數字式電子血壓計設計

孫鏞程

(遼寧科技大學 電子與信息工程學院，遼寧 鞍山114051)

如今，人們的生活品質越來越高，生活用品質量也在逐步提升，人們對于自身的健康問題也更加重視。數字式電子血壓計是專門利用一種現代電子技術與傳統血壓測量結合原理, 最終以血壓數字化的形式顯示的可測量血壓數值的一種醫療血壓設備。數字式電子血壓計可分為腕式和臂式。數字式電子血壓計已經發展成為許多家庭進行自測血壓的重要工具。測量數據結果以數字圖像形式自動呈現的數字式電子血壓計，擁有多個專業用戶自動使用功能模式，按鍵功能設計了一鍵式自動測量結果,測量結果具有自檢功能服務、自動關機功能設置等。相較于傳統水銀血壓計來說，數字血壓計更方便，使得越來越多的人在使用。

1 示波法原理[1]

示波法電子血壓計主要用于準確測量人的血壓值。測量時將袖帶緩慢加壓到阻斷肱動脈血管中的血流，然后再緩慢地開始減壓，這其間手臂會傳出陣陣聲音，以及一個帶有小壓力的運動脈沖。示波法主要是靠一種光學儀器使它可以準確識別從患者手臂中傳到手臂袖帶神經組織路徑中的小脈沖，并對其特征加以分析顯示得出差別，經過多重脈沖處理，形成了一條能夠同時體現多個小脈沖血壓峰值的包絡線，進而可以得出脈沖血壓的峰值。血壓的數學計算公式主要是根據一個人的脈搏振幅與其氣袖內部壓力之間的非線性壓力關系公式來進行計算的。與兩個波峰相連所對應的電壓是平均的電壓，收縮壓和舒張壓的值可分別通過與兩個波峰的電壓比例關系來計算確定。

2 系統工作原理

具體工作原理以及具體應用操作方法說明如下：首先把血壓計袖帶捆在測試者的手臂上，對測試者袖帶自動加壓進行充氣，到一定壓力(一般來說比袖帶收縮壓要稍微高出30~50mmHg)后立即自動停止加壓，開始進行加壓放氣。當氣壓繼續升高并達到一定程度時，測試者的血流通過輸氣管且有一定的振蕩后的波動，振蕩后的波動就能通過輸氣管傳播到一個帶有壓力自動測量儀的傳感器，壓力自動測量傳感器就可能實時進行自動檢測并從接收器得到所有測試者袖帶內的血管內壓力及血流量的波動。

3 硬件設計

3.1 傳感器電路和差分放大電路設計[2]

數字式電子血壓計的精準度和靈敏度非常重要，而它的精準度和靈敏度取決于壓力傳感器的精準與否。壓力傳感器將用戶袖帶的血壓信號轉換為電壓信號，經儀表進行脈動電壓放大器局部電壓放大(pga)后一路直接將電壓放大送入連接到一個a/d 轉換器之后，即可直接得到送入用戶所戴袖帶內絕對的壓力值，另一路直接電壓送到由0p2 和0p3 組成的一臺帶有兩個低濾波通量的脈動放大濾波器、固定器和脈動增益器的儀表脈動放大器，提取用戶局部脈搏血壓速度放大信號。

電路設計采用了一個bp01 型號的壓力電流傳感器和電流運放電路MAX4472。bp01 型號的壓力電流傳感器主要是為了準確檢測患者血壓而專門開發設計的，主要適用于醫用、民用便攜式的數字式電子血壓計。它主要采用精密厚度薄膜單層陶瓷塑料芯片和尼龍雙層塑料芯片封裝，具有高線性、低振動噪聲和對內外界摩擦應力小等特點;同時采用了內部溫度標定和內外溫度失調補償控制方式，提高了測量過程的精度、穩定性以及重復性。在一次全新的測量過程中，精度誤差為±1%、零點溫度失調不超過±300μV。MAX4472 是MAXIM 公司的一款集成了四個數字運算放大器的低成本、低功耗的放大處理芯片。本控制系統中，內部設有集成穩壓運放a 和外接恒定直流源，為壓力溫度傳感器系統提供恒定的穩壓電流，運放b 和集成運放c，運放d 分別組成血壓差分直流輸入、單端差分輸出以及放大控制電路，并且直接控制輸入adc0監視器和血壓直流源的分量(見圖1)。

