电子血压计设计

1、电子血压测量计设计摘要：随着生活水平的提高，人们越来越观注自己的身体健康，血压是身体健康与否的一个重要指标。据2001年全国普查显示，我国平均每三个家庭就有一个高血压患者；慢性低血压的发病率为4%左右，其在老年人群中可高达10%。因此，研制既适合家庭保健人员又适合专业人士智能型血压计具有重要的意义。本文研究的动态血压检侧仪属于微机检侧与控制领域，因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。因此，通过对它的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义。本文利用微

2、弱信号的检测技术设计出动态血压测量计。该血压测量计可以进行简单的血压测量。本文以目前较为流行的PIC单片机PIC16F874为血压测量计的核心，利用Motorola公司的压力传感器将血液对血管壁的压力转换为电信号，并送入单片机中集成的A/D转换模块将血压信号转换为数字信号后进行显示、存储、传输等处理。关键词：血压；单片机；传感器；LEDBased on monolithic integrated circuitsblood pressuresurvey meter designAbstract:With the improvement of living standard，people mor

3、e and more concern their health. Blood pressure is an important symbol whether health or not.It is significant to design intelligent sphygmomanometer which applied to both family member and doctor.In this paper, the ambulatory blood pressure detection of computer-detection and control of the area, b

4、ecause in the various sectors of the national economy has infiltrated computer detection and control system. National defense technology, aerospace, aviation, railways, metallurgy, chemical industry naturally Needless to say, even in daily life also use the computer monitoring and control technologi

5、es, such as elevators, microwave ovens, refrigerators and so on. Therefore, it will own after the study in mechatronics product development is of great significance.A blood presser dynamic testing system will be worked out in this article, which use testing technique of delicated signal.The sphygmom

6、anometer can be used simple blood pressure measure.This article use PIC singlechip “PIC16F874” as thesphygmomanometers kernel,which is prevalent at present.Pressure which blood oppress vein is translated to electricsignal.Through PIC16F874s A/D translation model it is betransformed digital signal.Th

7、en the singlechip processes thesedigital signal such as display, saving, transmitting.Keywords:Blood pressure；singlechip；sensor；LED第1章绪论1.1课题研究的意义和总体目标课题研究的意义本文研究的动态血压检侧仪属于微机检侧与控制领域，通过对它的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义。因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。

8、由于单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低可靠性高、价格便宜、实用灵活、开发周期短、适合国情等诸多优点，因此，在工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电中随处可见其身影。而这些智能器件可以运用到以下领域：(1)、消费者服务领域，它主要应用到家庭器具和娱乐器件；(2)、汽车领域，每辆汽车都将近有50个单片机，它们提供智能化控制，例如报警系统、ABS和安全气囊；(3)、在办公自动化领域，主要包括PC机、键盘、复印机和打印机；(4)、无线电通信领域，包括便携式电话、寻呼机和电话应答机；五是在所有的工业应用领域，例如旅馆房间的门锁、自动化

9、水龙头和工业控制。作为自动化专业的学生，掌握单片机基本知识，学会其运用，并为以后在此基础上结合相关领域设计智能化产品和提高某些产品性能具有重要的实践意义。本论文也具有比较重要的现实意义。目前，市场上的使用的血压计大部分仍是水银血压计，也有一些动态血压记录仪。水银血压计每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂，只能是每个医生一次对一个人进行测量;而且对不同的医生，测量结果可能不同:对同一个人来说，影响血压因素非常多，由于每次测量的时间不可能很长，测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值。将脉动波的记录引入动态血压技术，提供24小时内的每次血压测量结果，而且能再现每次测量过程中

10、的波形。在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的。目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字。本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压记录仪，使每次测量结果完全透明，实时分析结合回顾分析，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。课题研究的总体目标本文研究的内容就是动态血压信号的数据采集系统的硬件设计。根据总体项目的要求，提出多种设计方案，选择最合适的方案进行硬件设计，以满足血压信号的数据处理系统的要求。硬件电路就满足项目的如下指标。测量范围：收缩压：40270 mmHg舒张压：

11、20200 mmHg平均压：30220 mmHg测级精度：3 mmHg或4%二者取最大。测量方式：简单测量，不借助于PC机就能进行血压值的测量。能提供数据给PC机用于血压值的实时测量和血压波形的实时显示和记录。过压保护：成人：315330 mmHg起动过压保护儿童：235250 mmHg起动过压保护测量时间：在无干扰的情况下，测量时间通常为30秒，也右可以进行长时间连续测量。1.2 单片机应用的可靠性技术发展在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如

