基于示波法的電子血壓計(jì)

研究生課程考核試卷科目醫(yī)學(xué)儀器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)教師姓名學(xué)號(hào)專業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程類別專業(yè)碩士上課時(shí)間2013年11月至2014年1月基于示波法的電子血壓計(jì)第一篇原理設(shè)計(jì)報(bào)告摘要隨著生活水平的提高，人民越來越重視生活質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的生理參數(shù)，已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，本文主要介紹一種基于示波法的便攜式電子血壓計(jì)；本系統(tǒng)主要采用STC98C51單片機(jī)作為核心芯片，利用US9116壓力傳感器對(duì)血壓信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)由放大電路、濾波電路進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與現(xiàn)實(shí)，最終達(dá)到對(duì)血壓的測(cè)量目的。關(guān)鍵字示波法，電子血壓計(jì)，US9116傳感器，單片機(jī)一研究背景隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的身體健康，血壓是身體健康與否的一個(gè)重要指標(biāo)。據(jù)2001年全國(guó)普查顯示，我國(guó)平均每三個(gè)家庭就有一個(gè)高血壓患者；慢性低血壓的發(fā)病率為4左右，其在老年人群中可高達(dá)10。還有統(tǒng)計(jì)稱，全世界有三分之一的病人死于該疾病。因此，研制既適合家庭保健人員又適合專業(yè)人士智能型血壓計(jì)具有重要的意義。對(duì)于老年人而言，血壓是一個(gè)重要的健康信號(hào)，不過隨著生活水平的提高，生活質(zhì)量越來越好，這種疾病不單單發(fā)生在老年人身上，許多的年輕人也被測(cè)量出有高血壓。同時(shí)，高血壓是世界最常見的心血管疾病，也是最大的流行病之一，它的危害非常的巨大，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)現(xiàn)有的高血壓患者已達(dá)一億，并且每年新增人數(shù)在300萬以上1。從高血壓目前的危害來看，高血壓病已成為人類的頭號(hào)隱形殺手病。高血壓病不但是長(zhǎng)期危害人體健康的一種慢性病，而且它還是腦中風(fēng)、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、腎衰等疾病的禍?zhǔn)?，因此被人們稱為“無形殺手”。高血壓對(duì)人體的損害是全身性的，也是造成死亡的惡魔，直接威脅著人的生命，所以，對(duì)高血壓這個(gè)無形殺手，不可掉以輕心。治療高血壓病，首先是要測(cè)量準(zhǔn)確的血壓。測(cè)量血壓的儀器稱為血壓計(jì)。血壓計(jì)可分為直接式和間接式兩種。兩種血壓計(jì)的工作原理是不相同的，直接式是用壓力傳感器直接測(cè)量壓力變化；間接式的工作原理則是控制從外部施加到被測(cè)部位上的壓強(qiáng)，并將控制的結(jié)果與其相關(guān)的柯氏音的產(chǎn)生和消失的信息加以判斷。前者不管對(duì)動(dòng)脈或靜脈都可連續(xù)測(cè)試，而后者只能測(cè)量動(dòng)脈的收縮壓和舒張壓。傳統(tǒng)的血壓計(jì)是模擬的血壓計(jì)。此類血壓計(jì)操作比較復(fù)雜，測(cè)量精度不夠，而且受環(huán)境影響較大。且時(shí)常需要校準(zhǔn)精度，需用一只準(zhǔn)確的汞柱血壓計(jì)或血壓表一同校驗(yàn)。其方法是將聽診器上“Y”形管取下，其兩端分別接準(zhǔn)確的血壓計(jì)血壓表和校驗(yàn)的彈簧表式血壓表，第三端接臂帶及氣閥，這樣利用同一壓力，觀察要校驗(yàn)的血壓表與準(zhǔn)確的血壓計(jì)血壓表的讀數(shù)是否葙伺，如不同則說明該校驗(yàn)的血壓表已不準(zhǔn)確，如讀數(shù)相同，僅零位有偏差時(shí)，并不影響實(shí)際使用。如發(fā)現(xiàn)血壓表指針不能回復(fù)零位時(shí)，切勿擅自調(diào)節(jié)螺釘，以免損害表內(nèi)機(jī)芯，此時(shí)應(yīng)將血壓表送到生產(chǎn)廠家或指定服務(wù)部維修。因此，此類血壓計(jì)的使用與維護(hù)相對(duì)麻煩。為了讓廣大血壓計(jì)使用者更方便的使用與維護(hù)血壓計(jì)，也讓更多的人學(xué)會(huì)使用血壓計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的血壓測(cè)量，我們?cè)O(shè)計(jì)出一臺(tái)操作便捷，測(cè)量精確，無需維護(hù)的智能型測(cè)量血壓的裝置，以幫助人們對(duì)抗高血壓。本論文也具有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，市場(chǎng)上的使用的血壓計(jì)大部分仍是水銀血壓計(jì)，也有一些動(dòng)態(tài)血壓記錄儀。