毕业设计毕业论文基于单片机的便携式电子血压计设计与仿真

1、本科生毕业设计基于单片机的便携式电子血压计设计与仿真 独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在设计中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 年月 日授 权 声 明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业设计的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计的复印件和磁盘，允许毕业设计被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业设计的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编设计。本人设

2、计中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）： 签名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日摘 要本设计在充分研究国外已有产品或设计构思的基础上，以示波法作为血压测量的方法，设计出了基于此方法的电子血压计的软硬件设计。该电子血压计可以自动对人体血压进行简单的测量，并在血压超出正常值时，发出报警以引起患者的注意。本设计以单片机at89c51作为电子血压计的核心，利用bp01型压力传感器将血液对血管壁的压力转换为电信号，并将其送入a/d转换模块将血压信号转换为数字信号后在单片机的控制下进行显示、存储、传输等处理。关键词：at89c51；示波法；数模转换abstractthe full

3、 study design based on the idea of introducing a variety of advanced signal processing technology and intelligent technology from foreign design, oscillometric method is the primary method of this design, this paper based on this method to achieve hardware and software design process of the electron

4、ic blood pressure monitor, also highlighted the mcu and its peripheral chips in the circuit design. the electronic blood pressure monitor automatically to the human body can be a simple measurement of blood pressure, and when blood pressure excesses normal standard, the alarm will attract the attent

5、ion of patients. this article use mcuat89c51as the blood pressure monitor s kernel, the pressure that the blood exerts against the walls of the blood oppress vein is translated to electric signal by making use of the bp01 type pressure sensor to blood vessel. it is transformed digital signal through

6、 the a/d translation model. then the single chip processes these digital signals such as display, saving, transmitting.key words:at89c51; oscillometric method;a/d convert目 录1 绪论11.1 血压计发展的历史与现状11.2 血压的几种测量方法11.3 电子血压计设计的任务42 总体方案42.1 血压测量原理42.2 系统总体方案概述62.2.1 系统组成部分62.2.2 系统组成部分框图72.3 电子血压计的技术指标83 系

7、统硬件设计83.1 压力传感器及血压信号的采集83.2 信号预处理电路设计103.2.1 前置放大器103.2.2 袖带压力信号处理123.2.3 脉搏波信号的处理143.2.4 信号预处理总体电路图163.3 数模转换电路设计173.3.1 adc0809的基本用法173.3.2 adc0809与单片机的连接183.4 数据显示193.5 气泵控制和血压报警电路的设计204 系统软件设计214.1 收缩压和舒张压的确定算法214.2 系统软件总体设计234.3 系统软件模块化设计244.3.1 血压信号的数模转换244.3.2 收缩压与舒张压的计算255 系统调试与仿真25 结 论30参考文

8、献31附 录32致 谢401 绪论1.1 血压计发展的历史与现状自1862年生理学家wharrey创立了循环理论之后的几百年来，人们一直在寻找一种既方便可行又准确可靠的血压测量方法，但迄今为止，各种方法各有缺陷，均不尽人意。1773年英国牧师shales在马身上测到了血压，而人体动脉血压的直接测量从1856年才被临床接受。人体血压的无创测量始于1875年，到1896年riva-rocci发明了气袖式血压计和1905年korotkoff发明了柯氏音法之后，血压测量才在临床上得到了广泛的接受和应用。在柯氏音法的应用历史过程中，人们很早就发现血压测量时气袖中的压力除随放气而下降外还存在一个震荡，我们

9、现在称其为脉搏波，这个震荡的幅度有一定的规律性。1890年roy和adami提出这个震荡开始时对应的气袖压力是收缩压，当震荡达到最大时对应的气袖压力是舒张压。1897年hill和barnard提出当震荡幅度达到最大时，对应的气袖压力是平均压。1903年brlange认为气袖放气过程中震荡振幅突然增加时的气袖压力对应的是收缩压，而振幅最大后的最低点则对应了舒张压，1969年posey和1977年geddes通过测振法和直接法的对照，证实当脉搏波振幅达到最大时，气袖压力与动脉平均压密切相关，这一结论通过动物实验得出，认为最大振动波所对应的动脉外最小阻断压力可反映动脉平均压。这一结论已从对测量物理过

