硅壓式傳感器的便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

1 引言

測(cè)量血壓的傳統(tǒng)儀器是機(jī)械式水銀血壓計(jì)，電子血壓計(jì)近幾年才在市場(chǎng)上出現(xiàn)。電子血壓計(jì)與傳統(tǒng)血壓計(jì)相比，雖然操作簡(jiǎn)單、使用方便，但準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性往往不太理想。本設(shè)計(jì)力求準(zhǔn)確、穩(wěn)定，以適用于老年人或病人隨時(shí)監(jiān)測(cè)自己血壓情況及臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)。

在研究國(guó)內(nèi)外已有產(chǎn)品或設(shè)計(jì)構(gòu)思的基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與智能控制技術(shù)，盡量消除脈搏提取處理中的噪聲干擾與非線性失真，提高血壓測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并提高了測(cè)量的自動(dòng)化和智能化。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Motorola公司的MPX53GC硅壓式傳感器和TI公司MSP430F149單片機(jī)為主要器件， 構(gòu)成電子血壓計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。系統(tǒng)由MCU、 傳感器、LCD液晶顯示器、操作面板、充放氣控制 電路、氣泵和氣閥、蜂鳴器、存貯器、電源等部分 構(gòu)成。

2．1 微處理器的選擇

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它不僅要對(duì)系統(tǒng)進(jìn) 行監(jiān)控、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，而月．要通過(guò)對(duì)測(cè)量 結(jié)果的判定調(diào)整硬件的參數(shù)；使系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié) 在最佳的工作狀態(tài)，具有一定的智能性。根據(jù)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)要求，選用TI公司的MSP430F1 49單片機(jī) 。

MSP430內(nèi)嵌ADC12，它是12位的A／D模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，具有高速、通用的特點(diǎn)。ADC12可對(duì)8個(gè)外 部模擬信號(hào)之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換。 ADC12具有通用的采樣／保持電路，給用戶提供了 采樣時(shí)序的各種選擇。MSP430F149單片機(jī)則能很 好滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2．2 傳感器電路設(shè)計(jì)

MPX53GC是Motorola X型傳感器，該類傳感器價(jià)格低廉、線性優(yōu)良、噪聲小、響應(yīng)迅速，并且在 恒流源供電的情況下具有溫度白補(bǔ)償掙陛。傳感器電路的組成如圖2所示，壓力傳感器的輸出信號(hào)先 經(jīng)過(guò)濾波電路，然后進(jìn)行放大，同時(shí)單片機(jī) MSP430F149將產(chǎn)生1：10脈寬控制鋸齒波發(fā)生器， 產(chǎn)生鋸齒波與經(jīng)過(guò)處理的壓力信號(hào)相比較，將電平 信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)。單片機(jī)MSP430F149測(cè)量脈寬，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換為收縮壓(SP)、舒張壓(DP)、平均壓(MP) 。

2．3 濾波電路設(shè)計(jì)

在血壓測(cè)量過(guò)程中，由于傳感器MPX53GC輸 出的信號(hào)極其微弱，而且混有高頻噪聲，如果電路 設(shè)計(jì)不合理，微弱的信號(hào)就會(huì)被噪聲淹沒(méi)。因此在 每一級(jí)放大電路中，都應(yīng)有相應(yīng)的噪聲濾除或抑制 電路 ，此外要盡量的消除分布電容與分布電感的 耦合，在必要處進(jìn)行屏蔽。如圖3所示，采用有源低通濾波器，有效地削弱高頻噪聲，并適當(dāng)放大信 號(hào)。其頻率函數(shù)可表示為：

2．4 充放氣控制電路設(shè)計(jì)

充放氣電路也是影響測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)重要因素。因此，怎樣控制充氣閥和放氣閥，才能得到最好的測(cè)量結(jié)果是關(guān)鍵。在測(cè)量過(guò)程中，我們采用 單片機(jī)MSP430F149控制充放氣速率，根據(jù)壓力大小進(jìn)行控制充氣閥和放氣閥的動(dòng)作，這樣不但能夠 準(zhǔn)確控制充放氣的速率，而且能很好的監(jiān)測(cè)整個(gè)系 統(tǒng)的運(yùn)行情況，此外，還可以避免一些意外的人體傷害。

其控制過(guò)程見(jiàn)圖4充氣電路如圖5所示。在充氣過(guò)程中．可以稍 微快點(diǎn)充氣，并估計(jì)收縮壓和舒張壓，以便計(jì)算放 氣速率。當(dāng)達(dá)到最大值后停止充氣，開(kāi)始慢慢的均 速放氣。放氣過(guò)程中，采用PWM脈寬調(diào)制進(jìn)行控 制，并時(shí)刻察覺(jué)血壓袖套CUFF的壓力情況，保持 勻速放氣。最后當(dāng)壓力小于20mmHg時(shí)，立即把放 氣閥全部打開(kāi)。

2．5 LCD液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621，它為128(32 ×4)段LCD驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)多個(gè)LCD液晶屏。它 與單片機(jī)接口如圖6所示，接口只須四根線。 線 用以初始化串行接口電路并終止MSP430F149與 HT1621的通信。數(shù)據(jù)的瀆／寫及命令的寫入通過(guò)數(shù) 據(jù)線傳輸。RD讀信號(hào)，RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)在RD信號(hào) 的下降沿送至數(shù)據(jù)線上，使MSP430F 149在而信 號(hào)的上升沿及下一個(gè)下降沿之間讀入正確的數(shù)據(jù)。

一WR為寫信號(hào)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)、地址及命令可在 一WR信號(hào)上升沿寫入HT1621。IRQ為可選擇控制。

2．6電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電源采用兩節(jié)1．BY 的電池供電，經(jīng)過(guò) XC6382芯片升壓至3．5V直接為系統(tǒng)提供電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)有效工作的核心，系統(tǒng)只 有在軟件和硬件有機(jī)結(jié)合，才能正常工作。

3．1 采集與控制程序模塊

它完成采集資料(壓力傳感器信號(hào)，按鍵信號(hào) 等)，控制充放氣等功能。其程序流程如圖7所示。

3．2 數(shù)據(jù)處理和顯示模塊

數(shù)據(jù)處理和顯示模塊完成對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)字濾波，計(jì)算出收縮壓、舒張壓、平均壓及 脈搏，然后把相應(yīng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到EEPROM(24C256)并 顯示到液晶屏(HT1621)．程序流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

測(cè)量系統(tǒng)需要標(biāo)定，電子血壓計(jì)也不例外。在 軟件系統(tǒng)中專門有一個(gè)壓力標(biāo)定程序，該程序的作 用是幫助調(diào)試者進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程如下：給系統(tǒng) 零壓力(即：讓傳感器與大氣連通)，經(jīng)過(guò)一段時(shí) 間穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄零點(diǎn)的脈寬；然后提示調(diào) 試者，給系統(tǒng)300mmHg的壓力，此時(shí)調(diào)試者應(yīng)將 顯示的數(shù)值調(diào)整到16268±100以內(nèi)，系統(tǒng)即標(biāo)定完畢。

5 結(jié)論

通過(guò)一系列的分析、研究和改進(jìn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較好的達(dá)到我們測(cè)試的要求。在測(cè)量的過(guò)程中，被 測(cè)者應(yīng)做到保持不動(dòng)，否則可能因?yàn)楸粶y(cè)者的動(dòng)作 形成一個(gè)假脈沖信號(hào)，同時(shí)可能改變CP信號(hào)。為 了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性和可靠性，傳感器線性、PCB 板布線、氣泵和氣閥選擇等等都需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。