基于51单片机的便携家庭血压仪

刘创　周培义　张鹏鹏　周旭欣

摘 要：现代社会的迅速发展、环境的日益恶化、不健康的生活习性与不科学的饮食习惯，导致人类疾病越来越多的出现。其中，有着人类第一隐形杀手称号的高血压，已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名，长期危害着人体健康。本文采用示波法血压测试原理，设计带体温显示的电子血压计，使在家庭中能方便有效地监测血压、体温等数据，预防因高血压产生的突发性脑溢血或心功能衰竭等疾病。这种便携式家庭血压计是以AT89C51为主控芯片，用US9116压力传感器检测人体的血压信号以及采用DS18B20温度传感器检测体温，并将结果在MD-1602液晶显示器上进行显示。

关键词：AT89C51；US9116压力传感器；MD-1602液显

1 引言

高血压是世界最常见的心血管疾病。在今年5月17日“世界高血压日”前夕，世界高血压联盟主席、中国医学科学院阜外医院刘力生教授在媒体沟通会上说，我国高血压患者人数已突破3.3亿，每3名成人中有1人患高血压，且出现年轻化趋势。与高血压相关的脑卒中已成为中国人口第一位死亡原因。电子血压计越来越多地成为家庭自测血压的主要工具。本文以AT89S51单片机为控制核心，设计带体温测量的适合家庭保健用的智能型血压计。

2 便携式血压计工作原理

血压指动脉血管壁上的压力，由于一般情况下无法直接测量血压，所以通过测量气袖中的压力可间接得到血压值。本设计中的血压测量原理采用示波法。如图2-1所示，血压直流分量为气袖中的压力；而血压交流分量则是振幅变化的脉搏波。当对袖带加压会阻断动脉的脉搏搏动，在图2-1上表现为当气袖压力大于180时，血压交流分量上无脉搏波；在气袖减压过程中，血压交流分量上逐渐出现脉搏波，且其包络线的幅值越来越大，当其达到最大值Amax时，它所对应的气袖的压力（也就是图中的血压直流分量）即为动脉的平均压，随后包络线的幅值越来越小。当血压交流分量的包络线处于上升阶段时，会有一个拐点（即图中0.5Amax处。0.5为该拐点的拐点系数，用As表示），该拐点所对应的气袖压力即为动脉的收缩压Ps；当血压交流分量的包络线处于下降阶段时，会出现另一个拐点（即图中0.8Amax处。0.8为该拐点的拐点系数，用Ad表示），该拐点所对应的气袖压力即为动脉的舒张压Pd。本文中As和Ad分别取0.5和0.8是依据于文献[1]。

3 便携式血压计硬件设计

如图3-1所示，带体温测量的便携式电子血压计由控芯片89C52、血压测量模块、温度检测模块、液晶显示模块以及电源模块构成。

3.1 主控模块

如图3-2所示，家用便携式带体温测量的电子血压计的主控芯片采用的是89C52，它的P1口作为A/D转换的数据线，P0.1～P0.4作为A/D转换的控制线；P0.0作为模拟多路开关的通道选择口；P3.7接受体温的串行数字信号；P2作为液晶显示的数据线；P0.5～P0.7作为液晶的控制线。

3.2 血压测量模块

血压测量模块又分为三个部分：恒流源、压力传感器及信号处理电路和A/D转换。

3.2.1 恒流源与压力传感器电路

如图3-3所示，元器件R1、R2、R3和 U1B构成恒流源，给压力传感器US9116提供一个电流恒定的电源。图3-4是传感器US9116的内部结构图，它由4个精密电阻构成了一个桥式电路，恒流源从1脚流入，3、4脚流出，压力的变化会导致电阻发生微小变化，向外表现为2、5脚之间的电压差。已知US9116传感器自身电阻为3.3k，要为它提供1mA～2mA恒流源才能正常工作。图3-3所示，US9116传感器跨接在运放U1B的输出端和反向输入端，相当于U1B的反馈电阻，流经它的电流等于流经R3上的电流。调节电位器R2，使运放U1B的正向输入端的电压为0.24V，根据欧姆定律可得：

取R3为200Ω。

3.2.2 差模放大电路设计

如图3-4所示，压力传感器US9116将感受到的压力信号转换成幅值为几百微伏电压信号1和电压信号2，然后通过差模放大电路进行放大。如图3-5所示，仪用放大器AD620组成的差模放大器放大倍数取100倍。根据公式（1.2）：

其中RG为跨接于AD6201脚和8脚之间的反馈电阻，G为放大倍数，图3-5中，RG=R4，计算得出R4为470Ω。

AD620输出的信号分别进行两种处理：一种直接放大后得到血压直流分量；另一种是经经过滤波放大电路提取脉搏波。

3.2.3 脉搏波信号提取电路设计

由于气袖压力的交流信号（即脉搏波信号）夹杂在直流信号中，为了提取出其中的脉搏波信号，将图3-5中经过差模放大后的信号通过如图3-6所示电容值为2uf 的C3隔值作用后滤去直流分量。由于脉搏波信号为低于10Hz的低频信号，所以设定滤波电路截止频率为10Hz。根据公式[3]（1.3）：

取R7、R8、R9、R10为16K，C4、C5为1uF。低通滤波电路输出的滤波后信号再经过放大和半波整流得到血压交流分量（即脉搏波信号）。

3.2.4 模拟多路开关电路

信号经过以上电路得到血压交流分量和血压直流分量，由于本系统采用的A/D转换器AD574只有一个信号通道，因此本文选用CD4051模拟多路开关将这两路信号分时送入AD574中进行模数转换。电路如图3-7所示。

4 便携式血压计软件设计

如图4-1所示，在软件设计上，采用模块式设计，整个软件分为三大模块：血压测量模块，体温测量模块和显示与键盘模块。在主程序中，先调用显示与键盘程序，若扫描到血压键按下，则调用血压测量模块；若扫描体温键按下，则调用体温测量模块。下面主要讨论血压测量模块。

图4-2为血压测量模块程序流程图。在血压测量模块中首先对模块进行初始化，再启动气泵并判断气袖压力是否到达设定压力；到达设定压力后关闭气泵气袖开始缓慢放气。这时启动A/D转化判断是否达到结束条件，符合结束条件则关闭A/D；单片机开始对才样数据进行处理，得出收缩压、舒张压和心率结果并调用显示模块在液晶显示屏上显示出结果。[4]

5 对比实验

表5-1所示为分别采用本系统和市场上型号为YE620A的鱼跃牌电子血压计测量的数据。在这次对比实验中，邀请了2位受试者，分别用上述两种仪器测量了三次。从实验结果可以看出本系统与鱼跃YE620A电子血压计之间的平均误差在5%以内，这个误差在可接收范围内。

[参考文献]

[1]包旭鹤.便携式电子血压计设计.现代电子技术[J].2007，8（247）.PP： 7-11.

[2]康光华.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2008.

[3]李刚，张旭.生物医学电子学[M].北京：电子工业出版社.2006.

[4]张有德，赵志英，涂时亮.单片机微型机（第五版）[M].北京：电子工业出版社.2008.