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      基于不完全微分PID控制的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

      2021-09-10 07:22:44謝政華陳小飛汪昌來(lái)汪逸超
      科技研究 2021年13期
      關(guān)鍵詞:氣泵單片機(jī)

      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。

      參考文獻(xiàn)(References):

      [1]崔曉華,孫蘇,吳光輝,許云蛟,倪瑜.基于示波法的腕式電子血壓計(jì)檢定方法探討[J].中國(guó)計(jì)量.2020(07).

      [2]馮芙蓉.無(wú)創(chuàng)自動(dòng)測(cè)量血壓計(jì)動(dòng)態(tài)血壓示值誤差不確定度評(píng)定與分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2020(12).

      [3]付瑩.無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量技術(shù)的研究進(jìn)展分析[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息.2020(02).

      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。

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