水銀血壓計(jì)每次測(cè)量必須由醫(yī)生戴上聽診器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程復(fù)雜，只能是每個(gè)醫(yī)生一次對(duì)一個(gè)人進(jìn)行測(cè)量而且對(duì)不同的醫(yī)生，測(cè)量結(jié)果可能不同對(duì)同一個(gè)人來說，影響血壓因素非常多，由于每次測(cè)量的時(shí)間不可能很長(zhǎng)，測(cè)得結(jié)果在某些情況就不能真實(shí)的反映被測(cè)對(duì)象的血壓值。將脈動(dòng)波的記錄引入動(dòng)態(tài)血壓技術(shù)，提供24小時(shí)內(nèi)的每次血壓測(cè)量結(jié)果，而且能再現(xiàn)每次測(cè)量過程中的波形。在動(dòng)態(tài)血壓檢測(cè)中干擾和偽差是不可避免的。目前市場(chǎng)上的大部分動(dòng)態(tài)血壓記錄儀，只記錄每次測(cè)量的結(jié)果，醫(yī)生面對(duì)的是一批真?zhèn)坞y辯的數(shù)字。本課題研究最終旨在設(shè)計(jì)出全信息的動(dòng)態(tài)血壓記錄儀，使每次測(cè)量結(jié)果完全透明，實(shí)時(shí)分析結(jié)合回顧分析，使醫(yī)生可以對(duì)照原始波形判斷數(shù)據(jù)的真?zhèn)?，有效甄別出干擾和偽差引起的誤檢測(cè)，恢復(fù)真實(shí)血壓，保證血壓報(bào)告的有效性和可靠性。二設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)利用的是示波法的原理進(jìn)行電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)，首先我們將對(duì)原理進(jìn)行簡(jiǎn)短的介紹。示波法又稱為壓力振蕩法,其工作過程是先將袖帶充氣以阻斷動(dòng)脈血流,然后在放氣過程中檢測(cè)袖帶內(nèi)的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。如圖1所示,當(dāng)袖帶壓力P遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí),脈搏波消失,隨著袖帶壓力下降,脈搏開始出現(xiàn)。當(dāng)袖帶壓力從高于收縮壓降到收縮壓PS以下時(shí),脈搏波會(huì)突然增大,在平均壓PM時(shí)幅值達(dá)到最大。然后脈搏波又隨袖帶壓力下降而衰減。示波法血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來估計(jì)血壓的。脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均壓,收縮壓PS和舒張壓PD分別由對(duì)應(yīng)脈搏波最大幅值的比例來確定23。收縮壓判據(jù)的確定采用最大振幅法，即在放氣過程中脈搏波幅度包絡(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時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。PSP/UIKSUM公式1舒張壓判據(jù)的確定也是用最大振幅法來判定的，不過是在脈搏波幅度包絡(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時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。PDP/UIKDUM公式2其中根據(jù)先有經(jīng)驗(yàn)可以確定通過KS05和KD08來計(jì)算，經(jīng)測(cè)試后再進(jìn)行修正4。圖21血壓交直流信號(hào)及收縮壓和舒張壓位置三技術(shù)參數(shù)由于本設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)目的是為了達(dá)到一個(gè)合格產(chǎn)品，所以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中遵從以下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB970612007醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分安全通用要求GB/T1912008包裝儲(chǔ)運(yùn)圖示標(biāo)志GB/T147102009醫(yī)用電器環(huán)境要求及試驗(yàn)方法GB/T99692008工業(yè)產(chǎn)品使用說明書總則GB/T1688612001醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)第1部分評(píng)價(jià)與試驗(yàn)GB/T1688652003醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)第5部分體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)GB/T16886102005醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)第10部分刺激與遲發(fā)型超敏反應(yīng)試驗(yàn)GB/T282812003技術(shù)抽樣檢驗(yàn)程序第1部分按接收質(zhì)量限（ALQ）檢索的逐批檢驗(yàn)抽樣計(jì)劃GB/T28292002周期檢驗(yàn)技術(shù)抽樣程序及表（適用于對(duì)過程穩(wěn)定性的檢驗(yàn)）YY06702008無創(chuàng)自動(dòng)測(cè)量血壓計(jì)YY06672008醫(yī)用電氣設(shè)備第230部分自動(dòng)循環(huán)無創(chuàng)血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備的安全和基本性能專用要求YY04662003醫(yī)療器械用于醫(yī)療器械標(biāo)簽、標(biāo)記和提供信息的符號(hào)YY05052005醫(yī)用電氣設(shè)備第12部分安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容要求和試驗(yàn)JJG6922010無創(chuàng)自動(dòng)測(cè)量血壓計(jì)檢定規(guī)程結(jié)合以上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家針對(duì)電子血壓計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（即國(guó)標(biāo)），該規(guī)范是由1999年9月6日開始施行。本設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)也參考了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具體的技術(shù)參數(shù)如下1、安全指標(biāo)（1）最大袖帶壓限制壓力的措施確保袖帶壓不超過40KPA（300MMHG）。另外，設(shè)備應(yīng)保證袖帶壓處在2KPA（15MMHG）以上的時(shí)間不超過3分鐘。（2）泄氣設(shè)備應(yīng)提供一種簡(jiǎn)單易懂且清楚標(biāo)識(shí)的措施允許使用者給袖帶放氣。在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從3467KPA（260MMHG）降到2KPA（15MMHG）的時(shí)間不應(yīng)超購10秒。對(duì)于可用于新生兒模式的血壓測(cè)量系統(tǒng)，在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從20KPA（150MMHG）降到067KPA（5MMHG）的時(shí)間不應(yīng)超過5秒。（3）電氣安全性設(shè)備應(yīng)滿足GB970612007中規(guī)定的要求。（4）電磁兼容性設(shè)備應(yīng)滿足YY05052005中規(guī)定的要求。2、性能指標(biāo)（1）量程除非壓力計(jì)為特殊目的設(shè)計(jì)且作出標(biāo)記的，電子壓力計(jì)的量程至少為0KPA到3467KPA（260MMHG）。（2）分辨率顯示分辨率應(yīng)為0133KPA（2MMHG）。（3）可重復(fù)性在靜態(tài)連續(xù)低壓狀態(tài)下測(cè)量，在刻度范圍內(nèi)每一點(diǎn)重復(fù)測(cè)量的讀數(shù)之間，相差應(yīng)不大于0533KPA（4MMHG）所有讀數(shù)應(yīng)符合壓力傳感器準(zhǔn)確性中的要求。（4）壓力傳感器準(zhǔn)確性無論采用升壓測(cè)量法還是降壓測(cè)量法，在量程中的任何測(cè)量點(diǎn)上，袖帶內(nèi)壓力測(cè)量的最大誤差應(yīng)是04KPA（3MMHG）。（5）壓力示值的允許誤差5首次檢定的血壓計(jì)04KPA（3MMHG）。后續(xù)檢定的血壓計(jì)05KPA（4MMHG）。使用中檢測(cè)的血壓計(jì)05KPA（4MMHG）。（6）系統(tǒng)整體的有效性按YY06702008中G11的方法，達(dá)到平均差不超過067KPA（5MMHG），標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過1067KPA（8MMHG）；按YY06702008中G12的方法，達(dá)到G1的要求。詳細(xì)方法和要求，請(qǐng)參見YY06702008附錄G。YY06672008中和本指導(dǎo)原則推薦的臨床方案的其他臨床評(píng)估方案也是可選的臨床評(píng)估方案。（7）充氣源和壓力控制閥的要求充氣源通常情況下，充氣源應(yīng)能在10S內(nèi)提供足夠的空氣使得200CM312立方英寸的容器內(nèi)的壓力達(dá)到40KPA（300MMHG），除非另有聲明。加壓時(shí)進(jìn)行血壓測(cè)量的血壓計(jì)不適用。2）壓力自控氣閥A漏氣閥門關(guān)閉，在初始?jí)毫Ψ謩e為3333KPA（250MMHG）、20KPA（150MMHG）、667KPA（50MMHG）狀態(tài)下，一個(gè)容積不超過80CM3容器內(nèi)的最大壓降，在10S內(nèi)應(yīng)不超過0133KPA（1MMHG）氣閥/袖帶放氣率當(dāng)氣閥處于壓力自控位臵（使用配套的袖帶）時(shí)，從3333KPA（250MMHG）降到667KPA（50MMHG）的降壓速度應(yīng)不低于0267KPA/S（2MMHG/S）。泄氣充滿氣體的系統(tǒng)在閥門全開時(shí)的快速放氣，壓力從3467KPA（260MMHG）下降到2KPA（15MMHG）的時(shí)間不應(yīng)超過10秒。對(duì)于可用于新生兒模式的血壓測(cè)量系統(tǒng)，充滿氣體的系統(tǒng)在閥門全開時(shí)的快速放氣，壓力從20KPA（150MMHG）降到067KPA（5MMHG）的時(shí)間不應(yīng)超過5秒。（8）氣囊和袖帶的要求充氣囊尺寸袖帶氣囊的長(zhǎng)度建議大約為袖帶覆蓋肢體周長(zhǎng)的08倍，修改氣囊的寬度建議最好是長(zhǎng)度的一半。