10、程的分析及与有创方法的对比试验中得到了证实。由于技术条件的限制，早期的研究仅限于实验室，而随着计算机技术的飞速发展，以之为基础的生物医学电子技术作为一门新兴学科也得到了空前的发展，在此背景下，集成微处理器和集成压力传感器相继出现和广泛应用，使得测振法逐渐在无创血压仪中得到了具体实现，测振法也更名为示波法。1.2 血压的几种测量方法临床上根据对人体血压测量方法的不同可将血压测量技术分为直接测量(又称为血压有创测量)和间接测量(也称为血压无创测量)。1 直接测量(有创法)血压的直接测量是一种有创的测量方法。它需要将管道直接插入生物体的血管内来直接测量血压，它可以连续的测量血压波形的变化并进行监护。

11、其测压装置依据传感器元件所安放的位置一般可分为两类。一类是把血管内的血压经过一段充满液体的导管传递到体外的压力传感器，即液体耦合法；另一类是把传感器安装在导管的顶端，直接插入到血管中，从而去掉了耦合液体，这种装置称为血管内压力传感器。临床上目前常用的是液体耦合测压法。液体耦合法测量血压将导管的一端插入到体内的血管中，另一端与压力传感器相连。导管内一般注满生理盐水。血压通过导管内液体的耦合传导给传感器的膜片，液压的变化可造成膜片中心的弹性位移，由传感器把压力信号转变成电信号送入血压监护仪进行处理和显示。测压导管和压力传感器之间通常由一个三通接头连接，它既可以起到开通或关闭导管的作用，也可以作注射

12、药物或与其他导管相联用。2 间接测量(无创法)（1）人工柯氏音法苏联科学家korotkoff最早采用人工柯氏音法，通过袖带加气压挤血管，使血流完全堵断，这时用听诊器听血管的波动声是没有的，然后慢慢放气至听到脉搏声，此时认为是高压即收缩压(如图1-1的p1点)。继续放气通过听诊器能听到强而有力的脉搏声，且慢慢变轻，直至听到很平稳较正常脉搏声。这时认为血管完全未受挤压(如图1-1的p2点)，也就是作为低压，即舒张压。柯氏通过袖带加压和听脉搏音来测量血压解决了无创测压的方法，对人类医学的贡献是很大的，直到现在很多医生还在用此法测量血压，人们为了纪念柯氏称此法为柯氏音法。ptp1p2图1-1 柯氏音法

13、脉搏波简图柯氏音法的优点是测量简单，但也有缺点，就是不同的人可能测出不同的结果，有时差别较大。主要原因是： 医生在听音时要不断观察水银压力计的变化，由于人的反应不一样，在读取血压值时，有一定差距。 不同人的听力、分辨力各异，对特征音的辨别上(即时间上)有差异。 放气的快慢对读数有直接影响，国际标准放气速度为每秒35mmhg。但有的医生往往放气较快，影响测量的准确度。 由于听脉搏音没有一种直观的比较方法，很多方面与主观因素,且与医生的熟练程度和技术有关。一般来说，在人工测血压时，不同的医生对同一被测人不同时间的测量结果是有差别的。通常在515mmhg内都认为是正常差异。（2）电子柯氏音法电子柯氏

14、音法是在7080年代发展起来的一种电子测量血压的方法。它的基本原理是把人工柯氏音法用电子技术来完成，也就是对袖带加气、放气用气泵来完成。听脉搏音用电子拾音器来完成。判断方法与人工几乎相同。所不同的就是用计算机代替了人的判断。这种方法的优点是： 减轻了医生的劳动强度。 一致性比较好，不存在不同医生之间产生的差异。当然缺点也比较明显： 人工柯氏音的主要缺点并没有克服。 易受外界干扰，即外界的其他声音振动等都会影响测量准确度。 不同人的脉搏强弱也对测量结果有一定影响。（3）示波法示波法又称为测振法，是20世纪90年代发展起来的一种比较先进的电子测量方法，其原理如下：首先把袖带捆在手臂上，自动对袖带充

