关MUX接通内部锁存器，锁存器中的数据被输出到端口的引脚。
输入时，端口引脚的数据直接被读入内部数据总线，为保证输入数据的可靠，内部锁存器必须置1.在这种工作方式下，端口的引脚必须外接5—10千欧的上拉电阻，以保证1的正常输出。
（2）P1口
P1口是准双向I/O口，它的每一位都可以被定义为输入或输出。
输出时将数据写入锁存器，锁存器的内容被直接送出引脚。
输入时，必须先将锁存器的值置1，使场效应管截止，引脚的数据直接被读入内部数据总线。
P1端口的位结构如下图所示：
DQ
P1.X
锁存器
CLQ
P1.X
内部总线
写入控制
读引脚
读锁存
图6P1口位结构
UCC
内部上拉
（3）P2口
P2口是准双向I//O，具有两种功能。
既可以作为一般的输入输出口使用，也可以作为外部存储器的地址输出端口使用。
P2口的位结构如下图所示：
DQ
P0.X
锁存器
CLQ
P2.X
内部总线
写入控制
读引脚
读锁存
地址/数据
控制
图7P2口位结构
UCC
内部上拉
MUX
（4）P3口
P3口是准，双向多功能I/O，既可以作为一般的输入输出端口使用，也可以作为特殊功能I/O口使用。
P3口的位结构如图所示：
DQ
P0.X
锁存器
CLQ
P3.X
内部总线
写入控制
读引脚
读锁存
交替输出功能
图8P3口位结构
UCC
内部上拉
交替输入功能
P3口各位的特殊功能如表所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
3.1.2单片机电路设计
1.MCS—51单片机的复位电路
系统复位是任何微机系统执行的第一步，它能使整个控制芯片回到默认的硬件初始状态下。
复位对单片机来说，就是回到初始状态，程序计数器赋值0000H,为程序运行做好准备工作。
单片机复位后程序计数器值变为0000H，即程序将从0地址开始执行。
程序状态寄存器PSW清零，自动选择0工作寄存器区。
堆栈指针设定为07H，定时器/计数器设定为方式0，并将计数器初值置0。
中断全部禁止，各中断源的优先级均为0,4个端口的锁存器全部置1，并处于输入状态[10]。
在单片机的RST引脚上加上高电平并保持两个机器周期（24个时钟振荡周期），就可以完成复位操作。
这种复位电路的工作原理是;通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，经过一段时间，达到低电平，单片机开始正常工作。
根据实际操作的经验，下图为复位电路的电容、电阻参考值分别为C=10uF,R1=1千欧,R2=10千欧。
C
+5V
RST
MCS-51系列
R2
R1
图9单片机的复位电路
2.单片机的时钟电路：
XTAL2（18引脚）;单片机内部振荡电路反相放大器的输出端。
XTAL1（19脚）：
单片机内部振荡电路反相放大器的输入端。
由于内部振荡器方式所得的时钟信比较稳定，因此在实用电路中使用的比较多。
其中，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般为5—30pF,典型值为30pF,晶体振荡器频率f（osc）的范围是1.2—12MHZ.
单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，振荡频率二分频后形成状态周期或称S周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。
将振荡频率f（osc）进行12分频后形成机器周期MC,故1个机器周期包含6个状态周期或12个振荡周期。
执行一条指令的时间叫做指令周期。
8051单片机指令系统中，各条指令的执行时间在1—4个机器周期之间。
XTAL1
MCS—51
XTAL2
C1
晶振
C1
图10内部振荡方式电路接法
3.2传感器简介以及外接电路的设计
3.2.1传感器介绍
本次设计我选用NPC-1210系列固态压力传感器，因为它的准确度高，且输出信号为0～100mV。
它的压力接口和引脚结构提供了优良的灵活性，尤其是在压力连接方向要求严格的应用中。
NPC1210压力传感器是基于美国GE公司NovaSensor先进的SenTable压电电阻技术。
最新硅片微机械技术被应用于压阻应变片被离子注入在惠斯通桥路结构内。
NPC1210压力传感器具有优良的温度特性，温度补偿范围为0~60℃。
它将一个增益设置电阻集成在传感器内，使传感器可以互换。
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