12、下几点：(l)、EFT(Electrical FastTransient)技术EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。(2)、低噪声布线技术及驱动技术很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的嗓声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能

13、力都有了很大提高，Motorola公司的单片机I/O口的灌拉电流可达8mA以上，而Microchip公司的单片机可达25mA。这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低di/dt，这也就一是所谓“跳变沿软化技术”，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。1.3单片机的发展趋势单片机在目前的形势下，表现出几大趋势：(1)、可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。(2)、所集成的部件越来越多；Ns(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单

14、片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了。如果从功能上讲它可以讲是万用机，原因是其内部已集成上各种应用电路。(3)、功耗越来越低，以及和模拟电路结合越来越多。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现:单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。第2章 设计的总体思路和基本方法2.1系统硬件的总体设计在这里介绍一下有关血压的基本知识，血压是血液在血管内流动时对血管壁的侧压力。血压分收缩压和舒张压。当心室收缩向动脉泵血时，血压升高，其最高值为收缩压。心室舒张时，血压降低，其最低值为舒张压。血压通常以上肢肪动脉

15、测得的血压为代表，正常成年人上胶动脉的收缩压为90140毫米汞柱，舒张压为6090毫米汞柱。血压过低或过高都是疾病的征象。血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩、舒张而不断变化，而人的心脏的收缩频率即心率比较低，一般在30300bpm，由此血压脉动镶号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号，我的设计是采用外接式的结构，以PIC16F874单片机为核心，由其内部自带的10位8通道A/D转换模块构成的采样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口COMI或COMZ，形成种连续数据采集串行数据传输的方式。硬件设计如图2-1所示。图2-1 硬件设计图参数设计：(1)、采样频率图中A0A

16、7为传感器采集来的血压信号经过调理后的0-5v的标准信号。由于人的心率一般在30300bpm范围内，因而血压信号的有效频率范围较小。根据采样定理，(采样频率只要能大于信号频率的2倍理论上采样后的数据就能还原原始信号)，并参考其它血压计和心电启示录仪的采样频率，本文选取每个通道的采样频率为250Hz对血压信号进行采样，能足够满足数据的处理需要。为充分利用硬件潜力，根据需要可以通过键盘或PC机来设置采样速率。(2)、分辨率PIC16F874单片机A/D转换位数为10位，则分辨率为1/210或约为满刻度的0.1%。由采样位数为10位，即需2个字节来存储，1秒钟就采样500个字节。由于设计要求的采样精

17、度为3%，所以可以去掉结果的低两位，即用一个字节来存储采样结果。采用这种方式系统的精度将降低，省略掉的两位最大占满刻度的3/1024，对系统的测量结果影响较小。(3)、数据传输率为减小系统的功耗和增加数据传输的可靠性，数据传输速率将根据采样的通道数目进行设定。若只对一个通道进行采样，则每秒钟将产生250个字节的数据，选择串行传送的波特率为9600bps，则大约1 ms就能传送一个字节，ls可以传送大约1K个字节，所以可以满足要求。(4)、硬件工作流程图由于采样的频率较低，硬件设计就采用每采集一次血压信号就将结果通过串行端口传送给上位机，便于连上位机(PC机)对数据进行实时处理。否否开电源由键盘

18、输入设置参数启动A/D转换转换结束否？传输数据显示结果需结束否？结束图2-2 硬件工作流程图硬件工作流程图如图2-2所示。电源开启过后，若有必要修改系统的默认参数，将由键盘输入或PC机对其进行设置。经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作。初始化完成之后，将启动A/D转换，等待直至A/D转换结束。然后将A/D转换结果送入上位机。待采样的时间达1秒钟后将分析数据结果，求出最大值和最小值，经过一些处理后即为收缩压和舒张压。将它们送往LED数码管进行显示。2.2 微弱信号的检测方法提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法有两类。一是传感器及放大器入手，从降低它们的

