基于不完全微分PID控制的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

謝政華 陳小飛 汪昌來(lái) 汪逸超

摘要：本文針對(duì)電子血壓計(jì)氣泵充氣測(cè)量時(shí)充氣速度不穩(wěn)定，提出采用不完全微分PID并結(jié)合PWM控制的方式驅(qū)動(dòng)氣泵，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的勻速加壓。在以C8051F310單片機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上完成了不完全微分PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了電子血壓計(jì)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，改善了電子血壓計(jì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了測(cè)量的精度，具有更好的控制效果。

關(guān)鍵詞：電子血壓計(jì);不完全微分PID;氣泵;PWM;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP302 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

目前電子血壓計(jì)大多采用降壓測(cè)量血壓，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，測(cè)量過(guò)程易出現(xiàn)身體不適。有少部分電子血壓計(jì)可實(shí)現(xiàn)充氣階段測(cè)量血壓，但氣泵加壓過(guò)程時(shí)充氣速度不穩(wěn)定，穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。文中提出基于不完全微分PID控制的方式驅(qū)動(dòng)氣泵的電子血壓計(jì)能在充氣過(guò)程中實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的勻速加壓，完成對(duì)血壓測(cè)量，測(cè)試時(shí)間短，精度高，操作方便靈活。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文在以C8051F310單片機(jī)為控制核心的硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)不完全微分PID控制器，并結(jié)合PWM控制的方式驅(qū)動(dòng)電子血壓計(jì)氣泵，從而控制氣泵往電子血壓計(jì)袖套里進(jìn)行充氣。同時(shí)從壓力傳感器里不斷采集血壓相關(guān)參數(shù)，再通過(guò)串口通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，最終由PC機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，分析計(jì)算得到血壓值并在PC機(jī)上顯示，最后由C8051F310單片機(jī)控制器對(duì)電磁閥進(jìn)行放氣控制，放氣結(jié)束則整個(gè)血壓測(cè)量結(jié)束。

血壓計(jì)硬件主要包括：C8051F310主控模塊、通信模塊、氣泵、氣泵驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊。C8051F310主控模塊的主要功能是搭載不完全微分PID控制器，輸出PWM脈沖信號(hào)給氣泵驅(qū)動(dòng)電路;通信模塊的主要功能是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)C8051F310主控模塊與PC機(jī)的通信;氣泵驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是利用小信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電子血壓計(jì)氣泵，實(shí)現(xiàn)血壓計(jì)氣泵的平穩(wěn)調(diào)速;電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是控制電磁閥的通斷;信號(hào)調(diào)理模塊的主要功能是將壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

電子血壓計(jì)的不完全微分PID控制氣泵充氣程序主要實(shí)現(xiàn)血壓計(jì)氣泵的穩(wěn)定調(diào)速，使氣泵以4-5mmHg/s的速度勻速加壓;數(shù)據(jù)采集部分以200Hz的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算得到心率、血壓值和脈搏值。不完全微分PID控制程序流程如圖2所示：

4 ?測(cè)試結(jié)果

為減小氣泵噪聲干擾，將PWM的占空比頻率調(diào)為23.4KHz。以占空比為0.5為例說(shuō)明，在積分調(diào)節(jié)時(shí)采用不同Ki值控制對(duì)氣泵性能有較明顯的提高。合理的Kp、Ki、KD和Ku值的確定能夠使得控制系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)有較好的適應(yīng)能力，減小系統(tǒng)的振蕩，大大改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。調(diào)節(jié)前后輸入的PWM對(duì)比波形圖如圖3所示。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本文完成了電子血壓計(jì)的硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)上采用模塊化的方法，且在關(guān)鍵的電路模塊上進(jìn)行光電隔離，增強(qiáng)了硬件的可移植性和信號(hào)干擾。在軟件上完成了不完全微分PID控制算法，提出了一種基于不完全微分PID控制的電子血壓計(jì)氣泵控制方案，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了測(cè)量的精度，具有更好的控制效果。

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作者簡(jiǎn)介： 謝政華（1985-），男，江西上饒，碩士，工程師，主要研究方向：控制工程、人工智能。