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基于硅压式传感器的便携式电子血压计设计
作者：RFID世界网 收编
来源：RFID世界网
日期：2010-08-24 08:58:19
摘要：测量血压的传统仪器是机械式水银血压计，电子血压计近几年才在市场上出现。电子血压计与传统血压计相比，虽然操作简单、使用方便，但准确性、稳定性往往不太理想。本设计力求准确、稳定，以适用于老年人或病人随时监测自己血压情况及临床医学检测。
1 引言
测量血压的传统仪器是机械式水银血压计，电子血压计近几年才在市场上出现。电子血压计与传统血压计相比，虽然操作简单、使用方便，但准确性、稳定性往往不太理想。本设计力求准确、稳定，以适用于老年人或病人随时监测自己血压情况及临床医学检测。
在研究国内外已有产品或设计构思的基础上，使用先进的信号处理技术与智能控制技术，尽量消除脉搏提取处理中的噪声干扰与非线性失真，提高血压测量的准确性与稳定性，并提高了测量的自动化和智能化。
2 系统的硬件设计
本设计采用Motorola公司的MPX53GC硅压式传感器和TI公司MSP430F149单片机为主要器件， 构成电子血压计，系统构成如图1。系统由MCU、 传感器、LCD液晶显示器、操作面板、充放气控制 电路、气泵和气阀、蜂鸣器、存贮器、电源等部分 构成。
单片机是整个系统的大脑，它不仅要对系统进 行监控、对数据进行运算处理，而月．要通过对测量 结果的判定调整硬件的参数；使系统能够自动调节 在最佳的工作状态，具有一定的智能性。根据系统 的设计要求，选用TI公司的MSP430F1 49单片机 。
MSP430内嵌ADC12，它是12位的A／D模数转 换器，具有高速、通用的特点。ADC12可对8个外 部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换。 ADC12具有通用的采样／保持电路，给用户提供了 采样时序的各种选择。MSP430F149单片机则能很 好满足系统设计的要求。
2．2 传感器电路设计
MPX53GC是Motorola X型传感器，该类传感器价格低廉、线性优良、噪声小、响应迅速，并且在 恒流源供电的情况下具有温度白补偿挣陛。传感器电路的组成如图2所示，压力传感器的输出信号先 经过滤波电路，然后进行放大，同时单片机 MSP430F149将产生1：10脉宽控制锯齿波发生器， 产生锯齿波与经过处理的压力信号相比较，将电平 信号转换为脉宽信号。单片机MSP430F149测量脉宽，然后经过相应的运算处理转换为收缩压(SP)、舒张压(DP)、平均压(MP) 。
在血压测量过程中，由于传感器MPX53GC输 出的信号极其微弱，而且混有高频噪声，如果电路 设计不合理，微弱的信号就会被噪声淹没。因此在 每一级放大电路中，都应有相应的噪声滤除或抑制 电路 ，此外要尽量的消除分布电容与分布电感的 耦合，在必要处进行屏蔽。如图3所示，采用有源低通滤波器，有效地削弱高频噪声，并适当放大信 号。其频率函数可表示为：
充放气电路也是影响测量准确度的一个重要因素。因此，怎样控制充气阀和放气阀，才能得到最好的测量结果是关键。在测量过程中，我们采用 单片机MSP430F149控制充放气速率，根据压力大小进行控制充气阀和放气阀的动作，这样不但能够 准确控制充放气的速率，而且能很好的监测整个系 统的运行情况，此外，还可以避免一些意外的人体伤害。
其控制过程见图4充气电路如图5所示。在充气过程中．可以稍 微快点充气，并估计收缩压和舒张压，以便计算放 气速率。当达到最大值后停止充气，开始慢慢的均 速放气。放气过程中，采用PWM脉宽调制进行控 制，并时刻察觉血压袖套CUFF的压力情况，保持 匀速放气。最后当压力小于20mmHg时，立即把放 气阀全部打开。
本系统采用LCD驱动器HT1621，它为128(32 ×4)段LCD驱动器，可驱动多个LCD液晶屏。它 与单片机接口如图6所示，接口只须四根线。 线 用以初始化串行接口电路并终止MSP430F149与 HT1621的通信。数据的渎／写及命令的写入通过数 据线传输。RD读信号，RAM 内的数据在RD信号 的下降沿送至数据线上，使MSP430F 149在而信 号的上升沿及下一个下降沿之间读入正确的数据。
一WR为写信号，数据线上的数据、地址及命令可在 一WR信号上升沿写入HT1621。IRQ为可选择控制。
2．6电源模块设计
本系统电源采用两节1．BY 的电池供电，经过 XC6382芯片升压至3．5V直接为系统提供电源。
3 软件设计
软件部分是整个系统有效工作的核心，系统只 有在软件和硬件有机结合，才能正常工作。
3．1 采集与控制程序模块
它完成采集资料(压力传感器信号，按键信号 等)，控制充放气等功能。其程序流程如图7所示。
3．2 数据处理和显示模块
数据处理和显示模块完成对压力传感器数据 进行数字滤波，计算出收缩压、舒张压、平均压及 脉搏，然后把相应数据储存到EEPROM(24C256)并 显示到液晶屏(HT1621)．程序流程图如图8所示。
测量系统需要标定，电子血压计也不例外。在 软件系统中专门有一个压力标定程序，该程序的作 用是帮助调试者进行调试。调试过程如下：给系统 零压力(即：让传感器与大气连通)，经过一段时 间稳定后，系统自动记录零点的脉宽；然后提示调 试者，给系统300mmHg的压力，此时调试者应将 显示的数值调整到16268±100以内，系统即标定完毕。
5 结论
