劉創(chuàng)　周培義　張鵬鵬　周旭欣

摘 要：現(xiàn)代社會的迅速發(fā)展、環(huán)境的日益惡化、不健康的生活習(xí)性與不科學(xué)的飲食習(xí)慣，導(dǎo)致人類疾病越來越多的出現(xiàn)。其中，有著人類第一隱形殺手稱號的高血壓，已逐漸上升到人類疾病危害排行榜的前幾名，長期危害著人體健康。本文采用示波法血壓測試原理，設(shè)計帶體溫顯示的電子血壓計，使在家庭中能方便有效地監(jiān)測血壓、體溫等數(shù)據(jù)，預(yù)防因高血壓產(chǎn)生的突發(fā)性腦溢血或心功能衰竭等疾病。這種便攜式家庭血壓計是以AT89C51為主控芯片，用US9116壓力傳感器檢測人體的血壓信號以及采用DS18B20溫度傳感器檢測體溫，并將結(jié)果在MD-1602液晶顯示器上進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵詞：AT89C51；US9116壓力傳感器；MD-1602液顯

1 引言

高血壓是世界最常見的心血管疾病。在今年5月17日“世界高血壓日”前夕，世界高血壓聯(lián)盟主席、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院劉力生教授在媒體溝通會上說，我國高血壓患者人數(shù)已突破3.3億，每3名成人中有1人患高血壓，且出現(xiàn)年輕化趨勢。與高血壓相關(guān)的腦卒中已成為中國人口第一位死亡原因。電子血壓計越來越多地成為家庭自測血壓的主要工具。本文以AT89S51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計帶體溫測量的適合家庭保健用的智能型血壓計。

2 便攜式血壓計工作原理

血壓指動脈血管壁上的壓力，由于一般情況下無法直接測量血壓，所以通過測量氣袖中的壓力可間接得到血壓值。本設(shè)計中的血壓測量原理采用示波法。如圖2-1所示，血壓直流分量為氣袖中的壓力；而血壓交流分量則是振幅變化的脈搏波。當(dāng)對袖帶加壓會阻斷動脈的脈搏搏動，在圖2-1上表現(xiàn)為當(dāng)氣袖壓力大于180時，血壓交流分量上無脈搏波；在氣袖減壓過程中，血壓交流分量上逐漸出現(xiàn)脈搏波，且其包絡(luò)線的幅值越來越大，當(dāng)其達(dá)到最大值A(chǔ)max時，它所對應(yīng)的氣袖的壓力（也就是圖中的血壓直流分量）即為動脈的平均壓，隨后包絡(luò)線的幅值越來越小。當(dāng)血壓交流分量的包絡(luò)線處于上升階段時，會有一個拐點(diǎn)（即圖中0.5Amax處。0.5為該拐點(diǎn)的拐點(diǎn)系數(shù)，用As表示），該拐點(diǎn)所對應(yīng)的氣袖壓力即為動脈的收縮壓Ps；當(dāng)血壓交流分量的包絡(luò)線處于下降階段時，會出現(xiàn)另一個拐點(diǎn)（即圖中0.8Amax處。0.8為該拐點(diǎn)的拐點(diǎn)系數(shù)，用Ad表示），該拐點(diǎn)所對應(yīng)的氣袖壓力即為動脈的舒張壓Pd。本文中As和Ad分別取0.5和0.8是依據(jù)于文獻(xiàn)[1]。

3 便攜式血壓計硬件設(shè)計

如圖3-1所示，帶體溫測量的便攜式電子血壓計由控芯片89C52、血壓測量模塊、溫度檢測模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊構(gòu)成。

3.1 主控模塊

如圖3-2所示，家用便攜式帶體溫測量的電子血壓計的主控芯片采用的是89C52，它的P1口作為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)線，P0.1～P0.4作為A/D轉(zhuǎn)換的控制線；P0.0作為模擬多路開關(guān)的通道選擇口；P3.7接受體溫的串行數(shù)字信號；P2作為液晶顯示的數(shù)據(jù)線；P0.5～P0.7作為液晶的控制線。

