電子血壓計設(shè)計

1、電子血壓計設(shè)計學(xué)院: 物理學(xué)院 組員：劉鑫 王展峰 欒義龍 袁穎 指導(dǎo)老師： 李茂奎 2010年6月目 錄第一部分、功能設(shè)計1. 1 電子血壓計的設(shè)計目的-（3）12電子血壓計的主要功能- （3）第二部分、系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計摘要-（3）2.2血壓測量原理-（3）2.3系統(tǒng)原理框圖-（4）2.4方案論證-（4）2.4.1單片機選擇-（5）2.4.2集成運放芯片的選擇-（5）2.4.3傳感器的選擇-（5）2.4.4一級放大電路設(shè)計-（6）2.4.5濾波電路的設(shè)計-（7）2.4.6二級放大電路的設(shè)計-（9）2.4.7顯示模塊-(10)2.5完整電路原理圖-(11)2.6單片機軟件設(shè)計-(11)第三部

2、分、系統(tǒng)測試及結(jié)論3.1波形顯示-(13)3.2結(jié)論-(14)第四部分、小結(jié)與感想-( 14) 第五部分、附錄-(15)附錄一 參考文獻附錄二 元器件明細表附錄三 部分專用程序清單附錄四 組員分工情況和工作情況附錄五 作品實物照片第一部分 功能設(shè)計1. 1 電子血壓計的設(shè)計目的當(dāng)今社會人們迫切希望一套成形的人體生理參數(shù)測量系統(tǒng)。血壓是人體的重要生理參數(shù)，是人們了解人體生理狀況的重要指標(biāo)。測量血壓的儀器稱為血壓計，血壓計分為水銀血壓計、彈簧表式血壓計、電子血壓計三種。其中電子血壓計是一種醫(yī)用范圍十分廣泛的醫(yī)療設(shè)備，它外觀輕巧、攜帶方便、操作簡單、顯示清晰，對提高人們的生活質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。我

3、們想通過此設(shè)計達到一下目的：1.通過設(shè)計加深對AVR單片機的認識、了解及掌握，掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，中斷部分以及數(shù)碼管顯示部分的應(yīng)用，能夠達到熟練使用AVR的程度。2.加深對硬件電路的了解以及掌握，學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計電路，學(xué)會動手焊接電路。3.復(fù)習(xí)C語言的相關(guān)知識。4.鍛煉自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)團隊意識，鍛煉分工合作以及協(xié)調(diào)能力。12電子血壓計的主要功能我們的血壓計基于示波法原理，選用專用傳感器BP300實現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力傳感，使用8位單片機ATmege16對信號進行處理，將收縮壓和舒張壓的值在LED上顯示出來。第二部分 系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計摘要血壓是人體重要的生理參數(shù)，準(zhǔn)確的測

4、量血壓對人體的健康起著十分重要的作用。我們的血壓計基于示波法原理，選用專用傳感器BP300實現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力傳感，使用8位單片機ATmege16對信號進行處理，將收縮壓和舒張壓的值在LED上顯示出來。整套儀器具有使用方便、顯示直觀的特點。關(guān)鍵字： ATmega16 壓力傳感器BP300 LM324 LED顯示 示波法 血壓2.2血壓測量原理臨床上血壓測量技術(shù)一般分為直接法和間接法。前者的優(yōu)點是測量值準(zhǔn)確，并能連續(xù)監(jiān)測，但它必須將導(dǎo)管置入血管內(nèi)，是一種有創(chuàng)測量方法；后者是利用脈管內(nèi)壓力與血液阻斷開通時刻所表現(xiàn)的血流變化間的關(guān)系，從體表測出相應(yīng)的壓力值。間接測量又分為聽診法和示波法。我們的血壓計采用示

