電子血壓的設(shè)計(jì)、完整論文及詳細(xì)電路

1、 電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作摘要：血壓指標(biāo)是一個(gè)具有重要生理意義的臨床檢測(cè)指標(biāo)，傳統(tǒng)設(shè)備笨拙，測(cè)試條件要求相對(duì)嚴(yán)格，測(cè)量的專業(yè)性強(qiáng)，不利于病人對(duì)自己的血壓進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)。單片機(jī)的廣泛應(yīng)用為血壓測(cè)量提供了新的方案，本設(shè)計(jì)就是由傳感器，調(diào)理電路、單片機(jī)等所共同構(gòu)成的方便實(shí)用的血壓測(cè)量裝置設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵字：血壓、單片機(jī)、調(diào)理電路 第1章 緒論1.1 課題研究背景 隨著生活水平的提高，人們對(duì)健康的關(guān)注程度也越來越高，生活觀念也同步發(fā)生了很多轉(zhuǎn)變，現(xiàn)階段，相當(dāng)一部分家庭收入都用于健康保健方面的投資，伴隨生活結(jié)構(gòu)及方式的不斷變化，醫(yī)療器械及醫(yī)療電子類測(cè)量設(shè)備的使用也將越來越普遍，隨之而來的將會(huì)是醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模

2、的迅猛增長(zhǎng)。血壓是人類健康的一個(gè)重要的生理指標(biāo)，正常的血壓是保證身體健康的一個(gè)重要條件，及時(shí)掌握個(gè)人血壓的變化情況，了解血壓的測(cè)量結(jié)果對(duì)因血壓引起的各類疾病的防治、診斷及治療都具有重要的臨床意義。1.2 研究課題的提出本文研究的綜合血壓檢測(cè)系統(tǒng)基于電子血壓計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。血壓檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前是一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域。其中最典型的研究就是電子血壓計(jì)。縱觀國(guó)內(nèi)外電子血壓計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子血壓計(jì)性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比尚有差距，其根本原因在于產(chǎn)品質(zhì)量不高，缺乏統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也參差不齊，彼此差異較大，缺乏可比性。中國(guó)有13億人口，31萬個(gè)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)，醫(yī)療器械有廣闊的

3、市場(chǎng)。中國(guó)是全球醫(yī)療器械十大新興市場(chǎng)之一，己成為除日本以外亞洲最大的市場(chǎng)。隨著醫(yī)學(xué)知識(shí)的普及和自我保健意識(shí)的提高，人們開始重視對(duì)自身血壓的日常監(jiān)測(cè)，中國(guó)目前血壓計(jì)潛在需求總量在30003500萬臺(tái)左右，消費(fèi)市場(chǎng)主要集中在城市，而且基本上是一線大型城市。目前主要大城市電子血壓計(jì)配置相對(duì)較高，中小城市配置率低，農(nóng)村基本是沒有開發(fā)的市場(chǎng)。結(jié)合中國(guó)目前的電子血壓計(jì)發(fā)展?fàn)顩r及潛在的市場(chǎng)前景，開展對(duì)血壓檢測(cè)產(chǎn)品的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義?；谏厦娴姆治?，針對(duì)目前市場(chǎng)上電子血壓計(jì)存在的一些共性問題，本文提出了一種綜合性的血壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)致力于研究及設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越，便于攜帶，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，

4、既適合家庭用又適合醫(yī)院用。第2章 血壓測(cè)量原理及方法2.1 血壓測(cè)量原理血液在血管內(nèi)流動(dòng)和水在平整光滑的河道內(nèi)流動(dòng)一樣，通常是沒有聲音的，但當(dāng)水通過狹窄的管道形成渦流時(shí)，則可發(fā)出聲音，測(cè)量人體血壓的血壓計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。心臟時(shí)刻都在對(duì)血液施加壓力，血液不斷地在血管里面流動(dòng)，當(dāng)進(jìn)行血壓測(cè)量時(shí)，通過氣泵對(duì)袖帶進(jìn)行充氣，當(dāng)袖帶達(dá)到一定壓力的時(shí)候就會(huì)阻斷血液的流動(dòng)，當(dāng)血流完全阻斷時(shí)，通過氣閥進(jìn)行放氣，血液的流動(dòng)就會(huì)發(fā)出聲音及產(chǎn)生振動(dòng)波形，血壓的測(cè)量就是根據(jù)血流聲音及振動(dòng)波形的變化進(jìn)行判定的。2.2 血壓測(cè)量方法血壓測(cè)量的起源追溯到18世紀(jì)，牧師Stephen Hales將一個(gè)充滿水的玻璃管插到