19、固有噪声水平，或研制新的低噪声传感器。另一是分析测员中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。微弱信号检测是利用后一种途径。但应注意，从噪声中提取信息，首先需在尽量降低噪声的基础上进行。微弱信号的检测方法随信号类型不同而不同，目前常用的和比较成功的方法有以下几种。(1)、信号的窄带化及相干检测技术单频余弦(或正弦)信号，或频带很窄的正、余弦信号，由于信号频率固定，我们以通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除。这种技术称为窄化技术。如果信号具有相干性，而噪声具有无相干性，则可利用相干检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，即可把与信号频率相同，但相位不同的噪声大量排除。

20、 20世纪50年代后发展的锁相放大器，是以相敏检波(PSD)为基础的，是目前电频域信号相干检测的王要仪器。其基本原理是利用PSD既作变频，以作相干降噪，再用直流放大器作积分、滤波，最后作信号幅度测量。它比选频放大的测量灵敏度高可提高34个数量级。(2)、时域信号的平均处理信号若是脉冲波序列，则信号有很宽的频域，因此相干检测常无用武之地。这时，可根据噪声是随机的，多次测量的平均可排除噪声的影响，接近信号真实值的特性来进行测量。这种逐点多次采测，求平均的方法，称为平均处理。积累平均器(Boxcar)是电信号时域处理的主要设备。20世纪50年代提出设想，1962年得以实现。目前用于频率较高的时域信号

21、。对频率低的重复信号，其时间效率较低。计算机发展后，出现数字平均器，它适用于较低的频率范围。由于两者有许多相同部件，目前已生产合二为一的产品。(3)、离散量的计数统计有些信号，可看成是一些极窄的脉冲信号，人们关心的是单位时间到达的脉冲数，而不是脉冲的形状。这些脉冲的计数统计方法，要选择或设计传感器，能使信号有尽量相近的窄脉冲幅度输出，要利用幅度甄别器，大量排除噪声计数，要利用信号的统计规律，来决定测盘参数的作数据修正。目前比较成熟的离散量测量仪器是光子计数器。(4)、并行检测有些事件只发生一次，如单次闪光光谱，或者希望在测量的范围内用扫描方式同时获得结果，这就需要并行检测方法。并行检测需要用传

22、感器阵列，而每个传感器必须有存储效应，使数据能依次读出。传统的光并行检测，是用感光乳胶，主要适用于光图像，其灵敏度较低，后处理繁重、困难。目前出现摄像管、二极管列阵、CCD列阵等光电多元传感器，可结合多路传输、多道技术，获取模拟电信号，或转变成数字信息，从而实现快速并行检测。若再利用计算机作非线性变换，加、减、直方图等多种处理，就形成了图像数字处理技术(图像识别、图像增强等)。并行快速实现快速分析，因此在荧光动力学、等离子体分析、爆炸研究、低能电子衍射、大气现象研究、质谱等许多领域都是有用的。实现并行检测的基本条件，是要有多道传感器和信息的快速存取。目前并行，在光学和核物理方面应用比较成功。(

23、5)、自透应噪声抵消这是自适应信号处理的一种形式，它利用一个与原始输入相关的噪声来抵消原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸变的有用信号，提高系统的信噪比。自适应噪声抵消系统需要一个附加的参考输入。这种方法在地球生理、生物医学、通信和测量设备中均有很大的应用价值。(6)、计算机数字处理随着计算机的发展，原来一些需要硬件完成的任务，可用软件来实现，我们可利用曲线拟合(平滑)、逐点平均、数字滤波、快速付立叶变换(FFT)及取最大熵估计等众多的数字信号处理方法，对含有噪声的信号进行处理，从而提高信噪比。对血压信号，我们采用了先进的Motorola专用的压力传感器和放大器，其输出己被调理为0-5V电压

24、信号。此信号经过采集硬件后送入到计算机进行数字处理，能达到很高的处理精度。2.3 采集系统基本组成采集系统包括硬件和软件两大部分。如图2-3所示为硬件的基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量。通常把传感器输出到A/D转换器输入的这一段信号通道称为模拟通道。图2-3 采集系统硬件基本组成示意图放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片愉出电压变化只有几个毫伏：人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入510V的要求

25、。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到组抗变换器的作用来缓冲输入信号。传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种锅合渠道使信号通道感染上噪声。这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关后面的单元电路实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，如采样/保持电路、A/D及处理器电路等，只需一套即可，这样节省成本和体积。模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾

26、取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前(每通道一个)，还可实现对瞬时信号进行同时采样。采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力，精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器的种类较多。A/D转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。2.4 采样方式的选择模拟信号首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主要是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器