5、波法。示波法的測量原理，與柯氏法類似，采用充氣袖套來阻斷上臂動脈血流。由于心搏的血液動力學(xué)作用，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動，即脈搏波。當(dāng)袖套壓力遠高于收縮壓時，脈搏波消失。隨著袖套壓力下降，脈搏開始出現(xiàn)。當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到縮壓時，脈搏波會突然增大。到平均壓時振幅達到最大值。然后又隨袖套壓力下降而衰減，當(dāng)小于舒張壓后，動脈管壁的舒張期已充分?jǐn)U張，管壁剛性增強，而波幅維持比較小的水平。示波法血壓測量就是根脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關(guān)系來估計血壓的。與脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別對應(yīng)脈搏波最大振幅的比例來確定。提取的脈搏波信號如下圖， 收縮壓和舒張壓的獲取原理圖

6、如下 圖1 圖22.3系統(tǒng)原理框圖 我們設(shè)計的電子血壓計主要由壓力傳感器BP300，四運放LM324，濾波器，氣泵，單片機ATmega16和LED顯示器構(gòu)成的。這個設(shè)計的核心部分是專用壓力傳感器BP300，信號處理芯片ATmega16.前者將袖帶內(nèi)的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，后者控制整個電路的工作，利用AVR單片機中的AD轉(zhuǎn)換器對采樣信號進行處理，把最終的結(jié)果通過LED顯示出來。系統(tǒng)設(shè)計框圖如下： 壓力傳感器袖帶放大部分隔直ATmega16固定放氣閥LED顯示低通濾波電路放大電路圖3 整體設(shè)計2.4方案論證2.4.1單片機選擇采用AVRmage16作為泉韻新聲的控制中心。mage16具有豐富的資

7、源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點。2.4.2集成運放芯片的選擇方案一：LM358。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。引腳圖如下： 圖4 LM358 圖5 LM324但是，我們所設(shè)計的放大電路要用到三個運放?？紤]到芯片數(shù)量越多，出現(xiàn)的問題越多，我們沒有選用此芯片。方案二： LM324。LM324是一個含

8、有4個運算放大器的集成芯片，每一個放大器都是差動輸入。工作時，最低電壓是3V,最高可達32V，因為它的電壓范圍比較寬，可以較好的與其他外接電路的電壓進行匹配。引腳圖如圖5。我們最后根據(jù)我們的需要，選擇了此芯片。2.4.3傳感器的選擇方案一：采用電容式壓力傳感器。電容式傳感器具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于網(wǎng)上購買不到，我們從血壓計成品中拆出一個。但由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)手冊，在網(wǎng)上也找不到關(guān)于此傳感器的任何信息。最終，放棄使用此傳感器。方案二： 采用壓力傳感器BP300。它是細微加工硅材料而成的傳感器，也是六腳雙列直插式封裝的傳感器。它是一種比較理想的元件，不需要補償，而且具有低滯后性、高可靠

9、性和穩(wěn)定性。把感應(yīng)到的壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，并且是線性對應(yīng)的。我們采用此傳感器。BP300的主要參數(shù)指標(biāo)為：300mmHg的壓力感受范圍；零漂是+20mv；輸出電壓范圍是100+30mv;供電電壓為5VDC；環(huán)境溫度范圍為-20+100它的外觀及引腳圖如下： 圖6傳感器外觀 圖7傳感器電路原理2.4.4一級放大電路設(shè)計方案一：我們需要提取的信號非常微弱，而傳感器和電路中的器件又常會產(chǎn)生噪聲，為了提高模擬輸入信號的信噪比，增大所需要的信號，可以用放大濾波電路放大輸入信號并衰減噪聲，提取出某些特定頻段的信號。首先，我們自己根據(jù)模電書上的知識，設(shè)計了一個放大濾波電路：AACR4R2R1R3u

10、iu01u02圖8電路的有關(guān)參數(shù)如下：Au=1+R2/R1.R2100R1;R4=30R3;C=0.5uf經(jīng)過實際實驗，我們發(fā)現(xiàn)此電路對我們的信號幾乎沒有作用，我們放棄了此電路。方案二：在我們的測量系統(tǒng)中，被測物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，傳感器所獲得的信號常為差模小信號，并含有較大共模部分，其數(shù)值遠遠大于差模信號。因此要求放大電路具有較強的抑制共模信號的能力。我們采用了儀表放大器中的放大電路，即一個三運放放大電路，電路圖如下:ui1ui2uo1uo2R1R7R2R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3圖9 三運放放大電路電路的有關(guān)參數(shù)如下：IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo

11、1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1)R5 /R3 這種電路的優(yōu)點在于：a,高共模抑制比；b,三運放結(jié)構(gòu)；c,雙端差分輸入，單端輸出；經(jīng)過實驗，雖然遇到了許多問題，但最終都得以解決，得到了我們理想的放大倍數(shù)。2.4.5濾波電路的設(shè)計從傳感器輸出地信號實際是袖內(nèi)壓力信號與脈搏波信號的疊加。實際上，我們需要對這兩種信號進行分離。而且，還要除去信號中的雜波。因此，需要濾波。因為脈搏的的頻率較低，大約在0.130Hz左右，因此了我們制定了四種方案并分別進行了測試，最終選擇了方案D。 方

12、案A：采用無源一階低通濾波器。電路圖如下：圖10 一階低通濾波電路參數(shù)設(shè)置:f0=12RC電路特點在于電路設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，但是阻帶衰減太慢選擇性差.方案B：采用壓控電壓源二階帶通濾波器。電路圖如下：電路的參數(shù)如下：Auf =1+RfReC1=C2R1=R2=RRfR=1我們首次應(yīng)用該方案，基于其可以將低于0.1Hz和高于30Hz頻率波濾掉，進而得到我們想要的波頻范圍，但是得出的結(jié)果并不理想，由于下限頻率很低，設(shè)置為0.4Hz，上限頻率經(jīng)計算可得到為1Hz，通頻帶太窄，波形幅度很小幾乎等同于直線，經(jīng)過多次試驗而不能得到理想的實驗結(jié)果，我們只能放棄方案B。方案C：有低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)組

13、成的帶通濾波器，電路圖如下： 無限增益低通濾波器 無限增益高通濾波器電路特點：將低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)而成的帶通濾波器通頻帶較壓控電壓源二階帶通濾波電路要為理想，但是焊接較為復(fù)雜，且需要兩個運放。方案D：無限增益多路反饋二階低通濾波,電路電路如圖11R1C2R2C1R3uoui-+Rf圖11 無限增益多路反饋二階低通濾波電路電路參數(shù)設(shè)置：Aup=-RfR1R1=R2=RRf=R3C1=0.47uf,C2=0.15uf在此二階電路前，我們串聯(lián)了一個容值為2uf電容使靜壓信號得以濾掉，保證ui輸入為脈搏波信號。計算得電路頻率范圍在10Hz以下，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)電路允許通過的頻率與計算值相符，并且在

14、示波器上顯示的波形非常理想，符合所需要的幅值，故而選擇本方案作為我們的濾波電路.2.4.6二級放大電路的設(shè)計 由于脈搏信號很弱，經(jīng)過一次放大后，還達不到我們的要求，因此，經(jīng)過隔直和濾波后，我們還需要對脈搏信號再次放大。由于脈搏信號只是一個低頻率的交流信號，我們采用了下面一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路，電路如下：+R1Rpuiu0圖12 二級放大電路2.4.7 顯示模塊方案一：LCD顯示。LCD是做顯示器很好的選擇，尤其是要顯示字母等。但價格比較貴。方案二：LED顯示。LED在整個學(xué)習(xí)與設(shè)計過程中是最常見的。因為我們要顯示的內(nèi)容只是數(shù)字，所以選擇價格比較便宜的LED。2.5完整電路原理圖信號調(diào)理電路