圖1 傳感器電路設計圖

3.2 濾波電路設計

當傳感器在收集信號的時候，需要排除其他無用信號的干擾，所以要對信號進行濾波。濾波通過電路主要是指只能夠允許一定信號頻率濾波范圍內的特定信號濾波成分正常地通過，而有效阻止另一部分特定頻率信號成分正常通過的濾波電路。濾波控制電路常用于有效濾去高壓整流電路輸出和低電壓電路中的整流紋波，一般由各種電感阻抗電路元件連接組成，如在負載電阻兩端分別并聯一個電容器電路c，或與一個負載電阻串聯電感器電路l，以及由負載電容、電感元件組合而形成的各種復式整流濾波控制電路。

3.3 adc0809 轉換電路設計[3]

本文所涉及采用的模數(a/d)模數轉換器為adc0809，該模數轉換器由8 位的模數轉換器和8 通道多級電路模數轉換器兩大部分組成。通過前文所述的分析結果可知，文中所需要設計的數字式電子血壓計僅僅用到了直流和驅動交流兩個接地通道，本文主要選用的是ino 和in1，所以對于adc0809 的三位輸入地址端(adda、addb、addc)沒有必要都直接選用，adda 一個接地端口信號即可直接滿足要求，用0 和1 來分別代表其直流驅動信號和交流驅動信號，addb、addc 等也可直接作為接地端口。其中adc0809 的數據工作處理方式主要有兩種：數據查詢工作方式和數據中斷工作方式(見圖2)。

圖2 adc0809 轉換電路設計

3.4 其他電路設計

偏置電源控制電路：偏置電源控制電路由一塊帶有兩個內置輸入參考電壓的輸入雙運算lm10 組成，a1 構成同步異相放電增大器，a2 構成同相跟隨器，他們的主要作用是將帶有內置的輸入參考電壓進行放大后即可用作內置壓力放大傳感器電路bp01 的偏置參考電壓vs，其電壓vs 的放大值由公式運算決定：vs=Vref(1+r2/r3)，式中：Vref 為運放lm10 帶有的內置輸入電壓。其最大值設定為200mV，將此最大值連同集成電路方程中的參數r2和r3 的最大值一并代入公式即可求得偏置電壓vs 的最大值為5V。

前置信號處理集成電路：前置信號處理集成電路由a3~a6 四個通用運算信號放大器組成，其中a3 構成了一個失調偏置補償電路以對集成電路的所有失調偏置信號進行了自動補償;a5 構成了一個信號跟隨器，用來對整個壓力溫度傳感器電路bp01 的最大輸入和輸出信號之間分別進行一次信號隔離和數據緩沖;a4、a6 構成了一個運算放大集成電路，其輸出增益v 和av 由公式av=1+(r1/rt)所決定，若是被忽略則輸入輸出電壓就會失調，前置信號處理集成電路的最大輸出輸入電壓增益vout 及其表示公式為：vout=2(1+r1/rt)vin，式中vin 為一個通用壓力溫度傳感器電路bp01 的最大輸出輸入電壓。

顯示驅動電路：顯示驅動電路通常是選擇三位半導體開關作為顯示驅動器。在正常測量工作時，壓力變化強度傳感器電路bp01 的血壓輸出經過一個音頻前置信號處理輸出電路后并進行音頻放大后，由一個數字顯示器來驅動輸出電路的數值lcd，以便于用戶讀出進行測量時得到的血壓相關數據。

4 軟件設計

此次應用軟件測試是完全采用了英語匯編和其他c語言編程的兩種混合方式編程，包括隨機充氣、判斷、放氣、數據分析計算比較、顯示等二十多種子程序，并且軟件能夠比較可靠地通過采集分析得到有用的生理信號，分析得出不易受到外界干擾的各種自然生理信號。當發現人體內部出現異常高壓時，語音系統會自動識別報告異常的發生原因。

5 結束語

本文從一個比較系統的角度給出了一種基于數字化的血壓自動測量儀的基本設計以及工作基本原理與具體解決方案。這套解決方案主要是基于一臺小型單片機將其作為壓力控制的物理核心，加上一個壓力變化傳感器以及功率放大器和濾波控制電路、充放氣控制電路、語音和警報聲控制電路等外圍控制子線而進行設計的。它不僅具備易上手操作、成本低、取用方便、規格小等諸多優點，并且同樣具備較高的實際應用價值。