基于單片機的血壓計設計

高振東

（隴東學院信息工程學院，甘肅慶陽,745000）

0 引言

人類社會在不斷的進步和發展，人們的生活水平也在不斷地提高，尤其是城市居民的生活節奏也在加快。為了保證生活質量，人們越來越關注自己的身體健康[1]。傳統的血壓計是模擬的血壓計，這類血壓計在進行測量血壓的時候有很多步驟，測量的準確度有限，環境影響很大，并且要經常校準。此類血壓計的使用與維護相對麻煩，為了讓廣大血壓計使用者更方便的使用與維護血壓計，也讓更多的人學會使用血壓計進行簡單的血壓測量，本文設計出一臺操作便捷，測量精確，無需維護的智能型測量血壓的裝置，以幫助人們對抗高血壓[2]。

1 電子血壓計的工作原理

電子血壓計主要有袖帶、氣泵、放氣閥、壓力傳感器、信號調理電路、液晶顯示模塊和控制電路構成，其基本原理如下。

首先由氣泵對袖帶進行加壓，控制器檢測壓力傳感器的反饋值，直至袖帶中的氣壓能夠切斷動脈血流，這時氣泵停止工作。然后，控制器控制放氣閥打開，進行緩慢放氣，當袖帶中的氣壓與人體心臟收縮壓力相等時，動脈血流將再次流通，從而使壓力傳感器的反饋值發生改變，控制器此時記錄的壓力值即為人體的收縮壓（最高血壓）；保持放氣閥繼續緩慢放氣，直至壓力傳感器的反饋信號不發生改變時，這時記錄的壓力值即為人體的舒張壓（最低血壓）。最后，得到的結果在液晶顯示屏上顯示。

2 系統設計方案

本文所設計的電子血壓計，具備的功能：能夠實現對人體血壓值的測量；在測量過程中能夠記錄人體的脈搏值；能夠對測量記錄值直觀顯示；具有自動控制功能。

根據上述的功能需求，提出便攜式電子血壓計的設計方案結構圖如圖1所示。

由圖1可以看出，便攜式電子血壓計主要由以下功能模塊構成。

1、主控單元：主要負責電子血壓計在整個測量過程中，各功能單元相互間工作的協調和同步。除此之外還應具有數據處理能力，能夠實現壓力值與顯示值之間的轉換。

2、驅動電路：主要負責對主控單元的輸出信號加以放大，轉去控制功率元件（氣泵或放氣閥），以實現對袖帶的充放氣功能。

3、壓力傳感器及信號調理電路：主要負責測量充氣袖帶中的氣壓值，并將其轉換為電信號送入控制單元。

4、液晶顯示及功能按鍵單元：為用戶提供一個良好的人機交互環境，能夠根據用戶的需求，將結果在液晶面板顯示。

5、系統供電單元：該單元用來為整個系統供電。

2.1 主控單元

采用美國Freescale公司生產的MC9S12系列的低功耗16位單片機MC9S12XS128[3]。

該單片機的PWM單元具有8路的輸出，每路可獨立設置，且每路的控制精度都為16位。另外，該單片機的ADC單元具有2組10位的AD轉換模塊。并且該單片機內部具有PLL（鎖相環）電路，能夠通過倍頻使系統的執行速率達到40MIPS。

2.2 驅動電路

驅動電路主要是對來自控制單元的控制信號加以識別處理后，再進行放大去控制功率元件。電子血壓計系統中的功率單元只有氣泵和放氣閥。驅動電路主要完成對流過線圈中的電流進行開通和關斷的控制。由此，采用共射極驅動電路控制氣泵和放氣閥。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器主要實現將充氣袖帶中的氣壓值的轉換為單片機可識別的電信號。設計采用臺灣生產的US9111-006型壓力傳感器。

圖1 電子血壓計的結構框圖

2.4 系統電源的設計方案

考慮到電子血壓計系統是一個模數混合系統。在該系統中應盡量將模擬電路與數字電路進行分割保護，以保證設備工作的精度。

3 電子血壓計的硬件電路設計

3.1 硬件整體方案設計

根據本文設計的內容以及提出設計方案，現給出設計的整體硬件結構框圖如圖2所示。

該硬件系統由六大電路構成。分別為單片機電路、驅動電路、運放電路、按鍵電路、液晶電路構成和電源電路。

3.2 單片硬件電路設計

本設計中選取Freescale公司生產的16位的單片機MC9S12XS128。單片機的最小系統是由時鐘電路，復位電路和下載電路構成的。

3.2.1 時鐘電路硬件設計設計

由于MC9S12XS128單片機內部具有鎖相環單元，鎖相環單元通過使外部時鐘信號的頻率提高，從而產生系統工作的總線頻率，可以達到40MHz。由此可見，只有設計出穩定、可靠的時鐘電路，可能為單片機的可靠工作提供有力的保障。