15、2.6軟件設(shè)計軟件方面，主要利用AVR單片機ATmega16的AD轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)邊采集數(shù)據(jù)邊儲存有用數(shù)據(jù)，最后利用算法實現(xiàn)信號處理。PA0和PA1口作為模擬信號的輸入端，負責(zé)接收靜壓信號和脈搏信號。在外界袖帶氣壓逐漸下降的過程中，間歇循環(huán)對PA0（靜壓信號轉(zhuǎn)換通道）和PA1（脈搏波信號通道）進行AD轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在AD轉(zhuǎn)換完成中斷中，對脈搏波AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行判斷，若此時所采集的值為脈搏信號的極大值，則存到所定義的結(jié)果體數(shù)組變量中；同時把所對應(yīng)的靜壓信號轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到結(jié)構(gòu)體數(shù)組中。（由于Mega16不能同時對兩路信號進行AD轉(zhuǎn)換，兩路信號不可能完全對應(yīng),這里是出現(xiàn)誤差的主要原

16、因）我們采用的AD轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號是T/C0的比較匹配中斷，由于脈搏信號的頻率大約為1HZ，最高頻率f1約為3HZ,采樣頻率為f1的40倍，所以我們采用的采樣頻率f2為20HZ，f2*13=260HZ,小于50KHZ,所以我們采用62.5KHZ（我們芯片的時鐘頻率為1MHZ，大于且最接近50KHZ的分頻系數(shù)為16分頻，此時的ADC采樣時鐘頻率為62.KHZ）的ADC采樣時鐘頻率。數(shù)據(jù)采集完之后，就要在主函數(shù)中進行數(shù)據(jù)的處理。首先找出最大值，記錄其在結(jié)構(gòu)體中的下標(biāo)為k，在小于k的下標(biāo)中找到第一個脈搏波信號大于最大值的0.7倍的值得下標(biāo)，記為c；在大于k的下標(biāo)中找到第一個脈搏波信號小于最大值的0.8倍

17、的值的下標(biāo)，記為d。然后把c、d對應(yīng)的靜壓值取出來轉(zhuǎn)換成氣壓值，最后通過七段數(shù)碼管循環(huán)顯示出收縮壓與舒張壓。具體流程圖如下：開始參量、函數(shù)的定義及端口的初始化袖帶充氣停止之后，上電，開始放氣，AD轉(zhuǎn)換開始時間已到OR數(shù)據(jù)已足數(shù)據(jù)采集脈搏波是否極大值脈搏波信號及對應(yīng)的靜壓信號的值存入結(jié)構(gòu)體變量中從結(jié)構(gòu)體中找到脈搏波的最大值并記下其值及其下標(biāo)k從結(jié)構(gòu)體中找到脈搏波的最大值并記下其值及其下標(biāo)k在下標(biāo)大于k的脈搏波信號中找到第一個小于最大值的0.8倍的值的下標(biāo)，記為d找出c、d對應(yīng)的靜壓信號的值，將其轉(zhuǎn)換為血壓值，分別對應(yīng)收縮壓與舒張壓通過數(shù)碼管循環(huán)顯示收縮壓與舒張壓結(jié)束否是否是第三部分、系統(tǒng)測試及結(jié)

18、論3.1波形顯示經(jīng)過濾波電路后，我們在示波器上得到了很好的波形。根據(jù)示波器上波形的跳動，可以判斷，得到的脈搏信號的確是一個包絡(luò)線。靜壓信號也是在加壓后線性減小。具體波形顯示，請看鏈接波形顯示.avi（右鍵連接。觀察時注意每次跳動的信號幅值。開始時為加壓時情況，然后信號幅值很小，說明信號很弱，后來，信號增大，并且在一瞬間有一個最大值，接著再次減弱。在一分鐘左右減為零。因為傳感器很敏感，一分鐘后的信號是無用信號，是我們在測量結(jié)束后摘袖帶時引起的變化。）3.2結(jié)論 首先，我們已經(jīng)得到了很好的信號。第四部分、小結(jié)與感想經(jīng)過認一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們從不懂單片機到認識它，應(yīng)用它，從不懂電路到能夠利用它，我們