如果自動(dòng)血壓計(jì)的制造商提供了超出上述范圍的袖帶或使用其他測(cè)量點(diǎn)（非上臂）的袖帶，那么制造商應(yīng)提供驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)。耐壓力氣囊及整個(gè)管路應(yīng)能承受袖帶預(yù)期使用的最大壓力。袖帶注下面的要求適用于繃帶型、釣鉤型、接點(diǎn)閉合型及其他型號(hào)的袖帶。尺寸釣鉤型、接點(diǎn)閉合型及其他型號(hào)的袖帶，其長(zhǎng)度應(yīng)至少足以環(huán)繞預(yù)期適用的最大周長(zhǎng)的肢體，并且在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持全寬?？噹孕鋷У目傞L(zhǎng)度應(yīng)超過氣囊的末端，至少與氣囊長(zhǎng)度相等，以保證當(dāng)氣囊充氣到40KPA（300MMHG）時(shí)的袖帶不會(huì)脫落或變松。耐壓力當(dāng)氣囊被充氣到最大壓力時(shí)，袖帶應(yīng)能完全包裹氣囊。袖帶接口/結(jié)構(gòu)在經(jīng)過1000次開合循環(huán)和10000次40KPA（300MMHG）的壓力循環(huán)后，袖帶的閉合和密封性仍應(yīng)完好到足以滿足其他求。（注本要求不包括一次性袖帶。）袖帶氣密性袖帶在1MIN之內(nèi)壓力下降值不大于05KPA（4MMHG）（9）系統(tǒng)漏氣血壓計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的漏氣造成壓力下降的速率不應(yīng)大于0133KPA/S（1MMHG/S）。（10）壽命家用血壓計(jì)按照YY0670200843條的10000次要求；公用血壓計(jì)企業(yè)應(yīng)提交驗(yàn)證資料來支持產(chǎn)品的耐用性。設(shè)備貯存溫度2055。貯存溫度應(yīng)在外包裝箱和使用說明書上予以說明。3、注意事項(xiàng)6（1）袖帶位置須與心臟高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整個(gè)胳膊平伸在高于心臟位置的桌子上，或用墊子將胳膊墊得過高；（2）每天要在固定時(shí)間和同樣狀態(tài)下，以相同的姿勢(shì)測(cè)量血壓；（3）應(yīng)該在安靜的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量前安靜休息1020分鐘，深呼吸23次；（4）飯后或運(yùn)動(dòng)后至少休息一小時(shí)再進(jìn)行測(cè)量；（5）不要在浴后、吸煙、飲酒、喝咖啡后測(cè)血壓；（6）要在沒有尿意時(shí)測(cè)血壓。（7）測(cè)量時(shí)應(yīng)保持心情舒暢，沒有疲勞感，不緊張。四設(shè)計(jì)思路通過第二部分介紹本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原理，從以上可以得到電子血壓計(jì)的大概設(shè)計(jì)思路，具體設(shè)計(jì)框圖如下。圖41電子血壓計(jì)的整體設(shè)計(jì)框圖從圖41中我們可以大致了解電子血壓計(jì)的整體設(shè)計(jì)思路，主要過程為氣囊對(duì)袖帶進(jìn)行充氣，壓力傳感器感受壓力值通過AD620進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)分為直流分量信號(hào)（靜壓力信號(hào)）和交流分量信號(hào)（脈搏波信號(hào)），血壓直流信號(hào)分量可以直接接入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)，也可以經(jīng)過一定的低通濾波器后進(jìn)入單片機(jī)；然而脈搏波信號(hào)必須通過帶通濾波器濾波放大后方可得到有效AD轉(zhuǎn)換袖帶充氣泵放氣閥US9116壓力傳感器AD620放大低通濾波帶通濾波MCULCD顯示的脈搏波信號(hào)（具體的頻帶在硬件電路設(shè)計(jì)中有詳細(xì)介紹）。通過濾波后的信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，根據(jù)公式1和公式2進(jìn)行編程得到收縮壓和舒張壓，并通過LCD1602進(jìn)行血壓值的顯示。41硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括血壓信號(hào)的采集、放大濾波和AD轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分。本小節(jié)我們將對(duì)這個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的分析。1、血壓信號(hào)的采集與放大血壓信號(hào)的采集是利用壓力傳感器US9116進(jìn)行信號(hào)的采集，圖42是傳感器US9116的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它由4個(gè)精密電阻構(gòu)成了一個(gè)橋式電路，恒流源從1腳流入，3、4腳流出，壓力的變化會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)生微小變化，向外表現(xiàn)為2、5腳之間的電壓差。圖42US9116壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)利用US9116壓力傳感器將信號(hào)采集好后，然后利用AD620進(jìn)行前置放大。