本設計中采用外部時鐘，完成時鐘電路的硬件設計，所謂外部時鐘電路，指的是系統的時鐘是由外部獨立的時鐘電路產生，其工作不依賴單片機內部的振蕩器，采用該方法進行時鐘電路的設計能有效抑制外界干擾，以保證系統時鐘的可靠運行[4]。

3.2.2 復位電路硬件設計

復位電路主要完成對系統各個寄存器的初始化，以保證系統的可到運行。系統復位電路一般分為手動復位和上電復位兩種方式，本設計中將兩種復位功能集成在一個硬件電路上實現， 由于MC9S12XS128單片機的復位信號為低電平有效，本設計中使用專用的復位芯片MAX6822位單片機提供有效的復位信號，以保證對單片機各個寄存器進行成功的初始化[5]。

3.3 驅動電路硬件設計

驅動電路負責接收來自MC9S12XS128的控制信號，并將其功率放大轉而去控制氣泵和放氣閥。

3.3.1 氣泵驅動電路硬件設計

設計中采用共射極驅動電路實現對氣泵SC3302PM的有效控制。選擇NPN型三極管TIP41作為驅動元件。TIP41采用達林頓結構，能夠有效的對集電極電路進行放大，以滿足設計的需求。

3.3.2 放氣閥驅動電路硬件設計

放氣閥硬件電路的設計與氣泵采用同樣的共射極驅動電路實現，對放氣閥的控制原理同上述氣泵的控制原理一致。

3.4 運放電路的硬件設計

運放電路主要完成對壓力傳感器US9111-006輸出信號的濾波和樹枝轉換，已達到MC9S12XS128單片機中ADC能夠識別的電壓值。設計采用專用的儀器儀表放大器INA121P實現對US9111-006壓力傳感器輸出信號的放大。

3.5 按鍵電路的硬件設計

按鍵電路主要完成人機交互功能，為節省CPU的資源，保證設計的合理性，本設計中采用行列矩陣鍵盤。

3.6 液晶顯示電路硬件設計

本設計中要求能夠實現血壓值和脈搏值的顯示，主要以字符為主。因此本設計選擇LCD1602作為液晶顯示單元。LCD1602能夠的顯示2行16列32個字符。同時，模塊內有相應的控制電路和驅動電路，單片機對其的控制方便。

3.7 系統電源硬件設計

電子設備中的最大干擾源，來自于系統的供電電源。因此為保證系統運行的可靠性和測量的精度值，本設計中采用數字電路與模擬電路獨立供電的設計方案。

3.7.1 數字電路供電電源硬件設計

考慮到系統中大部分設備為數字設備，因此數字電路的功耗較大，為體現便攜式設備的低功耗特性，本設計中選用LM317T開關電源芯片為數字電路提供供電。該電路中將鋰電池輸出的電壓通過直流開關穩壓芯片LM317T輸出，通過調整該電路中的R12的阻值，可以輸出穩定的3.3V電壓，同時該芯片輸出電流最大為3A，能夠為數字電路提供可靠供電。

3.7.2 模擬電路供電電源硬件設計

圖2 電子血壓計硬件結構框圖

考慮到系統中模擬設備輸出的信號較弱，若系統采用開關電源為模擬電路供電，會對傳感器輸出的信號產生。因此本設計中選用LM1117-3.3V線性穩壓電源為模擬電路提供供電。

該電路中將鋰電池輸出的電壓通過直流線性穩壓電源LM1117-3.3V輸出，輸出電壓值穩定在3.3V，同時該芯片輸出電流最大為1A，能夠為模擬電路提供可靠供電。

5 系統測試

表1為本設計制作出的電子血壓計與普通水銀血壓計對人體血壓值進行測量后的數據比對表格。

電子血壓計實現了血壓測量的全自動化過程，對于普通用戶而言只需按下按鍵就可以按成血壓的測量。但水銀血壓計所針對的用戶必須掌握一定的專業知識也能進行血壓測量。綜上所述，電子血壓計無論在對人體血壓的測量過程中和可操作性上，都比傳統的水銀血壓計性能更勝一籌。

參考文獻

[1] 李學哲.基于STC12C5A的電子血壓計綜合性能評價系統研究[J].北京:電子技術應用,2013,(6):43-65.

[2] 張曉蘭.基于MSP430的防水型電子血壓計設計[J].北京:測控技術,2013.(2):42-56.

[3] 謝維成.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京:清華大學出版社,2006:56-78.

[4] 何慧.影響電子血壓計測量正確性的相關因素及對策[J].北京:醫藥前沿,2013.(11):57-65.

[5] 張偉.傳感器與自動檢測技術實驗指導書[M].濟南:山東人民出版社,2009.78-87.