3.2 血壓測量模塊

血壓測量模塊又分為三個部分：恒流源、壓力傳感器及信號處理電路和A/D轉(zhuǎn)換。

3.2.1 恒流源與壓力傳感器電路

如圖3-3所示，元器件R1、R2、R3和 U1B構(gòu)成恒流源，給壓力傳感器US9116提供一個電流恒定的電源。圖3-4是傳感器US9116的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它由4個精密電阻構(gòu)成了一個橋式電路，恒流源從1腳流入，3、4腳流出，壓力的變化會導(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。已知US9116傳感器自身電阻為3.3k，要為它提供1mA～2mA恒流源才能正常工作。圖3-3所示，US9116傳感器跨接在運(yùn)放U1B的輸出端和反向輸入端，相當(dāng)于U1B的反饋電阻，流經(jīng)它的電流等于流經(jīng)R3上的電流。調(diào)節(jié)電位器R2，使運(yùn)放U1B的正向輸入端的電壓為0.24V，根據(jù)歐姆定律可得：

取R3為200Ω。

3.2.2 差模放大電路設(shè)計

如圖3-4所示，壓力傳感器US9116將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換成幅值為幾百微伏電壓信號1和電壓信號2，然后通過差模放大電路進(jìn)行放大。如圖3-5所示，儀用放大器AD620組成的差模放大器放大倍數(shù)取100倍。根據(jù)公式（1.2）：

其中RG為跨接于AD6201腳和8腳之間的反饋電阻，G為放大倍數(shù)，圖3-5中，RG=R4，計算得出R4為470Ω。

AD620輸出的信號分別進(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)經(jīng)過濾波放大電路提取脈搏波。

3.2.3 脈搏波信號提取電路設(shè)計

由于氣袖壓力的交流信號（即脈搏波信號）夾雜在直流信號中，為了提取出其中的脈搏波信號，將圖3-5中經(jīng)過差模放大后的信號通過如圖3-6所示電容值為2uf 的C3隔值作用后濾去直流分量。由于脈搏波信號為低于10Hz的低頻信號，所以設(shè)定濾波電路截止頻率為10Hz。根據(jù)公式[3]（1.3）：

取R7、R8、R9、R10為16K，C4、C5為1uF。低通濾波電路輸出的濾波后信號再經(jīng)過放大和半波整流得到血壓交流分量（即脈搏波信號）。

3.2.4 模擬多路開關(guān)電路

信號經(jīng)過以上電路得到血壓交流分量和血壓直流分量，由于本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器AD574只有一個信號通道，因此本文選用CD4051模擬多路開關(guān)將這兩路信號分時送入AD574中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路如圖3-7所示。

4 便攜式血壓計軟件設(shè)計

如圖4-1所示，在軟件設(shè)計上，采用模塊式設(shè)計，整個軟件分為三大模塊：血壓測量模塊，體溫測量模塊和顯示與鍵盤模塊。在主程序中，先調(diào)用顯示與鍵盤程序，若掃描到血壓鍵按下，則調(diào)用血壓測量模塊；若掃描體溫鍵按下，則調(diào)用體溫測量模塊。下面主要討論血壓測量模塊。

圖4-2為血壓測量模塊程序流程圖。在血壓測量模塊中首先對模塊進(jìn)行初始化，再啟動氣泵并判斷氣袖壓力是否到達(dá)設(shè)定壓力；到達(dá)設(shè)定壓力后關(guān)閉氣泵氣袖開始緩慢放氣。這時啟動A/D轉(zhuǎn)化判斷是否達(dá)到結(jié)束條件，符合結(jié)束條件則關(guān)閉A/D；單片機(jī)開始對才樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出收縮壓、舒張壓和心率結(jié)果并調(diào)用顯示模塊在液晶顯示屏上顯示出結(jié)果。[4]

5 對比實(shí)驗(yàn)

表5-1所示為分別采用本系統(tǒng)和市場上型號為YE620A的魚躍牌電子血壓計測量的數(shù)據(jù)。在這次對比實(shí)驗(yàn)中，邀請了2位受試者，分別用上述兩種儀器測量了三次。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本系統(tǒng)與魚躍YE620A電子血壓計之間的平均誤差在5%以內(nèi)，這個誤差在可接收范圍內(nèi)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]包旭鶴.便攜式電子血壓計設(shè)計.現(xiàn)代電子技術(shù)[J].2007，8（247）.PP： 7-11.

[2]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2008.

[3]李剛，張旭.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006.

[4]張有德，趙志英，涂時亮.單片機(jī)微型機(jī)（第五版）[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.