5、動(dòng)物的動(dòng)脈管里，根據(jù)最終水柱保持的高度來測(cè)得動(dòng)物的血壓值。該牧師被稱為血壓測(cè)量第一人。此舉對(duì)血壓測(cè)量的發(fā)展具有非常重要的意義，為后期血壓測(cè)量奠定了醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)，直至20世紀(jì)初期血壓測(cè)量被引入到臨床應(yīng)用。目前市場(chǎng)上主流血壓檢測(cè)設(shè)備主要采用柯氏音法及示波法這兩種方式進(jìn)行測(cè)量，這也是兩種最方便，最適合于普通用戶的測(cè)量方式，下面分別對(duì)這兩種測(cè)量方式的測(cè)量原理及方法予以介紹。2.2.1柯氏音法柯氏音法由俄國(guó)醫(yī)生Korotkov在1905年提出，迄今在臨床上仍是一種較為普遍的測(cè)量方法，柯氏音測(cè)量法又可分為人工柯氏音法和電子柯氏音法兩種。目前應(yīng)用最好的人工柯氏音測(cè)量方法就是水銀式血壓計(jì)，它有一個(gè)充氣袖帶，用聽診

6、器聽柯氏音的方法進(jìn)行測(cè)壓，水銀柱的高度指示的是氣袖內(nèi)的壓力，氣袖壓能傳遞到動(dòng)脈壁，給氣袖加壓直到能使動(dòng)脈壁閉合，然后將氣袖逐步降壓，當(dāng)氣袖壓剛好等于收縮壓時(shí)，血管被沖開，聽診器能聽到柯氏音，此時(shí)的氣袖壓就是收縮壓，氣袖壓繼續(xù)下降，直到剛好低于舒張壓時(shí)柯氏音消失，這樣也就測(cè)得了舒張壓。目前，在血壓測(cè)量的智能化方面提出了一些新的設(shè)想，技術(shù)原理仍是基于電子柯氏音測(cè)量原理發(fā)展起來的，將醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)可的柯氏音法血壓測(cè)量原理、人體仿真?zhèn)鞲袦y(cè)量技術(shù)、信息識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成的電腦智能仿真耳柯氏音法，使電腦可以模仿人耳進(jìn)行偵聽柯氏音并記錄和智能判斷，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)得被測(cè)者袖帶內(nèi)的壓

7、力，將此壓力信息不失真?zhèn)鬏斀o計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這樣就可以同樣準(zhǔn)確地得到收縮壓和舒張壓的值，達(dá)到與傳統(tǒng)的“汞血壓計(jì)”相同的測(cè)量效果。2.2.2 示波法示波法，又稱為振動(dòng)法或測(cè)振法。這是當(dāng)前電子血壓測(cè)量設(shè)備普遍采用的一種間接式測(cè)量方法，示波法測(cè)量的原理就是建立起血壓與袖帶壓力之間的一種函數(shù)關(guān)系來對(duì)血壓值進(jìn)行判斷。經(jīng)相關(guān)研究表明脈搏波與血壓之間有一種較為穩(wěn)定的關(guān)系，該方法具有操作簡(jiǎn)單，抗噪聲干擾能力強(qiáng)，無需拾音器件。采用示波法比聽音法準(zhǔn)確度更高。2.3 收縮壓與舒張壓的判定示波法是目前電子血壓檢測(cè)設(shè)備普遍采用的一種測(cè)量方法，而示波法從測(cè)量原理上又可以分為波形特征法和幅度系數(shù)法兩大類。在醫(yī)學(xué)上，示波法起