27、按照预定的时间间隔对模拟信号离散化，从而把连续的模拟信号转化成离散的脉冲子样，再由模数转换器(ADC)把离散子样进行量化编码，使之变成数字信号送到处理器进行数字处理。数字处理一般由数字计算机来完成。均匀采样定理：一个在频谱中不包含大于频率fm的分量的有限频带信号，由对该信号以不大于1/2fm的时间间隔进行采样的采样值唯一地确定。当这样的采样信号通过其截止频率Wc满足条件的理想低通滤波器后，可以将原信号完全重建。采样定理为我们确定采样频率提供了理论依据，但在具体实现由连续信号到离散信号的转换时，又涉及采样方式问题。设计采样方式总的原则是：以保证采集精度为前提，以被测信号的具体特性为依据，尽量以较

28、低的速率实现采样，从而减少数据量，降低对传输、变换系统的要求，提高数据处理的效率。图2-4是采样方式分类图：图2-4 采样方式分类图基本采样方式可分为两大类：实时采样(Read-Time Sampling)和等效时间采样(Equivalent- Time sampling)。对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后，经过采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入存储器。实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。等效时间采样技术可

29、以实现很高的数字化转换速率，但这种采样方式的应用前提是信号波形可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢的速度进行。采样的样本可以是时序的(步进、步退、差额)，也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。本设计采集系统的采样方式选择为实时采样，即采用相等的时间间隔对血压信号进行连续采样，每次采样经数字化后将结果送入PC机进行存储。血压数据处理软件再对这些存储结果进行分析处理。至于血压数据处理软件，我们可以使用别人设计好的成品。第3章 硬件系统设计3.1单片机的选择和相关模块的设置 单片机的选择若选择将多路开关、采样保持器和AD转换器集成在一起的单片机，就可

30、以减少分离元件的数目，缩小血压测量计的电路板大小和增加系统的可靠性。考虑到血压测量计的使用，功耗必须较低和用电池供电的等因素，本文的单片机选择为MICROCHIP公司的PIC16F874。下面将介绍PIC16F874芯片：PIC16F874是PIC16F87X系列中的一员。PIC16F87X系列产品是微芯公司生产的14位指令系统中功能最强的单片机之一，性能价格比很好，这类单片机广泛使用的主要因素有：开发容易，周期短：由于PIC16F87X采用RISC指令集，指令少，仅具有35条指令，且全部为单字长指令，易学易用，相对于采用CISC(复杂指令集)结构的单片机可节省30%以上的开发时间，2倍以上的

31、程序空间。高速：采用哈佛总线和精简指令集建立了一种新的工业标准，指令的执行速度快。工作速度：DC-20MHz时钟输入，DC-200ns指令周期。当PIC16F874以最大时钟脉冲速率运行时，它在0.2s内就能执行一条指令(除GOTO和CALL指令外)，即每微秒执行5条指令，比一般的单片机速度快5倍。可靠的复位电路和多种时钟选择：上电复位和掉电锁定功能，确保芯片只在电压规定的范围内运行，如果芯片误操作和偏离正常运行，看门狗定时器就会复位。同时，有4种时钟脉冲可供选择，其中包含有一个低价格的电阻电容振荡器和一个高精度的晶体振荡器，引外还有一些低功耗的时钟脉冲可供选择。低功耗：PIC采用了CMOS设

32、计结合了诸多的节电特性，使用高速、低功耗CMOS FLASH/EEPROM技术，使其功耗较低，PIC百分之百的静态设计可进入休眠(sleep)省电状态而不会影响唤醒后的正常运行。在4MHz时钟下，电源电压为3V时，典型工作电流值小于0.6mA，在32KHz时钟下，电源电压为3V时，典型工作电流值为20A，典型待令状态的电流值小于1A。强大的输出端口控制和驱动能力：一条端口操作指令可以在其0.2s的指令执行时间里选择和驱动一个输出端口，每个输出引脚可以驱动多达25mA的负载，其拉电流和灌电流均为25mA，既可以高电平直接驱动LED也可以低电平直接驱动LED。宽工作电压范围：PIC系列芯片可以工作

