顧 涵

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

2010年全國人口普查顯示，我國平均每五個(gè)家庭就有兩個(gè)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(dá)11.8%，電子血壓計(jì)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(jì)一般都以MSP430或PIC16系列單片機(jī)[1]為控制核心，價(jià)格比較高，本文所設(shè)計(jì)的以AT89S51單片機(jī)為控制核心的電子血壓計(jì)，可大幅度降低電子血壓計(jì)成本.

1 設(shè)計(jì)原理

目前大多數(shù)電子血壓計(jì)都采用示波法[2]，示波法是通過充氣袖套阻斷上臂動(dòng)脈血流來實(shí)現(xiàn)的.由于心搏血液動(dòng)力學(xué)作用，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動(dòng)，即脈搏波.當(dāng)氣袖壓力遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失.隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現(xiàn)，當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時(shí)，脈搏波會(huì)突然增大，直到平均壓力達(dá)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(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間關(guān)系來估計(jì)血壓的，與脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對(duì)應(yīng)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(luò)線的上升段，當(dāng)某一個(gè)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(jīng)驗(yàn)參數(shù)）時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓.而在脈搏波幅度包絡(luò)線的下降段，當(dāng)某一個(gè)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(jīng)驗(yàn)參數(shù)）時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓.袖帶氣壓和脈搏波經(jīng)信號(hào)處理模塊的處理后，得出如圖1數(shù)據(jù)波形，下方為被測者的脈搏波，上方為血壓計(jì)升壓和降壓過程中的袖帶壓力.在此基礎(chǔ)上分析信號(hào)，提供收縮壓、舒張壓和平均壓的計(jì)算.

2 硬件設(shè)計(jì)

采用AT89S51單片機(jī)為控制核心，硬件電路主要由A/D轉(zhuǎn)換[4]、數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)，與采用MSP430或PIC16系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)相比，大大簡化了硬件電路，降低了血壓計(jì)成本.

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

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

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng).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(jī)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(zhuǎn)換的血壓信息；處理分析血壓數(shù)據(jù)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(fù)位鍵，當(dāng)一次測量結(jié)束，液晶顯示測量結(jié)果后，按下KEY2鍵顯示結(jié)果清零，為第二次測量作準(zhǔn)備.KEY1和KEY2直接接到單片機(jī)的外部中斷，可以在中斷時(shí)掃描按鍵以提高CPU的工作效率.24C256用來存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的血壓直流分量和脈搏波交流分量，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析.WP為讀寫屏蔽引腳，高電平時(shí)為只讀操作（低電平時(shí)可讀可寫）.由于IIC總線為開路（集電極開路）時(shí)輸出，所以SDA、SCL上拉4.7K電阻構(gòu)成回路.

2.3 顯示模塊

圖1 袖帶壓力、脈搏波形

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖3 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)

1602點(diǎn)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(shè)計(jì)中并無差別.本設(shè)計(jì)顯示部分采用1602點(diǎn)陣液晶帶背光顯示，液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)采用電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制引腳VL的信號(hào)輸入.

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分完成后，電子血壓計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)關(guān)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(zhuǎn)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(tǒng)的初始化工作，單片機(jī)開始給氣泵供電，讓袖帶迅速充氣至200mmHg左右.之后，單片機(jī)通過一路A/D開始采集袖帶氣壓，并根據(jù)袖帶氣壓下降的速度來控制排氣閥排氣，使袖帶內(nèi)氣壓以3-5mmHg/s勻速降壓.同時(shí)，另外一路A/D開始采集脈搏信號(hào)，當(dāng)脈搏振幅達(dá)到最大時(shí)，袖帶氣壓就是動(dòng)脈的平均壓.動(dòng)脈的收縮壓對(duì)應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對(duì)應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)，處理后的數(shù)據(jù)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(dòng)充氣，當(dāng)袖帶壓力大于等于200mmHg，無脈搏信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，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(hào)，在檢測到第1個(gè)峰值后，以5ms周期采集脈搏信號(hào)值和靜壓信號(hào)值，分別獲得脈搏信號(hào)序列和靜壓信號(hào)序列，并判斷采集的脈搏信號(hào)值是否為峰值.若是峰值，則記錄此時(shí)的脈搏信號(hào)值和靜壓信號(hào)值，以及從上一個(gè)峰值到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間差，分別生成峰值序列和峰值時(shí)間間隔序列.一般情況下，當(dāng)袖帶壓力小于60mmHg時(shí)，脈搏信號(hào)峰值消失，當(dāng)連續(xù)4s內(nèi)檢測不到脈搏信號(hào)峰值時(shí)，退出本次血壓測量.

3.3 A/D轉(zhuǎn)換和顯示

A/D轉(zhuǎn)換流程如圖6所示，采樣信號(hào)分為兩路，一路為靜壓信號(hào)，另一路為脈搏信號(hào)，其中靜壓信號(hào)為直流信號(hào)，脈搏信號(hào)為頻率小于2Hz的電壓信號(hào).本設(shè)計(jì)中采用低頻段最高頻率的4～10倍[7]作為采樣頻率，數(shù)據(jù)處理后在LCD1602液晶上顯示.

顯示部分程序編寫較復(fù)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(zhuǎn)換流程

4 測量精度測試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，采用實(shí)驗(yàn)板焊接血壓計(jì)硬件電路，用KeiluVision3編程，然后把調(diào)試通過程序生成的.HEX文件燒寫到AT89S51單片機(jī)中.用血壓計(jì)實(shí)驗(yàn)電路和泰康品牌的TK-805型電子血壓計(jì)測量同一人血壓作對(duì)比，血壓計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(jié)束語

我們?cè)O(shè)計(jì)的以AT89S51單片機(jī)為控制核心的電子血壓計(jì)與市場上現(xiàn)有的傳統(tǒng)電子血壓計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

[1]王迎旭.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]王虎.醫(yī)學(xué)論電子血壓計(jì)產(chǎn)業(yè)在中國的未來發(fā)展[J].醫(yī)學(xué)信息：中旬刊，2010（5）：2994-2995.

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

[4]李相偉.微機(jī)系統(tǒng)原理與接口技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5]肖忠祥.數(shù)據(jù)采集原理[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[6]楊天怡，黃勤.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].重慶大學(xué)出版社，2011.

[7]劉堅(jiān)強(qiáng)，王永才.基于示波法的電子血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（4）：62-65.