如圖所示43，本設(shè)計(jì)利用的儀用放大器AD620放大倍數(shù)為50倍。其放大倍數(shù)由R決定。放大倍數(shù)與1、8腳間電阻有一下關(guān)系式公式34941由公式3可以得到R的取值大約在1K。AD620輸出的信號(hào)分別進(jìn)行兩種處理一種直接放大后得到血壓直流分量；另一種是經(jīng)過濾波放大電路提取脈搏波。血壓信號(hào)采集與前置放大電路具體電路圖如下圖43血壓信號(hào)采集與前置放大電路下面為設(shè)計(jì)過程中的仿真電路及其效果顯示。單端輸入RGR11K，即放大倍數(shù)G50圖44單端輸入放大選取10HZ，10MVP的正弦信號(hào)作為輸入，輸出結(jié)果及仿真效果如圖5所示。（紅色為輸入信號(hào)，藍(lán)色為輸出信號(hào)）經(jīng)過AD620后，信號(hào)放大了50倍，符合理論值。該前置放大設(shè)計(jì)滿足要求。圖45單端輸入仿真圖雙端輸入RGR11K，放大50倍（VV）圖46雙端輸入放大雙端輸入的仿真與單端輸入類似，輸入端為大小相等，相位相反的正弦波，仿真結(jié)果如圖47所示。圖47雙端輸入仿真圖通過對(duì)前置放大電路的單雙端輸入信號(hào)仿真均表明信號(hào)放大了50倍，與理論設(shè)計(jì)符合。2、外圍電路（1）濾波電路前面一提到經(jīng)過AD620出來的信號(hào)我們要分為兩部分，一部分是血壓的直流信號(hào)，另一部分是脈搏波信號(hào)。血壓的直流分量信號(hào)可以直接接入AD轉(zhuǎn)換中，然而脈搏波信號(hào)（交流分量信號(hào)）需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，即要經(jīng)過一系列的濾波放大電路才能夠進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換過程。濾波電路主要有芯片LM324完成，包括帶通濾波電路和放大電路。有資料顯示，脈搏波信號(hào)的頻率主要集中在08HZ38HZ，所以在脈搏波信號(hào)中選用一個(gè)帶通濾波器。具體的電路設(shè)計(jì)如圖5所示圖48外圍電路圖設(shè)計(jì)其中帶通濾波器中的各類參數(shù)計(jì)算如下08HZ的高通濾波器設(shè)計(jì)，截止頻率可以通過以下公式計(jì)算公式412334在實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)3C410UF，更加設(shè)計(jì)表7，可知R2/R31821/1319，結(jié)合F08HZ。由此我們可以計(jì)算出R222K，R318K。在濾波電路中的放大可以有以下公式計(jì)算公式51由于在后面的設(shè)計(jì)工程中還進(jìn)一步進(jìn)行了放大，所以在本次放大增益為2倍，故在RF和R取值上相等，均為20K。38HZ的低通濾波器設(shè)計(jì)與08HZ的高通濾波器設(shè)計(jì)相似，利用公式4和公式5我們可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的值；取C5C601UF，更加設(shè)計(jì)表，可知R7/R81126/225，結(jié)合F08HZ。由此我們可以計(jì)算出R230K，R363K。圖49帶通濾波器仿真效果圖從圖6可以清晰的看到，在頻率位于中間的時(shí)候?yàn)?205DB；當(dāng)衰減3DB時(shí)，高通是為8945DB，所對(duì)應(yīng)的頻率值為738MHZ，與理論設(shè)計(jì)的800MHZ相差不大；同時(shí)在低通濾波器這邊為9085DB，相應(yīng)的頻率為35436HZ，與理論設(shè)計(jì)值38HZ也沒有多大的出入，基本能夠滿足要求。（2）二級(jí)放大電路由于脈搏波是微小信號(hào)，經(jīng)過前面的放大濾波后，脈搏波還是不夠明顯，為此，我們進(jìn)行進(jìn)一步的放大，由于在設(shè)計(jì)過程中我們不能夠知道放大增益為多少，所以在本設(shè)計(jì)，RF值，選用了滑動(dòng)變阻器。具體設(shè)計(jì)電路如圖7圖410二級(jí)放大電路3、AD轉(zhuǎn)換電路在AD620當(dāng)中就知道，血壓信號(hào)是可以分為兩個(gè)部分的，一個(gè)是血壓直流信號(hào)，一個(gè)是交流信號(hào)；所以設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換過程中就選擇了ADC0832，該芯片具有兩個(gè)信道，足夠滿足血壓采集的需要。通過單片機(jī)能夠正常顯示電壓幅值，如圖13所示。這只是一個(gè)對(duì)AD0832芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，并沒有進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。圖411AD轉(zhuǎn)換電路圖412ADC0832的單片機(jī)仿真圖4、其他電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中的作用主要是對(duì)血壓信號(hào)進(jìn)行處理，接收AD0832轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并顯示在LCD上（如圖15所示）。并利用AT24C64進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。