15、气，到一定压力(一般为180230mmhg)开始放气，当气压到一定程度，血流就能通过血管，且有一定的振荡波，振荡波通过气管传播到机器里的压力传感器，压力传感能实时检测到所测袖带内的压力及波动。逐渐放气，振荡波越来越大。再放气由于袖带与手臂的接触越松，因此压力传感器所检测的压力及波动越来越小。我们假设选择波动最大的时刻为参考点，以这点为基础，向前寻找是峰值0.460.64的波动点，这一点为高压(即收缩压)，向后寻找是峰值0.430.74的波动点，这一点所对应的压力为低压(即舒张压)，而波动最高的点所对应的压力为平均压。下面只对此测量方法的优缺点进行讨论。其优点是： 示波法是血压无创测量方法中唯一

16、能测量动脉平均压的方法。平均压可直接指示组织的灌注压力，是一个很有价值的临床指标。以往采用有创法测量平均压，或利用收缩压和舒张压通过经验公式估算平均压，而估算出的平均压易受多种因素的影响，难以正确的反映平均压； 采用示波法测量血压时，袖带内无拾音器件，故不受外界噪音的影响，可以在比较嘈杂的环境中使用，同时也不存在柯氏音法中拾音器件的定位问题，较少受操作因素的影响； 示波法可用于小孩、新生儿及某些严重低血压患者的血压测量，柯氏音法在测量儿童和某些低血压患者血压时，常常因为动脉血流声音的频率低于人的听觉而导致无法测量。其主要缺点是： 易受外界振动的影响，如人为振动袖带、气管的振动、人的身体运动等。

17、 低压测量易受放气速度和气管的刚性度影响。1.3 电子血压计设计的任务血压是反映人体循环系统机能的重要生理参数。心脏的泵学功能、心律、周围血管的阻力和大动脉的弹性、全身的血容量及血液的物理状态等因素都反映在血压的指标中。血压检测对防病治病、及早发现疾病，都有重要意义。通常，主动脉血压约为130/75mmhg，而臂动脉为120/80mmhg，临床血压检测通常是测量臂动脉的血压。临床上需要对危重病人和手术中的病人实行连续监护，以防病人出现意外，也便于医护人员及时采取措施，所以血压的监测在临床上具有十分重要的意义。血压测量方法可分为直接法和间接法两种。直接法测量血压测量值准确，并能跟踪动脉血压的瞬时

18、变化，但测量时必须经皮将导管放入血管内，是一种创伤性的方法，一般限于危重病人或开腔手术病人。间接法与直接法相比测量精度较低，但简便无创，是临床上普遍采用的血压测量方法。尤其针对家庭保健用的血压测量，无创伤性更是一个必备的条件。而目前国内的无创血压仪几乎均依赖进口，价格十分昂贵，如日本的omton报价高达12.8万人民币，这无疑极大地增加了医疗成本，从而将负担转嫁给了患者。本系统设计正是从这一背景下，从市场的迫切需求出发，广泛借鉴国内外已有经验成果的基础上，深入进行无创血压测量方法的研究，力图在测量算法和工程实现两方面作一些有益的探索，使无创血压测量能做到快速、准确，不受人为因素的影响及环境的干

19、扰，同时尽量降低成本，力争为国内市场提供具有较高性价比的医学仪器。以上就是本设计的任务和目的。目前，本便携式血压仪的实验系统已基本调试完成。结果表明，本设计的算法理论研究是成功、可行的，基于此算法的血压仪能快速的测量收缩压、平均压、舒张压等人体的几个关键的生理参数，且体积小、成本低，性价比高，具有极强的现实意义和推广价值。2 总体方案2.1 血压测量原理本设计试图采用示波法来测量血压，其实质就是用电子设备来测量脉博，分析脉博，从而得出临床所需要的各种科学准确的数据。故而对脉搏信号的提取自然成为了本设计后续所有研究、开发工作的基本前提，所以首先要进行的是对微弱脉搏波进行信号采集的硬件系统的设计实

