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1、基于AT89S51单片机的电子血压计设计摘 要电子血压计具有易携带、精度高、智能化等特点，随着现代电子技术的发展，电子血压计呈现出家用化的趋势。然而传统单片机的电路设计复杂、稳定性不好、测量精度不高，因此本设计首先从血压测量方法切入设计出电路系统，然后以AT89S51单片机为控制核心，外围硬件电路由气体压力传感器US9111、串行A/D转换芯片ADC0832、LCD驱动芯片和其他模拟电路组成，同时采用KeiluVision2进行C语言编程来使硬件满足一个简易血压计的功能。本文所设计的血压计稳定性高，测量速度快，测量精度高，测试结果基本与水银血压计一致。另外，本系统的设计能满足人体健康测量需要，
2、对提高日常生活质量有很多好处，具有很高的市场价值。 关键词:单片机 血压计 传感器 精度The Design of Electronic Sphygmomanometer Based on AT89S51 MCUAbstractThe electronic blood pressure monitor is easy to be carried, high accuracy, intelligent features .With the development of modern electronic technology, electronic blood pressure monitor
3、shows the trend of the household. The circuit of the traditional microcontrollers design process is complex, and the stability is not good, as well as that the measurement accuracy is not high. Therefore, to sum up, the method of how to design the circuit system is the blood pressure measurement bri
4、efly, and then around the AT89S51 microcontroller development platform, composed of the peripheral hardware circuit by the gas pressure sensor US9111, the serial A/D conversion chip ADC0832, the LCD driver chip and other analog circuits under the preparation of KeiluVision2 the C programming languag
5、e. This sphygmomanometer designed perfect stability, excellent speed, high accuracy, and above all, the test results are basically consistent with the mercury sphygmomanometer. In addition, the design of this system meets the needs of the human health measurement. Moreover, there are many benefits t
6、o improve the quality of daily life, and of course it has a very high market value.Key Words: MCU; sphygmomanometer; sensor; accuracy;目 录1. 绪 论11.1 课题背景与现实意义11.2 血压计发展现状21.3 本文的研究内容32. 设计要求及方案论证42.1 血压测量原理42.2 设计要求52.3 设计方案52.4 器件介绍62.4.1 AT89S51单片机简介62.4.2 模数转换器ADC0832简介72.4.3 压力传感器（US9111-006-D）简介
7、92.4.4 运算放大器OP07和AD620简介103. 硬件电路设计113.1 数据处理模块113.2 模数转换模块123.3 1602点阵液晶显示123.4 气体压力传感器电路模块143.5 血压信号二次放大电路153.6 滤波电路153.7 气泵和气阀驱动电路174. 软件设计184.1 数据处理模块184.2 A/D转换模块194.3 液晶显示模块205. 系统性能测试23结 语24参考文献25附 录26附1 实物图26附2 部分程序代码27致 谢32IV1. 绪 论1.1 课题背景与现实意义伴随着单片机的不断升级，许多智能型电器设计都加入了单片机，单片机也成为许多产品不可或缺的一部分