19、經(jīng)歷了好奇，迷茫，無奈以及取得進步時的喜悅。還有許多的感受，都無法用語言來描述。在這過程中，我們經(jīng)歷了許多的困難。就像我們所有的方案例證，尤其是放大濾波電路部分，都是經(jīng)過我們親身實踐的。所有的電路，我們都是嘗試過的。每一個方案，在焊接的時候，我們都會滿懷希望，可焊接后，得到的結(jié)果通常都會讓我們失望。每一次的失敗都是對我們思路的一次否定，都會增加我們的迷茫和壓力。讓我們感覺寸步難行。但無論感覺怎樣，我們唯一沒有做的就是放棄。我們相信，經(jīng)過不斷地嘗試，終究會有結(jié)果的。從真正開始著手焊接電路到最終完成電路部分的焊接，大約用了兩個月的時間。雖然，最后的成果總結(jié)起來看似很簡單，可只有我們自己知道，兩個月

20、來，我付出了多少。以幾乎沒有自習(xí)的時間換取了最后電路的完成在別人眼里可能是一種時間的浪費，我們也曾這樣想過，可是，想想兩個月來的經(jīng)歷和收獲，我們還是充滿了自豪感。通過此課程設(shè)計，我們認識到了書本知識的重要性，但也認識到了這些知識的局限性。對于具體問題，以書本知識為前提，要根據(jù)實際情況進行改進。書上的理論是正確的，但要應(yīng)用到實際，還要有豐富經(jīng)驗的支持。我們不僅學(xué)習(xí)到了很多實用的知識，而且加強了同學(xué)間的交流，培養(yǎng)了合作精神。在整個課程設(shè)計過程中，我們得到了李茂奎，蘭建勝老師以及黃晨學(xué)長，王新軍的同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，使用了單片機實驗室，單片機虛擬實驗室以及模電實驗的設(shè)備，在此，我們提出感謝，希望老師、

21、同學(xué)以及所有的實驗室能給更多的同學(xué)提供求知的機會。第五部分、附錄附錄一參考文獻1 馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社.3李茂奎、張興成、付運旭等。單片機原理及接口技術(shù)實驗講義.山東：山東大學(xué)出版社4 鵬桂力，劉知貴，鮮華，李婧，王彩峰.基于AVR單片機的血壓、脈搏裝置設(shè)計.計算機工程.2007,1000-3428(2007)12-0247-04.附錄二元器件明細表分類型號數(shù)量電阻不同阻值13電容不同容值8電線一捆集成運放LM3243傳感器BP300T1附錄三部分專用程序清單/*This progra

22、m was produced by theCodeWizardAVR V2.03.4 StandardAutomatic Program Generator?Copyright 1998-2008 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.Project : Version : Date : 2010/6/16Author : Company : Comments: Chip type : ATmega16Program type : ApplicationClock frequency : 1.000000 MHzMemory model : SmallExternal

23、 RAM size : 0Data Stack size : 256*/#include /全局變量flash unsigned char led_710=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;flash unsigned char position3=0x01,0x02,0x04;unsigned char dis_buff3=0,0,0,posit;bit time_ok;struct pressunsigned char max75;/假設(shè)持續(xù)時間10S，采樣頻率0.5次/ms,采出50個數(shù)(不知具體能采出多少個數(shù)）unsig

24、ned char pressure75;pressa;int a=0,m=0;/兩路轉(zhuǎn)換 停止AD轉(zhuǎn)換，停止取樣/氣壓值送緩沖區(qū)函數(shù) /顯示函數(shù)的一部分 /有待于進一步修正void adc_to_disbuffer(unsigned int adc)unsigned char i;for(i=0;i=max_collect0&max_collect1=max_collect2)pressa.maxj=max_collect1;pressa.pressurej+=jingya1; void display(void) /3位LED數(shù)碼管動態(tài)掃描環(huán)境PORTD|=0X07; /PD口位選PORTB=led_7dis_buffposit; /PC口段選PORTD&=positionposit;if(+posit=3) posit=0;/數(shù)據(jù)處理/主函數(shù)void main(void)/ Declare your local variables hereunsigned char b,c,d;int bloodpressure2=0,0;unsigned char max;unsigned char k;DDRA=0X00;PORTA=0X00;DDRD=0x07;PO