8、初用于測(cè)量平均壓，而臨床上通常用收縮壓和舒張壓兩個(gè)參數(shù)來反映血壓情況，因此，采用示波法對(duì)收縮壓及舒張壓進(jìn)行研究也得到進(jìn)一步探索。目前，示波法測(cè)量血壓尚無統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，不同的檢測(cè)設(shè)備采用的判定標(biāo)準(zhǔn)及算法均有所不同，但示波法是目前各類血壓檢測(cè)設(shè)備很受歡迎的一類檢測(cè)方法。2.4 系統(tǒng)的性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)2.4.1.技術(shù)參數(shù)（1）量程：本系統(tǒng)血壓計(jì)量程為300mmHg。（2）分辨率：顯示分辨率為1mmHg。（3）可重復(fù)性：在靜態(tài)連續(xù)低壓狀態(tài)下測(cè)量，在刻度范圍內(nèi)每一點(diǎn)重復(fù)測(cè)量的讀數(shù)之間，相差應(yīng)不大于0.533kPa（4mmHg）.所有讀數(shù)應(yīng)符合壓力傳感器準(zhǔn)確性中的要求。（4）充氣源：充氣源應(yīng)能在10s

9、內(nèi)提供足夠的空氣使得200cm3（12立方英寸）的容器內(nèi)的壓力達(dá)到40kPa（300mmHg）。（5）氣閥袖帶放氣率：當(dāng)氣閥處于壓力自控位置（使用配套的袖帶）時(shí)，從33.33 kPa（250mmHg）降到6.67kPa（50mmHg）的降壓速度應(yīng)不低于0.267kPa/s（2mmHg/s）。（6）沖氣囊：袖帶氣囊的長(zhǎng)度大約為袖帶覆蓋肢體周長(zhǎng)的0.8倍，修改氣囊的寬度最好是長(zhǎng)度的一半。氣囊及整個(gè)管路應(yīng)能承受袖帶預(yù)期使用的最大壓力。（7）袖帶：尺寸，袖帶氣囊的長(zhǎng)度大約為袖帶預(yù)期使用范圍的正中線位置所丈量的肢體周長(zhǎng)的0.8倍，袖帶氣囊的寬度最好是長(zhǎng)度的一半。耐壓力，袖帶、一體化氣囊以及整個(gè)管路應(yīng)能承

10、受的內(nèi)部壓力等于袖帶所預(yù)期使用的最大壓力。2.4.2 安全指標(biāo)（1）最大袖帶壓：公用、家用及其他無人監(jiān)管下使用的設(shè)備，應(yīng)提供一種限制壓力的措施確保袖帶壓不超過40kPa（300mmHg）。設(shè)備應(yīng)保證袖帶壓處在2kPa（15mmHg）以上的時(shí)間不超過3分鐘。對(duì)于可用于新生兒模式的血壓測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)提供一種限制壓力的措施以保證袖帶壓決不會(huì)超過20kPa（150mmHg）。另外，設(shè)備應(yīng)保證袖帶壓處在0.67kPa（5mmHg）以上的時(shí)間不超過90秒。（2）泄氣：設(shè)備應(yīng)提供一種簡(jiǎn)單易懂且清楚標(biāo)識(shí)的措施允許使用者給袖帶放氣。在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從34.67kPa（260mmHg）降到2k

11、Pa（15mmHg）的時(shí)間不應(yīng)超購(gòu)10秒。對(duì)于可用于新生兒模式的血壓測(cè)量系統(tǒng)，在充氣系統(tǒng)閥門全開快速放氣的情況下，壓力從20kPa（150mmHg）降到0.67kPa（5mmHg）的時(shí)間不應(yīng)超過5秒。（3）電氣安全性：設(shè)備應(yīng)滿足GB9706.1-2007中規(guī)定的要求。（4）電磁兼容性：設(shè)備應(yīng)滿足YY0505-2005中規(guī)定的要求。第3章 具體設(shè)計(jì)過程 本設(shè)計(jì)以壓力傳感器、單片機(jī)、液晶顯示器等元器件為主體，通過外圍電路的連接，設(shè)計(jì)構(gòu)成便攜式數(shù)字血壓計(jì)。其必須滿足能夠測(cè)量出人體的血壓信號(hào)，能夠進(jìn)行收縮壓和舒張壓的判別以及進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，能夠在液晶顯示器上顯示出所測(cè)得的收縮壓與舒張壓的值。設(shè)計(jì)的總體

