基于AT89S51單片機的電子血壓計設計

顧 涵

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

2010年全國人口普查顯示，我國平均每五個家庭就有兩個高血壓患者，慢性低血壓的患病率增至4.8%，在老年人中更高達11.8%，電子血壓計已越來越多的成為家庭自測血壓的主要工具.目前市場上的電子血壓計一般都以MSP430或PIC16系列單片機[1]為控制核心，價格比較高，本文所設計的以AT89S51單片機為控制核心的電子血壓計，可大幅度降低電子血壓計成本.

1 設計原理

目前大多數電子血壓計都采用示波法[2]，示波法是通過充氣袖套阻斷上臂動脈血流來實現的.由于心搏血液動力學作用，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動，即脈搏波.當氣袖壓力遠高于收縮壓時，脈搏波消失.隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現，當袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時，脈搏波會突然增大，直到平均壓力達到最大值，然后又隨袖套壓力下降而衰減.示波法血壓測量就是根據脈搏波振幅與氣袖壓力之間關系來估計血壓的，與脈搏波最大值對應的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對應脈搏波最大振幅的比例來確定.

收縮壓和舒張壓的確定采用最大振幅法[3].放氣過程中，在脈搏波幅度包絡線的上升段，當某一個脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um（平均壓）之比剛剛大于Ks（Ks為經驗參數）時，就認為此時對應的氣袖壓力為收縮壓.而在脈搏波幅度包絡線的下降段，當某一個脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um（平均壓）之比剛剛小于Kd（Kd為經驗參數）時，就認為此時對應的氣袖壓力為舒張壓.袖帶氣壓和脈搏波經信號處理模塊的處理后，得出如圖1數據波形，下方為被測者的脈搏波，上方為血壓計升壓和降壓過程中的袖帶壓力.在此基礎上分析信號，提供收縮壓、舒張壓和平均壓的計算.

2 硬件設計

采用AT89S51單片機為控制核心，硬件電路主要由A/D轉換[4]、數據處理和顯示三大模塊組成，在附加電路的處理上盡可能采用程序來替代硬件邏輯實現，與采用MSP430或PIC16系列單片機的設計相比，大大簡化了硬件電路，降低了血壓計成本.

2.1 A/D轉換模塊

A/D轉換模塊選用8位逐次逼近型A/D轉換芯片ADC0832[5]，如圖2所示，由于信號采集包括脈搏信號和袖帶壓力信號，其中袖帶壓力信號為直流電壓信號，脈搏信號為小于2Hz的交流信號，因此在不增加器件的情況下，A/D通道至少為兩個.而芯片ADC0832正好符合此條件，A/D轉換時間為32μs，滿足通道數量和數據采集速度.另外，ADC0832價格便宜，可節省成本.

2.2 數據處理模塊

數據處理模塊采用AT89S51單片機的最小系統.如圖3所示，晶振選用12MHz，P0口作為普通I/O口使用，上拉4.7K電阻.單片機作為控制核心，主要有以下作用：接收按鍵控制并作出處理；讀取A/D轉換的血壓信息；處理分析血壓數據得出收縮壓和舒張壓及脈搏信息；控制顯示人體的血壓和脈搏信息.

圖3中，KEY1鍵為開始鍵，控制氣泵充氣，完成一次血壓測量.KEY2為復位鍵，當一次測量結束，液晶顯示測量結果后，按下KEY2鍵顯示結果清零，為第二次測量作準備.KEY1和KEY2直接接到單片機的外部中斷，可以在中斷時掃描按鍵以提高CPU的工作效率.24C256用來存儲A/D轉換的血壓直流分量和脈搏波交流分量，供單片機進行數據處理分析.WP為讀寫屏蔽引腳，高電平時為只讀操作（低電平時可讀可寫）.由于IIC總線為開路（集電極開路）時輸出，所以SDA、SCL上拉4.7K電阻構成回路.