主控模塊是以STC90C51單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)。在使用時(shí)，P0端口接LCD1602液晶顯示芯片的數(shù)據(jù)端口（DB0DB7），P20、P21、P22分別與LCD1602的數(shù)據(jù)/命令選擇端（RS）、讀/寫選擇端（RW）、使能信號(hào)端（EN）相連，以控制數(shù)據(jù)的顯示。P10、P11、P12是單片機(jī)控制ADC0832進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。P23、P24端口是單片機(jī)控制AT24C64進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。P32用于控制按鍵。各部分的電路如下圖413單片機(jī)最小系統(tǒng)圖414數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路與顯示電路以上就是本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)電路，主要包括血壓信號(hào)的采集與放大、交流信號(hào)的濾波、二級(jí)放大、AD轉(zhuǎn)換等組成部分，另外還有報(bào)警電路，這里就不做詳細(xì)介紹。通過仿真顯示，本方案的硬件電路理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。42軟件設(shè)計(jì)整個(gè)電子血壓計(jì)是有軟件和硬件結(jié)合而成的，前面的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了硬件部分，接下來就是軟件部分的設(shè)計(jì)。1、主程序設(shè)計(jì)主程序的工作主要完成系統(tǒng)的初始化，比如液晶屏的初始化，等待按鍵等，如果開始鍵按下，即可進(jìn)入測(cè)量程序，此時(shí)開始進(jìn)行血壓的測(cè)量；如果按下保存功能鍵就可以對(duì)血壓進(jìn)行保存，即進(jìn)入記錄子程序，并可以查看記錄。同時(shí)在主程序中，如果測(cè)量的信號(hào)高于設(shè)定的閾值即可報(bào)警，并視為高血壓。具體流程圖如圖415保存數(shù)據(jù)開始系統(tǒng)初始化等待按鍵按下血壓測(cè)量血壓異常報(bào)警提示查看結(jié)果結(jié)束YESNO圖415主程序流程圖2、血壓測(cè)量子程序設(shè)計(jì)血壓測(cè)量是本設(shè)計(jì)的核心部分，血壓子程序包括兩個(gè)部分，一部分是直流信號(hào)，直接由AD0832出來的數(shù)據(jù)，然而另一路是血壓交流分量。該部分設(shè)計(jì)思想是通過讀取脈搏波的最大峰值。在利用原理中公式進(jìn)行計(jì)算。血壓測(cè)量流程如圖17所示，在測(cè)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(cè)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50MMHG時(shí)，脈搏信號(hào)峰值消失，當(dāng)連續(xù)4S內(nèi)檢測(cè)不到脈搏信號(hào)峰值時(shí)，退出本次血壓測(cè)量下圖為血壓交流信號(hào)采集的程序流程圖8。NONOYESNOYES判斷是否為最大峰值開始手動(dòng)充氣氣壓200MMHG啟動(dòng)AD通道1采樣脈搏交流量5MMHG/S速度放氣大于前一個(gè)交流量記錄最大峰值和存儲(chǔ)位置氣壓50MMHG數(shù)據(jù)處理，記錄結(jié)果結(jié)束圖416血壓測(cè)量程序流程圖3、AD轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)在硬件電路中，我們已經(jīng)將AD轉(zhuǎn)換利用的是ADC0832芯片，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)為頻率幾赫茲的電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)處理后在LCD1602液晶上顯示。圖417AD轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序4、血壓值查詢子程序設(shè)計(jì)開始啟動(dòng)ADC0832進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換延時(shí)AD轉(zhuǎn)換讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束結(jié)束處理按鍵開始初始化讀取血壓值血壓值顯示是否按鍵開始按下進(jìn)入查看記錄按鍵是否按下記錄鍵查看下一次數(shù)據(jù)結(jié)束圖418查看血壓流程圖以上是主要設(shè)計(jì)程序流程圖，由于是理論設(shè)計(jì)，沒有經(jīng)過實(shí)際的驗(yàn)證，只有在寫程序的過程，通過程序的軟件調(diào)試才能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，最終實(shí)現(xiàn)血壓的采集、轉(zhuǎn)換以及顯示儲(chǔ)存的功能。第二篇系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試一硬件調(diào)試11帶通濾波調(diào)試系統(tǒng)中壓力傳感器采集的壓力信號(hào)經(jīng)過08HZ38HZ帶通濾波之后得到待處理的脈搏波信號(hào)。