33、在宽的电压范围内，从2.5V到5.5V，特别适用于电池供电的场合，宽的电压范围使得芯片可以很容易地与外围的3.3V和5V供电接口芯片接口。低价实用：PIC配备有OTP(One Time Programmable)型和FLASH型等多种形式的芯片。有高达8K字节的程序存储器FLASH，368字节的数据存储器(RAM)和256字节的数据存储器EEPROM。提供了基于Windows的方便易用的全系列的产品开发工具。外围功能模块特性：定时器TMR0：带有8位前分频器的8位定时器/计数器，定时器TMR1：带有前分频器的16位定时器/计数器，在休眠期间可通过外部晶振/时钟增量计数:定时器TMR2：带有8位

34、周期寄存器、前分频器和后分频器的8位定时器/计数器；两个捕捉比较/脉宽调制(PWM)模块，16位的捕捉输入的最大分辨率为12.5ns，16位的比较输出的最大分辨率为200ns，脉宽调制(PWM)输出的最大分辨率为10位。10位多通道模数转换器(A/D)。同步串行口(SSP)可满足SPITM(主控)和I2CTM(主控/从动)总线要求。具有地址第9位检侧的通用异步接收器和发送器(USART/SCI)由外部RD，WR和CS控制的8位数据宽度的并行从动端口PSP。用于掉电锁定复位(BOR)的锁定检测电路。 相关模块的设置在使用PIC16F874芯片完成设计时，我们首先要对它的A/D转换功能模块以及定时

35、器和比较捕捉模块进行相关的设置。PIC16F874单片机内部集成了A/D转换部件，并且有8个A/D输入通道，通过编程，即可实现单路或多路A/D转换的功能。另外其A/D转换还可以在休眠状态下进行，由A/D转换结束中断重新激活单片机。采用这种方式，在A/D采样和转换时间内，单片机主频关闭，干扰小，既提高了A/D转换精度，以减少了功耗。A/D转换的设置有以下几个步骤：(1)、AD转换时钟源的选取：定义每一位A/D转换时间为TAD，为保证正确地进行A/D转换，A/D转换时钟必须满足最小TAD要求，即TAD不小于1.6s。而A/D转换的时钟源可用软件设置进行选择。对于TAD有以下四种选择：a)2Tosc

36、；b)8Tosc；c)32Tosc；d)A/D模块内部的RC振荡器(26s)。选择单片机的时钟源为4MHZ，则Tosc=0.25s。故TAD可选择8Tosc。表3-1是PI16F87X芯片在各种工作频率下不同A/D转换时钟源的TAD。由于通道数目有限，仅只有满足需要的8个，故A/D转换所需要的参考电压VREF+只能由PIC供电电压来提供，即选择供电压内部连接到A/D，就避免了占用2个引脚来实现这种功能。对于传感器，输出与其供电电压成比例，并且用PIC供电压作为参考电压，使VREF等于VDD是较好的选择。选择VREF=VDD，PIC 16F874器件就可有8个引脚为A/D模拟输入。表3-1 TA

37、D与器件工作频率关系表A/D时钟源最大器件频率选择ADCS1：ADCS0Max2001.25MHz8015 MHz321020 MHzRC11（注）注：内部RC振荡器典型的TAD=4s，但是在2-6s范围内变化当工作频率高于1MHz时，A/D转换的RC时钟推荐值仅适合在休眠方式正式下工作。(2)、A/D转换结果的调整：A/D转换结束后，其10位的转换结果存放于寄存器对ADRESH和ADRESL，这个寄存器对为16位宽，A/D格式选择位（ADFM）控制10位转换结果在16位寄存器中左移或右移。本设计选择将A/D转换结果左移，则ADRESL的低6位为0。左移后ADRESL中的高2位即表示A/D转换

38、结果的最低2位值，这2位值占结果的比例最大为3/210约等于0.3%。相对于课题所要求的精度值3%，则A/D转换结果的最低2位值完全可以省略掉。也就是说用ADRESH*4来代替A/D转换的结果。这样传送的数据就只是经左移位后的A/D转换结果ADRESH*4。由前面的分析可知，A/D转换模块寄存器的初始化如图3-1所示：为实现A/D转换模块的等时采样，本文选用了PIC16F874单片机的捕捉/比较/脉宽调制(CCP)模块和定时器TMR。图3-1 A/D模块的寄存器设置根据设计要求，本文将选择CCP2工作在比较工作方式，产生特殊事件触发，让CCP2将TMR1复位，并且启动模数转换电路进行A/D转换