2.3 顯示模塊

圖1 袖帶壓力、脈搏波形

圖2 A/D轉換電路

圖3 AT89S51單片機最小系統

1602點陣液晶顯示分為帶背光和不帶背光兩種，其控制器大部分為HD44780[6]，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在該設計中并無差別.本設計顯示部分采用1602點陣液晶帶背光顯示，液晶對比度的調節采用電阻分壓的方式實現對控制引腳VL的信號輸入.

3 軟件設計

硬件部分完成后，電子血壓計的功能實現關鍵是程序的編寫，程序主要包括下面四部分：主程序、血壓測量程序、A/D轉換程序和顯示程序.

3.1 主程序

主程序流程如圖4所示，加電后，首先完成系統的初始化工作，單片機開始給氣泵供電，讓袖帶迅速充氣至200mmHg左右.之后，單片機通過一路A/D開始采集袖帶氣壓，并根據袖帶氣壓下降的速度來控制排氣閥排氣，使袖帶內氣壓以3-5mmHg/s勻速降壓.同時，另外一路A/D開始采集脈搏信號，當脈搏振幅達到最大時，袖帶氣壓就是動脈的平均壓.動脈的收縮壓對應于振幅包絡線的第一個拐點，舒張壓對應于包絡線的第二個拐點，處理后的數據通過液晶顯示.

3.2 血壓測量

血壓測量流程如圖5所示，在測量模式下，氣泵自動充氣，當袖帶壓力大于等于200mmHg，無脈搏信號出現時，停止充氣，袖帶中氣體緩慢釋放.電路每隔5ms采集1次脈搏信號，在檢測到第1個峰值后，以5ms周期采集脈搏信號值和靜壓信號值，分別獲得脈搏信號序列和靜壓信號序列，并判斷采集的脈搏信號值是否為峰值.若是峰值，則記錄此時的脈搏信號值和靜壓信號值，以及從上一個峰值到當前時刻的時間差，分別生成峰值序列和峰值時間間隔序列.一般情況下，當袖帶壓力小于60mmHg時，脈搏信號峰值消失，當連續4s內檢測不到脈搏信號峰值時，退出本次血壓測量.

3.3 A/D轉換和顯示

A/D轉換流程如圖6所示，采樣信號分為兩路，一路為靜壓信號，另一路為脈搏信號，其中靜壓信號為直流信號，脈搏信號為頻率小于2Hz的電壓信號.本設計中采用低頻段最高頻率的4～10倍[7]作為采樣頻率，數據處理后在LCD1602液晶上顯示.

顯示部分程序編寫較復雜，需注意指令含義的理解，顯示部分流程圖如圖7所示.

圖4 主流程

圖5 血壓測量流程

圖6 A/D轉換流程

4 測量精度測試

為驗證設計效果，采用實驗板焊接血壓計硬件電路，用KeiluVision3編程，然后把調試通過程序生成的.HEX文件燒寫到AT89S51單片機中.用血壓計實驗電路和泰康品牌的TK-805型電子血壓計測量同一人血壓作對比，血壓計實驗電路的顯示值為收縮壓108.3mmHg，舒張壓78.6mmHg，而TK-805型電子血壓計的顯示值為收縮壓108.5mmHg，舒張壓78.3mmHg，從而可知舒張壓和收縮壓相對測量精度分別為0.184%和0.255%，測量精度較高.

圖7 液晶顯示流程

5 結束語

我們設計的以AT89S51單片機為控制核心的電子血壓計與市場上現有的傳統電子血壓計相比，可大幅度降低成本（至少降低一半以上），且測量精度較高，具有潛在的實際應用價值.

[1]王迎旭.單片機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]王虎.醫學論電子血壓計產業在中國的未來發展[J].醫學信息：中旬刊，2010（5）：2994-2995.

[3]張桂平.電子血壓計測量原理及存在的問題[J].醫療保健器具,2009（5）：48-49.

[4]李相偉.微機系統原理與接口技術[M].北京：國防工業出版社，2010.

[5]肖忠祥.數據采集原理[M].陜西：西北工業大學出版社，2010.

[6]楊天怡，黃勤.微型計算機控制技術[M].重慶大學出版社，2011.

[7]劉堅強，王永才.基于示波法的電子血壓計系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（4）：62-65.