硬件電路圖（見設(shè)計(jì)報(bào)告）。調(diào)試過程和結(jié)果如下1、輸入信號(hào)20HZ，1VP，經(jīng)過前級(jí)高通（08HZ）電路后，輸出結(jié)果見圖11所示。圖1120HZ信號(hào)高通濾波輸出顯示從上圖可以看出，20HZ信號(hào)經(jīng)過濾波之后為波形穩(wěn)定的正弦波，頻率為2003HZ，峰峰值為208V,放大了2倍，符合理論設(shè)計(jì)，并且與仿真效果相符合。2、輸入信號(hào)20HZ，1VP，經(jīng)過帶通（08HZ38HZ）濾波后，輸出結(jié)果見圖12所示。圖1220HZ帶通濾波輸出顯示從圖12可知，20HZ信號(hào)經(jīng)過帶通濾波之后，波形仍然是穩(wěn)定的正弦波，頻率為2003HZ，峰峰值達(dá)到了396V，放大了4倍（高通放大2倍，低通放大2倍）。說明20HZ信號(hào)能正常通過帶通濾波而不出現(xiàn)失真。接下來的測(cè)試中，輸入信號(hào)的幅值不變，調(diào)整其的頻率，從而得到帶通濾波器的截止頻率。3、輸入信號(hào)38HZ，1VP，輸出結(jié)果如圖13所示。圖13低通截止頻率測(cè)試從圖13可知，輸出信號(hào)頻率為3805HZ，幅值為288V。根據(jù)截止頻率對(duì)應(yīng)的幅值為最大值的0707倍，又因?yàn)榻?jīng)過帶通濾波信號(hào)幅值放大了4倍，則38HZ（對(duì)應(yīng)于072V），接近于理論值0707V，可以認(rèn)為38HZ正是低通濾波段的截止頻率。4、輸入信號(hào)08HZ/085HZ，1VP,輸出結(jié)果如圖14所示。圖14高通截止頻率測(cè)試圖14左側(cè)是輸入信號(hào)080HZ，1VP，輸出信號(hào)幅值為264V，由于放大4倍，換算之后是066V，明顯小于理論值0707V；變化輸入信號(hào)頻率為085HZ,輸出信號(hào)幅值為284V（即071V），約等于理論值，可以認(rèn)為850MHZ即為高通濾波段的截止頻率。經(jīng)過對(duì)帶通濾波器的測(cè)試，與理論通帶頻率（08HZ38HZ）相比，實(shí)際電路中，該帶通濾波的通帶范圍為085HZ38HZ,符合理論設(shè)計(jì)，并且與仿真效果吻合，說明該部分帶通濾波設(shè)計(jì)正確。12壓力及脈搏波測(cè)試1、不加壓時(shí)，輸出信號(hào)如圖15所示。幅值大概為20MV。以此作為之后的測(cè)試的基準(zhǔn)線。圖15基準(zhǔn)線2、對(duì)受試者進(jìn)行測(cè)試（1）測(cè)試者A男（唐詠）圖16測(cè)試者A結(jié)果顯示備注從上至下依次為加壓一定值（由于條件有限，以測(cè)試者感覺不適時(shí)停止加壓）時(shí)，經(jīng)前級(jí)AD620放大但未經(jīng)濾波的初始混合袖帶信號(hào)壓力值；經(jīng)過帶通濾波之后濾除靜壓力信號(hào)的脈搏波信號(hào)（單個(gè)）；經(jīng)過帶通濾波之后的脈搏波信號(hào)（多個(gè)）。圖16為測(cè)試者A（男）的測(cè)試結(jié)果。分析該圖可知，經(jīng)前置AD放大50倍但未經(jīng)濾波的袖帶壓力值為108V，即未經(jīng)放大的壓力幅值約為20MV，符合壓力傳感器的參數(shù)特性；經(jīng)過帶通濾波之后的脈搏波信號(hào)的幅值為320MV，說明脈搏波信號(hào)幅值十分微弱僅為幾毫伏，后續(xù)處理還需放大；脈搏波頻率為136HZ,而單頻掃描的時(shí)間大約為157S，單頻脈搏波個(gè)數(shù)為21，大約為80次/分鐘，較正常值稍大，較為符合實(shí)際。以下測(cè)試者B、C的顯示結(jié)果類似于測(cè)試者A。（2）測(cè)試者B女（舒越）圖17測(cè)試者B結(jié)果顯示圖17為測(cè)試者B（女）的結(jié)果。分析該圖可知，經(jīng)AD放大50倍但未經(jīng)濾波的袖帶壓力值為968MV；經(jīng)過帶通濾波之后的脈搏波信號(hào)的幅值為768MV，與測(cè)試者A相比，其脈搏波幅值較大，信號(hào)較強(qiáng)烈；脈搏波頻率為133HZ,而單頻掃描的時(shí)間大約為157S，單頻脈搏波個(gè)數(shù)為20，則脈搏波大約為76次/分鐘，較為符合實(shí)際。（3）測(cè)試者C男（郭偉）圖18測(cè)試者C結(jié)果顯示圖18為測(cè)試者C（男）的結(jié)果。分析該圖可知，經(jīng)AD放大50倍但未經(jīng)濾波的袖帶壓力值為116V；經(jīng)過帶通濾波之后的脈搏波信號(hào)的幅值為440MV，與測(cè)試者A和B相比，其脈搏波幅值較?。坏}搏波頻率為151HZ,而單頻掃描的時(shí)間大約為157S，單頻脈搏波個(gè)數(shù)為18，則脈搏波大約為69次/分鐘，較為符合實(shí)際。從不同的測(cè)試者的結(jié)果可以看出，硬件設(shè)備基本工作正常。測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)的重大差異主要表現(xiàn)在袖帶壓力值和脈搏波的幅值。導(dǎo)致這種現(xiàn)象可能的原因有1、性別、身高、體重的差異；2、由于設(shè)備有限，對(duì)每個(gè)測(cè)試者加壓值（以測(cè)試者感覺不適）亦不同；3、各人的血壓確有差異。二軟件調(diào)試21LCD1602及按鍵調(diào)試LCD1602作為整個(gè)系統(tǒng)的顯示模塊，它的正常工作對(duì)后續(xù)的其他模塊測(cè)試和調(diào)試具有重要意義。