12、框圖如下所示：3.1 硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1傳感器簡(jiǎn)介 氣壓傳感器采用US9116-00，如圖3.1.1。該型傳感器是一款專為電子醫(yī)療器械（電子血壓計(jì)）開發(fā)的氣體壓力傳感器，標(biāo)稱壓力為5.8PSI(300mmHg)，采用標(biāo)準(zhǔn)的小型DIP-6塑膠封裝，代替NAIS ADP4系列、Honeywell HPX系列壓力傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有低廉的價(jià)格，替換性好等特點(diǎn)，主要適用于腕式臂式電子血壓計(jì)、醫(yī)療按摩器等需要控制氣體壓力的設(shè)備和器械中 。圖 3.1.13.1.2 前置放大電路設(shè)計(jì) 前置放大電路如圖3.1.2所示。設(shè)計(jì)采用AD620芯片，為電路提供約55倍的放

13、大。 設(shè)計(jì)的電路圖如下所示：圖 3.1.23.1.3 濾波電路設(shè)計(jì) 微弱脈搏波信號(hào)BP (一般0.1-30Hz左右)疊加在袖帶壓力信號(hào)CP(<0.04Hz)上。如何提取出比較純 凈的脈搏波信號(hào)是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。思路是首先進(jìn)行低頻濾波，濾除直流袖帶壓力信號(hào)，再對(duì)高頻的脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大。但由于脈搏波信號(hào)非常微弱，應(yīng)盡量減少濾波放大環(huán)節(jié)，從而減少干擾引入的機(jī)會(huì)。因此本設(shè)計(jì)采用一個(gè)截止頻率38hz的高通濾波器和一個(gè)截止頻率0.6hz的低通濾波器組成一個(gè)帶通濾波器來對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波，電路圖如下所示：仿真結(jié)果如下所示：由仿真結(jié)果圖可知，帶通濾波器的幅頻特性滿足要求。另外為了使輸出效果明顯，

14、在濾波之后又加了一個(gè)二級(jí)放大電路，電路和前置放大電路類似。3.1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換與單片機(jī)接口電路模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用ADC0832芯片實(shí)現(xiàn)功能，ADC0832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。本文設(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)只要兩路模擬通道IN-0 和IN-1，所以此處選用0832即可，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以

15、輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。單片機(jī)對(duì)ADC0832 的控制原理：正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。具體仿真電路如下：仿真結(jié)果如圖所示：當(dāng)輸入兩路電壓時(shí)，通過單片機(jī)相應(yīng)的程序控制，最后就會(huì)在液晶顯示器上顯示出相應(yīng)的電壓值。3.2 軟件設(shè)計(jì) 程序流程圖如下所示：主程序依此調(diào)用5個(gè)模塊： (1)處理模塊 判斷鍵盤的當(dāng)前狀態(tài)（是否開/關(guān)電源），執(zhí)行相應(yīng)的操作。(2)測(cè)量模塊 測(cè)量信號(hào)為二路，壓力傳感器的信號(hào)經(jīng)放大送AD1，作為靜態(tài)

16、血壓信號(hào)；隔直后經(jīng)再次放大送AD2，作為脈搏波信號(hào)。由于傳感器的AD為10位，因此最高精度可達(dá)1/1024。采樣后的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊的處理，最終計(jì)算得到收縮壓。舒張壓和心率。(3)信號(hào)處理模塊 主要功能是脈搏波的判斷和檢測(cè)，主要分為兩步：第一步，對(duì)A/D采樣的脈搏波信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號(hào)讀數(shù)的誤差；第二步，采用相關(guān)運(yùn)算，最大程度的排除因手臂的運(yùn)動(dòng)造成的誤差。在這基礎(chǔ)上，分析信號(hào)，得到波形的峰值供判斷收縮壓，舒張壓和平均壓），得到每個(gè)脈搏波的時(shí)間。 (4)顯示模塊 主要顯示3種信息：測(cè)量過程顯示當(dāng)前壓力值、漏氣速率；測(cè)量結(jié)束后分別以mmHgH和Kpa方式滾動(dòng)顯示收縮壓、

