单片机的电子血压计工作原理及设计

单片机的电子血压计工作原理及设计

示波法（振荡法）测量血压工作原理示波法（振荡法）是根据袖带在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。硬件设计系统基本工作原理如图1所示。压力传感器输出的电压信号首先通过低通滤波器滤波，之后由运放电路将信号转化为适合单片机的输入信号.

示波法（振荡法）测量血压工作原理

示波法（振荡法）是根据袖带在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。

硬件设计

系统基本工作原理如图1所示。压力传感器输出的电压信号首先通过低通滤波器滤波，之后由运放电路将信号转化为适合单片机的输入信号，最后将模拟的采样信号经过MN101EF32D单片机转化为数字量。程序对采集的数据进行数字滤波后分析，计算出人体血压的两个关键指标"舒张压"和"收缩压"，之后单片机立即将数据存储到外部存储器中，并将这些重要数据显示在LCD上。

传感器介绍及其外围电路的设计

该血压计使用的传感器为MPS-3100-006G压阻式压力传感器，是由四个等值电阻组成的惠式电桥，其输出电压和输入压力成正比，理想状态下当压力输入时，电阻值就跟着改变，但实际上温度的改变也会影响其阻值输出结果。另外，由于晶体和电路设计制作的误差，加上封装过程等方面的影响，零点偏移不是零。所以必须由外加元件来进行个别温度补偿电路校正。其重要指标如下：

a、传感器测定范围：5.8~15PSIG

b、操作温度范围：?40~85 ℃

c、驱动电流：1.5~3mA

d、驱动电压：5~15V

e、零点漂移：?25~25mV

f、电阻温度系数为：0.2％/℃

因为血压信号取自手臂，测量的信号容易受袖带的位置、手臂的挪动而带来的干扰。根据这些专业特点，要求系统具备高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、

低噪声以及低漂移等特征。如图2所示，图中的T1即为MPS-3100-006G压阻式压力传感器。整个电路首先将压力信号转换为电压信号，然后进行放大滤波。图中U1、U2为有源运放LM324，它的输入阻抗很高。压力传感器的信号通过放大后，并通过调节VR1的大小来改变运放的闭环增益，以调节为适应于A/D的电压输入范围。U1运放回路用来测量袖带中的压力，测量的数据用来供MCU分析并控制对袖带充气和放气的速度。另外U2运放回路是将通过C11电容隔直的交流信号放大，此回路测量的是人体的脉搏波。两个回路的采集数据构成了血压计各个指标的重要计算参数。

MN101EF32D的特性

MN101EF32D是松下（Panas on ic）公司于2008年初推出的产品，MN101Exx 系列8位单片机复合了多功能的外围功能，具有灵活而最优化的硬件结构，简洁而高效的指令体系，充分实现经济性和高速性。

MN101E32D型单片机，内置64KB Flash、4KB RAM，具备6个外部中断、20个内部中断(包括NMI)、9个定时器计数器、3个串行接口、8路A/D转换器、32×4段LCD驱动器、监视定时器、单系统的数据自动传送功能、同步输出功能以及蜂鸣器输出等外围功能。最小指令执行时间可达50ns，封装为64引脚LQFP。本血压计使用MN101EF32D的功能大致如下：

a、10位A/D采样，用于静态压力及脉搏波的测量。

b、LCD显示控制器，直接驱动23*4段的液晶显示器，显示测量的过程及结果。

c、定时器功能，用于定时A/D采样数据并计算自动关机时间。

d、采用数字信号处理的技术对A/D采样的信号进行处理，主要有数字低通滤波和相关的计算。

e、电源开启采用硬件控制的方法，电源关闭采用软件控制的方法，关机时除了稳压模块外，其它芯片处于断电状态，功耗极低。

f、测量时可以选择mmHg和Kpa作为主显示方式，测量精度高，达到静态1mmH

g、动态3mmHg的测量精度。由于采用铁电存储器作为存储媒介，数据的保存时间很长。

MN101EF32D与外部串行铁电存储器的硬件连接

在选择外部存储器时，由于考虑到要长期反复擦除、写入所设置的工作参数和测量到的重要信息，并保存大量的历史数据，因此必须使用容量较大的静态存储器，以便写入尽可能多的数据信息并保证掉电后数据不丢失。由于EEPROM 本身的设计工艺。寿命有限，而且写入的时间较长，因此不适合用于电池供电的系统。血压计需要保存的数据设计依次为收缩压（2个字节）、舒张压（2个字节）、

平均压（2个字节）、脉搏（2个字节）、每次记录的时间（5个字节）等，每次测量需要13字节存储数据。假设每天测量4次，需要13×4＝52字节，血压计能够保存7天的数据则需要364字节，故选用"铁电"的24cL04。当打开血压计使用的时候，单片机在其PA0口模拟出IIC总线的SCL，并输入给外部存储器24cL04的SCL引脚，同时PA1口与24cL04的SDA口进行数据交换，将有用的数据显示在LCD上。

电源处理模块及其相关电路设

本血压计选用2节7号电池作为电源的输入。为了达到较好的供电质量，在此电路中选择了DC/DC升压芯片RN5RK331A，将2节串联的1.5伏7号电池构成的3V左右的电压升到3.3V，供给系统中的模拟电路电源，也作为数字电路的正电源供给MCU（如图3所示）。考虑到气泵、气阀如果与模拟电路、数字电路直接共用一个电源，会引入比较大的干扰，从而影响压力传感器、运放以及MCU 的正常工作，所以设计成气泵、气阀不与其它器件接在一起，直接由电池供电。

另外，血压计的重要采集数据通过运放放大的袖带气压和隔直后的脉搏波，由于它们都是通过微小的信号放大后得到的，所以A/D转换的设计也极为重要。系统采用智能充气测量、自动降压，在降压的过程中进行测量。由于在气阀工作降压的时候，电源受到波动，如果用系统电源直接拿来作为A/D的参考电压基准，必然会给测量带来误差。采用National Semiconductor的LM385作为A/D 转换的电压基准连接到芯片的VREF+引脚，确保采集的数据转换准确。

LCD显示模块的设计

如图4、5所示，为了使用户更为方便、简单地使用本系统，采用LCD显示。

松下的MN101EF32D芯片内置了LCD驱动模块，可以直接驱动LCD。先初始化LCD方式控制寄存器1(LCDMD)，它是8位寄存器，用来指定LCD时钟、LCD显示的ON/OFF、显示占空比等。

系统软件设计

软件的主要流程如下：

上电后，首先完成系统的初始化工作。单片机开始给气泵供电，让袖带迅速充气至被测者收缩压以上约30mmHg左右。之后单片机通过1路A/D开始采集袖带的气压，并根据袖带内气压下降的速度来控制排气阀排气，使袖带内匀速降压（3~5mmHg /s）。与此同时，另外1路A/D开始采集经过隔直的脉搏波。当脉搏波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。

软件主要细分为以下3个重要模块：