1、初始顯示用單片機(jī)調(diào)試時(shí)，復(fù)位鍵作為整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)鍵，當(dāng)該鍵按下時(shí)，LCD顯示“WELCOMETOBLOODPRESSUREMEASURE”字樣。圖21初始界面顯示2、開始測(cè)量當(dāng)測(cè)試者準(zhǔn)備好后，按下“開始”鍵，LCD顯示“PLEASEWAIT”,開始對(duì)袖帶進(jìn)行充放氣，來實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量；最后把所測(cè)得血壓值顯示。圖22測(cè)量開始界面及最終顯示界面當(dāng)按下“開始”鍵，屏幕顯示“PLEASEWAIT”,等待，當(dāng)測(cè)得血壓值時(shí)，顯示在屏幕上。上圖為顯示血壓時(shí)的格式。22A/D轉(zhuǎn)換調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換作為硬件采集的模擬信號(hào)與單片機(jī)（數(shù)字信號(hào)）通訊的關(guān)鍵部分，它的正常與否直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否。221測(cè)試AD0832模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本功能按著設(shè)計(jì)報(bào)告中的電路設(shè)計(jì)硬件，單獨(dú)編寫AD0832的程序，測(cè)試該部分是否正確。圖21AD0832測(cè)試輸入信號(hào)將直流信號(hào)30V和26V作為輸入直接接入AD0832的2、3腳，測(cè)試經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后的輸出電壓值是否和輸入值吻合。圖22經(jīng)AD0832后的輸出電壓輸入為30V，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為325V；而輸入為26V，輸出電壓為272/274V，較不穩(wěn)定。兩通道的A/D轉(zhuǎn)換均不能達(dá)到理想的效果，輸出值均大于輸入值。可能的原因是硬件不完善，引起差異；軟件設(shè)計(jì)不完善，但通過仿真軟件的效果符合理論設(shè)計(jì)。差異性的出現(xiàn)最大可能還是硬件不完善，或者是系統(tǒng)誤差導(dǎo)致。222測(cè)試壓力值是否正確A/D轉(zhuǎn)換1、未加壓時(shí)，靜壓力信號(hào)值在示波器及經(jīng)AD轉(zhuǎn)換在LCD屏上的顯示值圖23未加壓示波器及LCD顯示分析圖23可知，未加壓時(shí)，示波器顯示幅值為72MV，LCD顯示為000V。可能是由于示波器的緣故，不能將幅值調(diào)零，所以可能造成后續(xù)記錄存在一定的偏差。2、加壓至測(cè)量血壓所需值時(shí)，示波器和LCD的顯示圖24一定壓力值示波器及LCD顯示當(dāng)對(duì)袖帶加壓至一定壓力值（測(cè)量血壓所需壓力值）時(shí)，示波器顯示幅值為408MV，而LCD顯示為037V，有差異，可能是由于示波器未能調(diào)零，也可能是因?yàn)楸旧黼娐酚性肼?，有干擾造成。三系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)，將測(cè)試者的脈搏波經(jīng)壓力傳感器采集，前置放大，帶通濾波，二級(jí)放大，AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)交流，并將轉(zhuǎn)換的電壓值顯示。（注本來應(yīng)該顯示測(cè)試者的收縮壓和舒張壓的，但是由于條件有限，未能成功完成血壓部分的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，故觀察電壓值的變化與否來判斷現(xiàn)有設(shè)計(jì)是否正確，并不斷改善。）圖31系統(tǒng)測(cè)試給測(cè)試者加壓一定值，脈搏波信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的電壓值顯示在LCD屏上，但是電壓值在不停地變化（這是某個(gè)時(shí)刻的電壓值）?？赡苁且?yàn)锳D0832的分辨率和LCD的不匹配導(dǎo)致的，也可能是袖帶密封性不佳，引起的漏氣，導(dǎo)致脈搏波變化。下圖32是測(cè)試者A在加壓一定值后，緩慢放氣過程中，示波器上的脈搏波信號(hào)的波形變化。圖32測(cè)試者A脈搏波變化上圖為測(cè)試者A兩次測(cè)試的結(jié)果。分析可知，在放氣的過程中，脈搏波的幅值是先增大，到一定值（最大值A(chǔ)MAX），再下降的。然后根據(jù)示波法測(cè)血壓的原理中靜壓力曲線和脈搏波信號(hào)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定舒張壓和收縮壓。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的重復(fù)性，下圖為測(cè)試者B在相同情況下的脈搏波信號(hào)變化波形圖。圖33測(cè)試者B脈搏波變化從測(cè)試者B的脈搏波信號(hào)變化圖中可以發(fā)現(xiàn)，波形變化的基本規(guī)律是一樣的，都是先增大到最大值，再減小的。但幅值組建降低的過程中，突然出現(xiàn)了一個(gè)較大的波動(dòng)，可能是由于測(cè)試者移動(dòng)或者外界刺激引起的。分析上述兩幅脈搏波波形變化圖可知