20、现。然后根据示波法原理的两条基本原则进行相关的算法研究和验证。基于示波法的血压检测过程如图2-1所示。血压（mmhg）2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 3218016014012010080604020时间（s）图2-1 基于示波法的血压检测过程图检测过程实际上要进行的是一个序列动作，在初始阶段mcu控制袖带充气，充气系统向袖带加压至一定值(如200mmhg)，确保超过收缩压，使血流阻断，同时对袖带中因脉搏引起的压力波动进行采样，采样结束后控制气阀放气，使袖带减压。在每个袖带压力阶梯上取两个连续的幅度和时间间隔相近的波动信号的平均值，连同每个阶梯

21、上的袖带压力值，构成了一个信息组，在此基础上进行血压参数分析和算法研究。示波法是根据在袖带内压力下脉搏波幅度变化的特征，来识别动脉收缩压、平均压及舒张压。采用示波法测量血压不能从某一脉搏波信息中获得血压数值，而必须根据放气过程中脉搏波随袖带压变化的趋势图来判断血压值。因此，示波法血压测量关键就是获得放气过程中脉搏波随袖带压变化的曲线。如图2-2所示。图2-2给出了放气过程中脉搏波随袖带压变化的曲线。当袖带内压力高于收缩压时，动脉阻断，但由于近端血液的脉动，会出现幅度较小的振动波，如图2-2的第1部分；当袖带内压力等于收缩压时，脉搏波幅度迅速增大，此后，随着袖带内压力的150 130 90 70

22、 1 2 3 400 05 10 15 20 25图2-2 脉搏波随袖带压变化曲线图降低，脉搏波幅度小断增大，在上图22中的第2部分；当袖带内压力为某一值时，脉搏波幅度将达到最大值，此时的袖带压即为动脉平均压，图中第3部分；此后，随着袖带内压力下降，振动波幅度不断减小，袖带内压低于舒张压时，振动波幅度降到较低值，见图中的第4部分。示波法可以测量动脉平均压。动脉平均压(mean arterial pressur,map)是血压波形在一个周期内的积分与周期的比值。 (21)其中map为平均数，t为周期，p(t)为血压随时间的函数。动脉平均压是血压波形在整个周期的平均，综合反映了动脉血压。而平均压若

23、连续的增加或减少，最有可能的是由高血压或低血压所引起。袖带内脉搏波信号达到最大值时所对应的袖带压为平均压。2.2 系统总体方案概述2.2.1 系统组成部分电子血压计由压力传感器、初级运算放大电路、滤波电路、次级放大电路、数模转换电路、显示电路、按键、报警电路和单片机组成。压力传感器完成对血压信号的采集，运算放大电路及滤波电路对采集来的信号进行预处理得到两路所需信号，a/d转换电路对这两路信号进行数模转换，单片机作为电子血压计的控制核心，完成对信号的存储与计算，并通过计算所得数据来控制外围电路，进行血压数据的显示与报警。整个系统总体上主要由以下几个部分组成：（1）信号采集部分信号采集部分主要包括

24、一个压力传感器、前置放大器、带通滤波器与低通滤波器主要完成袖带压力及脉搏信号检测。滤波器将这两个信号分开，分别送入a/d转换器的两个不同通道，供mpu分析处理。（2）模数转换部分该部分由多路a/d转换器组成，转换内容为袖带压力和袖带压力脉动波。在本设计中a/d转换器为单片机的外设。（3）中央处理单元中央处理单元的主要组成部分为单片机at89c51,其主要完成的工作有:通过串口接收单片机给出的系统参数设置及控制命令，并向单片机传送测量数据，其中包括计算收缩压、舒张压、平均压数据、对气泵及模数转换的控制、测量过程中的各种算法实现。微控制器对气泵充气与排气进行控制，同时控制报警。（4）显示模块用两片