39、。则CCP2CON=0BH。当CCP2工作在比较工作方式时，不断地用16位的CCP2寄存器中的值与TMR1寄存器中的值作比较，如果二者相等，在特殊事件触发方式下，将产生一个内部硬件触发信号，用它来启动A/D转换(但触发不会将中断标志位TMR1IF位置为1，也即不会产生TMR1的中断)，当A/D转换结束时，将产生一个中断信号，CPU就去执行A/D中断服务程序。3.2 输入系统设计 血压传感器的选择血压信号首先经过压力传感器抬取，并进行适当的放大和调理然后才能送入A/D转换模块的模拟输入口。本文选择Motorola公司的压力传感器MPX5050GP，其内部含有信号运放和信号调节功能，可以直接将动脉

40、血液对血管壁的压力转换为。04.7V的电信号，其对应的血压值为0375mmHg。MPX5050GP压力传感器的模型如图3-1所示。MPX5050GP压力传感器具有如下特点：(1)、在0到85范围的最大误差为2.5%。(2)、非常适合基于单片机(微处理器)的系统。(3)、温度补偿范围：-40到25。(4)、具有专利的抗剪应力疲劳技术。(5)、耐用环氧单元；芯片选择容易。(6)、最大电流0.1mA；电源电压为4.75到5.25V。(7)、最大压力200Kpa。(8)、灵敏度：90mV/Pa，反应时间1.0ms，精度2.5%VFS。我们对单片机A/D转换模块的设置可知：A/D转换模块的参考电压为电源

41、电压5V，而MPXSO50GP压力输出为04.7V，对应的血压值为0375mmHg，则5V满量程对应的血压值约为399mmHg(由375*5/4.7计算可得)。由于A/D转换器为10位，则1LSB所对应的血压值约为0.4mmHg(由399/210计算可得)，根据这样计算造成的满刻度误差为(0.4*210-399)/10241.04%，完全能满足设计需要。这样血压测量值就应该等于ADRES* 0.4+BIAODZ。BIAODZ为仪器的标定值，ADRES为A/D转换模块的转换结果。 低通滤波电路传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声。为提高模拟输入

42、信号的信噪比，可以用信号滤波器(Filter)来衰减这些噪声，即通过滤波器来去除许多与测量无关的频率成分，滤去不必要的高频、低频或无关信号，或是取得某些特定频段的信号。滤波器可以用R，L，C等无源元件组成，也可用无源和有源元件组合而成。前者称之为无源滤波器(Passive Filter)，后者称为有源滤波器(Active Filter)。有源滤波器中的有源元件可以用晶体三极管，也可以使用运算放大器。采用运算放大器组成的有源滤波器具有体积小、重量轻、损耗低等优点，并且可以提供一定的增益，还可以起到缓冲作用，所以采用运放形式组成的有源滤波器使用特别广泛。本设计所用的滤波器也采用了二阶有源滤波器这种

43、形式。其结构如图3-2所示。其中元件的选择对其性能有很大影响。图3-2 二阶有源滤波器结构图一、集成运放的选择(1)、开环增益A0(S)的影响由于在无限增益多路反馈型滤波电路中将集成运放的开环增益A0(S)视为无穷大，故A0(S)之影响较大。对此电路就选用高增益集成运放。当此电路工作频率较高时，尚应考虑到A0(S)之频率特性，即A0(S)截止频率较高的集成运放。(2)、输入阻抗的影响在有源RC滤波电路中所用电容器和电阻器的阻抗值一般均较大，故要求集成运放有较高的输入阻抗，以免影响返馈系数等参数。优先选用FET输入级的集成运放。(3)、输入失调的影响考虑到输入失调电流和输入失调电压对输出端漂移的

44、影响。根据对滤波器的使用要求，选用输入失调小的集成运放，或在电路中采用必要的补偿措施。(4)、转换速率的影响转换速率主要影响截止频率高或中心频率高的有源 RC滤波器，特别是在高通滤波器中。如采用转换速率低的集成运放将造成波形较大失真或Q值明显下降。(5)、运算放大器的选择本文选择的是LM324低电压运算放大器，其内部由4个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器组成。特别适合较大电压范围的单电源供电情况。LM324可以直接运用于单电源供电系统，如数字系统中的标准的5V电源，其提供了所需的电气接口，而不需要另外的15V电源。LM324的一些主要参数如下：输入电压范围：-0.3+32V消耗电流：