通过一系列的分析、研究和改进，系统的设计较好的达到我们测试的要求。在测量的过程中，被 测者应做到保持不动，否则可能因为被测者的动作 形成一个假脉冲信号，同时可能改变CP信号。为 了进一步提高准确性和可靠性，传感器线性、PCB 板布线、气泵和气阀选择等等都需要进一步研究改进。
测量血压的传统仪器是机械式水银血压计，电子血压计近几年才在市场上出现。电子血压计与传统血压计相比，虽然操作简单、使用方便，但准确性、稳定性往往不太理想。本设计力求准确、稳定，以适用于老年人或病人随时监测自己血压情况及临床医学检测。
在研究国内外已有产品或设计构思的基础上，使用先进的信号处理技术与智能控制技术，尽量消除脉搏提取处理中的噪声干扰与非线性失真，提高血压测量的准确性与稳定性，并提高了测量的自动化和智能化。
2 系统的硬件设计
本设计采用Motorola公司的MPX53GC硅压式传感器和TI公司MSP430F149单片机为主要器件， 构成电子血压计，系统构成如图1。系统由MCU、 传感器、LCD液晶显示器、操作面板、充放气控制 电路、气泵和气阀、蜂鸣器、存贮器、电源等部分 构成。
单片机是整个系统的大脑，它不仅要对系统进 行监控、对数据进行运算处理，而月．要通过对测量 结果的判定调整硬件的参数；使系统能够自动调节 在最佳的工作状态，具有一定的智能性。根据系统 的设计要求，选用TI公司的MSP430F1 49单片机 。
MSP430内嵌ADC12，它是12位的A／D模数转 换器，具有高速、通用的特点。ADC12可对8个外 部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换。 ADC12具有通用的采样／保持电路，给用户提供了 采样时序的各种选择。MSP430F149单片机则能很 好满足系统设计的要求。
2．2 传感器电路设计
MPX53GC是Motorola X型传感器，该类传感器价格低廉、线性优良、噪声小、响应迅速，并且在 恒流源供电的情况下具有温度白补偿挣陛。传感器电路的组成如图2所示，压力传感器的输出信号先 经过滤波电路，然后进行放大，同时单片机 MSP430F149将产生1：10脉宽控制锯齿波发生器， 产生锯齿波与经过处理的压力信号相比较，将电平 信号转换为脉宽信号。单片机MSP430F149测量脉宽，然后经过相应的运算处理转换为收缩压(SP)、舒张压(DP)、平均压(MP) 。
在血压测量过程中，由于传感器MPX53GC输 出的信号极其微弱，而且混有高频噪声，如果电路 设计不合理，微弱的信号就会被噪声淹没。因此在 每一级放大电路中，都应有相应的噪声滤除或抑制 电路 ，此外要尽量的消除分布电容与分布电感的 耦合，在必要处进行屏蔽。如图3所示，采用有源低通滤波器，有效地削弱高频噪声，并适当放大信 号。其频率函数可表示为：
充放气电路也是影响测量准确度的一个重要因素。因此，怎样控制充气阀和放气阀，才能得到最好的测量结果是关键。在测量过程中，我们采用 单片机MSP430F149控制充放气速率，根据压力大小进行控制充气阀和放气阀的动作，这样不但能够 准确控制充放气的速率，而且能很好的监测整个系 统的运行情况，此外，还可以避免一些意外的人体伤害。
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其控制过程见图4充气电路如图5所示。在充气过程中．可以稍 微快点充气，并估计收缩压和舒张压，以便计算放 气速率。当达到最大值后停止充气，开始慢慢的均 速放气。放气过程中，采用PWM脉宽调制进行控 制，并时刻察觉血压袖套CUFF的压力情况，保持 匀速放气。最后当压力小于20mmHg时，立即把放 气阀全部打开。
本系统采用LCD驱动器HT1621，它为128(32 ×4)段LCD驱动器，可驱动多个LCD液晶屏。它 与单片机接口如图6所示，接口只须四根线。 线 用以初始化串行接口电路并终止MSP430F149与 HT1621的通信。数据的渎／写及命令的写入通过数 据线传输。RD读信号，RAM 内的数据在RD信号 的下降沿送至数据线上，使MSP430F 149在而信 号的上升沿及下一个下降沿之间读入正确的数据。
一WR为写信号，数据线上的数据、地址及命令可在 一WR信号上升沿写入HT1621。IRQ为可选择控制。
2．6电源模块设计
本系统电源采用两节1．BY 的电池供电，经过 XC6382芯片升压至3．5V直接为系统提供电源。
3 软件设计
软件部分是整个系统有效工作的核心，系统只 有在软件和硬件有机结合，才能正常工作。
3．1 采集与控制程序模块
它完成采集资料(压力传感器信号，按键信号 等)，控制充放气等功能。其程序流程如图7所示。
3．2 数据处理和显示模块
数据处理和显示模块完成对压力传感器数据 进行数字滤波，计算出收缩压、舒张压、平均压及 脉搏，然后把相应数据储存到EEPROM(24C256)并 显示到液晶屏(HT1621)．程序流程图如图8所示。
测量系统需要标定，电子血压计也不例外。在 软件系统中专门有一个压力标定程序，该程序的作 用是帮助调试者进行调试。调试过程如下：给系统 零压力(即：让传感器与大气连通)，经过一段时 间稳定后，系统自动记录零点的脉宽；然后提示调 试者，给系统300mmHg的压力，此时调试者应将 显示的数值调整到16268±100以内，系统即标定完毕。
5 结论
通过一系列的分析、研究和改进，系统的设计较好的达到我们测试的要求。在测量的过程中，被 测者应做到保持不动，否则可能因为被测者的动作 形成一个假脉冲信号，同时可能改变CP信号。为 了进一步提高准确性和可靠性，传感器线性、PCB 板布线、气泵和气阀选择等等都需要进一步研究改进。