25、八位led显示人体的收缩压、舒张压。2.2.2 系统组成部分框图由图2-3总结出系统的工作过程：压力传感器采集到信号后，送入运算放大电路。由于本文选用的是幅值系数法，需要分离出袖带压信号和脉搏波信号，根据袖带压信号和脉搏波信号的频率特征，其中一路信号由低通滤波器分离出袖带压信号，另一路由带通滤波器分离出脉搏波信号，一并送入a/d转换器。袖带气压和脉搏波经数字信号处理后可得到收缩压、舒张压以及平均压。将计算所得结果输出至led显示。手臂压力传感器差分放大器低通滤波器带通滤波器基本放大器带通滤波器ad转换按键at89c51气泵led显示报警图2-3 系统组成框图当舒张压或收缩压的值超出其正常值时，

26、报警电路发出报警。气泵的充气以及排气也是由微处理器控制的。2.3 电子血压计的技术指标由于生物信息检测部分获得的血压信号往往是很微弱的，而设计的电子血压计最终要面向市场和用户，因此在系统设计与研发的各个阶段必须要考虑各个方面的应用特点和技术要求。鉴于此，本设计应满足的技术指标有以下几个：测量原理：示波法测量范围：压力：40280mmhg(5.434.6kpa)测量精度：静态压力：3mmhg(0.4kpa)加 压：智能自动充气减 压：放气速率恒定控制电力检测：bp01型压力传感器使用环境：温度：540；湿度：4v？计算袖带压力信号与脉搏波信号直流量1v？找到脉搏波最大幅值的0.5倍和0.7倍血压

27、值正常？led显示结束led显示报警nnnnyy图4-3 电子血压计程序流程图4.3 系统软件模块化设计4.3.1 血压信号的数模转换系统在气泵开始充气的同时就开始了ad转换，也就是说ad转换是与充气放气同时进行的，单片机采用查询p3.7口来判断转换是否结束，一旦数模转化结束p3.7接受到高电平，系统检测到高电平后开始读入数据。数模转换的程序流图如4-4所示。开始初始化启动ad转换转换完成？输出数据返回图4-4 a/d转换的程序流图4.3.2 收缩压与舒张压的计算如果adc0809的信道0测到的血压直流分量小于1v则表示气压低于50mmhg，这是单次测量结束的标志。从传感器输出的信号经过处理模

28、块的处理后，得到被测者的脉搏波和血压计升压和压降过程中的袖带压力。经过数模转换后的信息供收缩压、舒张压、平均压和心率的计算。单片机在测量过程中已经存储各个脉搏波的峰值，以及每个脉搏波的间隔时间。血压数据计算的大体框架如图4-5所示。图4-5 计算收缩压与舒张压的程序流图5 系统调试与仿真本设计采用了keil uvision2和proteus isis进行仿真调试。keilsoftware公司推出的uvision2是一款可用于多种8051mcu的集成开发环境(ide)，该ide同时也是pk51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uvision2

29、还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标mcu，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uvision2提供逻辑分析器，可监控基于mcui/o引脚和外设状态变化下的程序变量。uvision2提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括analogdevices的aduc83x和aduc84x，以及infineon的xc866等。proteus isis是英国labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它可以仿真、分析(spice)各种模拟器件和集成电路。该软件的主要特点总结后有以下四点：实现了单片机仿真和spice电路仿真相结合的功能。支持目前主流单片机系统的仿真。提供了软件调试功能，并可以与wave联合仿真调试。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和spice分析于一身的仿真软件，功能极其强大。在电子领域中也起到了很大的作用，它的出现仿真不需要先焊接电路，可以先仿真调试通过后在焊电路，节省了不少在硬件调试上所花的时间。proteus isis的工作界面是一种标准的windows界面。它包括标题栏、主菜单、状态栏、标准工具栏、绘图工具栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口等十几个工具，方便了使用者的使用。仿真电路如图5-1所示。图5-1 硬