45、3mA温度补偿范围：070直流放大系数：100db大信号电压放大倍数：最小25V/mV，典型值100V/mV共模抑制比：最小65db，典型值85db二、电容器的选择有源RC滤波电路对所用电容器应考虑的主要参数有电容量、允许误差、工作温度系数以及频率特性等。当所需容量较小时，常选用云母电容、CCI和CCZ型瓷介电容器，以及玻璃釉电容器等。当所需要容量较大时，一般选用聚苯乙烯电容器、聚碳酸脂薄膜电容器等。对工作频率较高的滤波器注意慎用金属化类的薄膜电容器，因为在高频时金属粒子会渗透到绝缘薄膜中去，从而造成电容器损耗上升，绝缘电阻下降，结果造成电路性能恶化。本设计所选择的电容为聚苯乙烯薄膜电容，其绝

46、缘电阻R50000M，损耗角正切值在10-4，量级范围，电容器的吸收系数K最小为0.05左右，电感量为4*10-3 6*10-3H。C1=0.022F，C2=0.01MF。三、电阻器的选择在有源Rc滤波电路中，主要考虑电阻器的阻值、精度、温度系数及工作频率等参数。对于要求不高的滤波器，可选用价格低廉的电阻器，如碳膜电阻器。对于高Q及要求参数随温度变化小的滤波器应选用金属膜、线绕及金属玻璃釉电阻器等。对于工作频率较高的滤波器应选用无感绕法和无感刻槽的电阻器，因为这种电阻器的自身分布电感较小。滤波器所用的电阻均选用碳膜电阻。 键盘与接口设计键盘与单片机的接口包括硬件与软件两部分。硬件是指键盘的组织

47、，即键盘结构及其与主机的连接方式。软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。虽然对不同的键盘组织其键盘管理程序存在很大的差异，但任务大体可分为下列几项：识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转作别的工作。译键：识别出哪一个键被按下并求出被按下键的键值。键值分析：根据键值，找出对应的处理程序的入口的键值。一、键盘的组织：键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。按其结构中分为独立式键盘和矩阵式键盘。键盘的扩展也可以通过一些特殊功能的数字芯片，如各种移位寄存器等图3-3 键盘输入电路实现。虽然程序较为复杂，但占用的单片机的接口较少。可直接用单片机的引脚作为键盘的行列

48、线，对单片机的I/O口的拉电流和灌电流特性有较高的要求。本设计采用这种非编码矩阵式键盘，这样成本低，使用灵活，且编程简单，扩展容易。如图3-3所示。为了使硬件设计简单化，利用单片机的RB1 ,RB2和RB4,RB5进行扩展成矩阵式键盘。B5和B4与单片机的变位中断输入引脚RB5和RB4相连，将其设置为输入；B1和B2与单片机的引脚RB1和RB2相连，将其设置为输出，对键盘的扫描可采用查询方式或中断方式。PIC16F874单片机的RB5和RB4可以产生变位中断，是微软公司专门为设计键盘中断功能使用的。二、键抖动及消除键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一抖

49、动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通，当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料的不同一般在5ms10ms之间。健抖动可能导致计算机将一次按键操作识别为多次操作，为克服这种由键抖动所致的误判，本设计采用软件延时法，这样可以简化硬件设计。软件延时法即：当判定按键按下时，用软件延时10ms20ms,等待键稳定后重新再判断一次，以躲过触点抖动期。三、键连击的处理当我们按下某键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在不断操作一样，这种现象就称为连击。连击现象软件方法来解决，当某键被

50、按下时，首先进行软件去抖动处理，确认键被近下后，便执行对应的功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再返回，从而使一次按键只被响应一次，避免连击现象。四、本设计中键盘的工作原理本次设计键盘工作的查询方式，矩阵式键盘的查询工作原理如下：如图3-3所示，B4, BS为列线，B 1, B2为行线。列线通过上拉电阻连接到电源上；因此当无键按下时，各列线(B4,B5)均为高电平。当行线(B1,B2)分别输出低电平时，有键按下，相应的列线B4或B5上会出现低电平。根据此原理，CPU对整个键盘进行扫描。所谓扫描，即CPU不断轮流对行线置低电平，然后检查列线输入状态，确定按键情况。在确定有键按下后，先把