17、舒張壓及心率；校準(zhǔn)狀態(tài)下顯示當(dāng)前壓力值、漏氣速率。(5)串行通信模塊采用PC機(jī)主叫的中斷方式，一旦接到PC機(jī)發(fā)來的命令，對(duì)血壓進(jìn)行初始值的設(shè)定，主要包括起始加壓值，每次的壓力遞增值和最高壓力限制。3.3 脈搏波的計(jì)算 脈搏波的判斷和檢測(cè)，采用相關(guān)運(yùn)算，最大程度的排除因手臂的運(yùn)動(dòng)造成的誤差。在這基礎(chǔ)上，分析信號(hào)，得到波形的峰值（供判斷收縮壓，舒張壓和平均壓），脈搏波判斷模塊流程圖如圖：第4章 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論系統(tǒng)測(cè)試部分主要分為前置放大電路的測(cè)試、帶通濾波的測(cè)試、AD轉(zhuǎn)換部分的測(cè)試及總體測(cè)試。4.1 前置放大電路測(cè)試 用示波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行顯示，如圖所示：根據(jù)波形圖計(jì)算出實(shí)際放大倍數(shù)： A=3.7

18、2V/70mV=53.1和理論放大倍數(shù)相差無幾。4.2 帶通濾波電路的測(cè)試脈搏波信號(hào)的頻率范圍為0.639Hz。設(shè)計(jì)截止頻率為39Hz的低通濾波器和截止頻率為0.6Hz的高通濾波器，來提取脈搏波信號(hào)。帶通濾波器在濾波的同時(shí)提供4倍的放大。測(cè)試過程如下所示：（1）（2）（3） 由上面的三組圖可知，輸入信號(hào)的幅值選擇為1V，頻率分別為0.5Hz、20Hz和40Hz，由示波器顯示結(jié)果可知當(dāng)頻率為0.5和40時(shí)，幅值出現(xiàn)衰減，20時(shí)幅值正常，從而得出結(jié)論，本次帶通濾波器的設(shè)計(jì)滿足要求。4.3 放大濾波整體測(cè)試由上面的設(shè)計(jì)可知，整體放大倍數(shù)為200左右，測(cè)試效果如下所示：由輸入輸出的波形幅值可知，放大倍

19、數(shù)為200左右 ，滿足要求。4.4 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換模塊選用ADC0832芯片，與單片機(jī)相連，在LCD上顯示數(shù)值結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如下所示：如上圖所示，當(dāng)用電源提供一個(gè)2.1V的電壓時(shí)，最后在顯示屏顯示的數(shù)值為2.156V，雖然有些偏差，但基本滿足設(shè)計(jì)需要。4.5 脈搏波的測(cè)試效果經(jīng)過前面的放大和濾波，最后用該電路裝置檢測(cè)人體的脈搏波，其波形圖如下所示： 這是在20S的時(shí)間內(nèi)測(cè)試的一段波形，根據(jù)人體在一分鐘內(nèi)正常的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，這個(gè)波形符合實(shí)際情況。為了使結(jié)果更具有說服了，我們記錄了加壓和放氣時(shí)波形的整個(gè)過程，其中的幾個(gè)波形如下所示：開始時(shí)為加壓時(shí)情況，然后信號(hào)幅值很小，說明信號(hào)很弱，后來

20、信號(hào)增大，并且在一瞬間有一個(gè)最大值，接著再次減弱，在一分鐘左右減為零。第五章 總結(jié)與展望本文在基于對(duì)市場(chǎng)上存在的血壓檢測(cè)設(shè)備的調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上提出了血壓檢測(cè)系統(tǒng)新的設(shè)計(jì)方案，在己有的設(shè)備基礎(chǔ)上做了很大的改進(jìn)工作，其功能及性能都有了很大提高，實(shí)用性更強(qiáng)，隨著電子技術(shù)、集成電路、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的不斷發(fā)展，本文提出一些新的改進(jìn)設(shè)想，主要包括以下幾方面:1. 考慮增加心電檢測(cè)功能，這也是人體生理的一個(gè)重要指標(biāo)，可以在檢測(cè)血壓的過程中同步檢測(cè)。2. 引入藍(lán)牙技術(shù)，通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，這樣患者在診斷的過程中即可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)主機(jī)進(jìn)行處理。3. 引入GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)