51、B1置为低电平、B2置为高电平，再读入B4,B5的值。若B5为“1”, B4为“0”，则S2键按下；若B5为“0”，B4为“1”，则S1键被按下；若B4,B5皆为“1”，则证明按下的键不在该行，应进行下一行的扫描。下一行扫描时，令B1为高电平、B2为低电平，判断方法同前。扫描键盘的时间很短，仅为几微秒，而按一次键至少需要几十毫秒，所以只要有键按下，就可以马上判断出是哪个键被按下，从而很快执行相应的功能。五、键盘的功能分配本设计中键盘用于主要是为了对单片机内各种参数的设置进行修改，以方便用户根据自己需要对系统进行控制。通过编程，S1键用于启动或关闭传感器；S2键用于设置通道数目；S3键用于设置数

52、据是否传送至计算机；S4键用于显示设置。3.3 输出系统设计LED介绍LED即发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的PN结，由于参杂浓度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子空穴复和，把多余的能释放变为光能。LED显示器具有工作电压低、体积小、寿命长(约十万小时)、响应速度快(小于1s)、颜色丰富等特点。LED的正向电压降一般在1.22.6V，发光工作电流在5mA20mA。七段LED显示器由数个LED组成一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。为适用于不同的驱动电路，有共阳极和共阴极两种结构。本次设计采用的是共阳极结构，如图3-4所示。图3-4 七段LED显示器的共阳极结构为了显示某个数

53、或字符，就要点亮对应的段，这就需要译码。译码有硬件译码和软件译码。硬件译码电路的优点是计算机时间开销比较小，但硬件开支大。软件译码与硬件电路相比，省去了硬件译码器，其BCD码转换为对应的段码这项工作由软件来完成。表3-2显示的就是共阳极情况下段码与数字、字母的关系。表3-2 LED显示器字段字符共阳极段码字符共阳极断码字符共阳极断码0C0H592HA88H1F9682B83H2A47F8CC6H3B0880DA1499990灭FFH 数码显示的驱动电路考虑到整体体积的大小，译码驱动电路不采用由六个74LS273组成的数据锁存器和74LS244数据缓冲器，这七个集成块由MAXIM公司的ICM72

54、18C替代。一块ICM7218C可以驱动八位七段LED数码管，其内部集成有BCD码解码器、多路扫描电路、显示驱动、8*8的静态存储器。ICM7218C既可以显示十六进制格式也可以显示BCD码格式的数据。ICM7218C为并行输入口、共阳极驱动，其DIP封装形式的管脚功能图如图3-5所示图3-5 ICM7218C的管脚功能图一、主要功能引脚介绍如下：SEG ASEG G为七段LED的引脚输出端，在本文中接各位数码管的AG位。DA0DA2为地址译码输入，分别选择不同的数码管(即不同的位)。DA0DA2分别接PIC16F874的AN4、RB6、RB7。其功能分配见本章表3-3。ID0ID3为BCD码

55、的输入端。在本设计中接PORTD端口的RD0RD3。DIGIT1DIGIT8分别为各位数码管的阳极输入端。即分别接各个BS206的阳极公共端。HEXA/CODEB/SHUTDOWN为输入方式选择端。接高电平，选择BCD码输入方式。WRITE为写输入使能端。接低电平，使输入使能。V+用于接5V的电源，在V+和地之间应接两个并联的电容器47F和0.1F用于消除驱动LED的电流纹波的影响。二、主要的参数(典型值)有：电源电压：5V关断后电流：25A工作电流：200ALED驱动电流：70mA显示扫描速率：250Hz共阳极输出电阻为4，输出显示位电阻为50功耗：30mA七段LED的显示接口一、显示方式的

56、选择按照显示的方式，七段LED数码管显示有静态显示和动态显示之分。对本设计研究的血压信号采集系统来说，采用集成显示芯片ICM7218C的动态显示具明显的优势，它对静态显示而言并不占用更多的机时，其硬件电路简单，所用器件较少，便于缩小硬件电路的面积，从而时整个电路的体积可以做得更小。所以本次设计采用的就是基于集成显示芯片的动态显示方式。在采用动态显示的系统中，微处理器或控制器应定时地对各个显示器进行扫描，显示器件分时轮流工作，每次只能使一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的器件都在同时显示，此种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。随着大规棋集成电路的发展，目前已有能自动对显示器进行扫描的专用显示芯片，使电路既简单又少占用机时。这里采用的是MAXICM公司的集成显示芯片ICM72I8C，它能自动对各数码管进行扫描，其BCD码到LED段码的转换也由其内部完成(即内部具有BCD码到LED段码的译