8、，因此，现在的电子产品的开发单片机为核心。电子血压计就是电子产品中一个典型例子，目前，电子血压计在日常生活中得到越来越广泛的使用，它操作简单，使用者能迅速掌握其操作要点， 使用方便，冬天无 需使用者脱衣，并且测量时间段，极大的提高了工作效率。而且可 自动加压，排气，直接显示测量值，不要操作者熟练程度，听觉和环境等人为因素的干扰。在医疗保健中准确地提供血压信息是十分重要的，而现代人患血管疾病呈现低龄化趋势，如果经常测量自己的血压，就可以做到对自己的健康情况心里有数，早期发现问题，得到及时的治疗效果。单片机是电子血压开发的平台，它具有体积小、功耗低、功能强、稳定、可靠、使用灵活、性能、价格比高等显
9、著特点。中国从80年代起开始了单片机的热潮，三十多年过去了，单片机成为智能电器的一个不可缺少的部件，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。如电机控制，UPS控制、信号处理等；内容较多、功能复杂的系统多采用嵌入式操作系统，单片机在各个领域都得到了广泛而又充分的应用，较微处理器更具个性的发展趋势
10、，得到了广大用户的认可1。单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。它主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司，该公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
11、单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用Windows和Linux操作系统。而51单片机是初学者基础入门的一种单片机，现在使用的型号主要有ATMEL公司89C51、8
12、9C52、89C2051；INTEL公司的80C31、80C51、87C51和其它如Philips、华邦等公司的许多产品。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的1。总之，单片机开创了现代电子系统时代，成为主流电子系统。它带动了整个电子产业的发展，造就新一代电子精英，单片机将带你进入智能化电子领域和计算机工程控制领域，该设计对自己从事相关领域具有重要意义。1.2 血压计发展现状电子血压计从使用原理上为两类：一是听诊法（又称柯氏音法）电子血压计，目前只有极少数；二是示波法（又称
13、振荡法）电子血压计，是目前的主流血压计。电子血压计有臂式、腕式之分，其技术经历了最原始的第一代、第二代（臂式使用）、第三代（腕式使用）的发展，具体介绍如下所示2。第一代电子血压计（G1-NIBPM）使用MWD技术（减压时测量）。电路内部有快速加压气阀、电子快速排气阀、机械式定速排气阀和气压压力传感器等主要器件。第一代电子血压计有三个显著特征：一是使用了两个排气阀：电子快速排气阀和机械式定速排气阀；二是初始加压压力大多设定在200mmHg，强调加压速度要快，910秒内达到300mmHg等；三是加压刚停止时，放气速度超过7mmHg/s，23秒内后才能大致稳定为27mmHg/s。当快速加压到某一压力
14、时，通过一个机械式定速排气阀按27mmHg/s的速度放气，并在此放气过程中进行血压测量。第一代电子血压计在原理上存在缺陷，由于机械式定速排气阀的不稳定性，客观上提高血压初始压力。用户使用时，手臂有明显压迫感，同时由于机械式定速排气阀不稳定性，测量结果有时也会不稳定。当然，目前大部分国产血压计，初始压力大多设在190200mmHg，一定程度上可以克服加压速度造成测量不稳定问题。第二代电子血压计（G2-NIBPM）和第一代一样使用MWD技术（减压时测量）。使用的主要元器件有加压气泵、电子控制排气阀和气体压力传感器。与第一代电子血压计相比，第二代电子血压计只使用一个排气阀：电子控制排气阀，同时用于定
15、速排气及测量结束时的快速排气。当然第二代还有其他优点，如在加压过程中对血压进行一定程度的粗测量，用于决定加压压力，且在放气开始就稳定在34mmHg/s。这一代电子血压计解决了上一代存在的原理性缺陷，真正做到了定速排气，测量结果也相当稳定。第三代电子血压计（G3-NIBPM）与前两代不同，它采用MWI技术（加压时测量）。它有伺服加压气泵、电子控制排气阀和气压压力传感器等主要元器件组成。第三代在前两代的基础上增加了新功能，就是使用伺服加压气泵控制加压速度，在加压过程中测量血压。电子血压计经历了三代的发展，目前国内一些制造商，其技术水平都处于第一代，而且所有的方案提供商手上也只有这一代的技术方案；先
16、进的电子血压计技术都掌握在国外，这些公司主要有：欧姆龙、松下、爱安德、优胜医学和金亿帝。1.3 本文的研究内容本课题的内容就是要用AT89S51单片机为核心器件，通过C语言编程实现一个简单实用的电子血压计。首先根据电子血压计的具体性能与要求将其分为A/D转换、数据处理和数据显示三大模块，采用C语言对各个模块进行编程处理，然后运用Keil uvision 2软件进行软件仿真测试，最后通过ISP在线烧写器下载到实物电子血压计上进行调试，实现血压测量功能。本课题的主要工作首先是熟悉单片机和软件的使用；再是查阅资料进行方案设计；最后完成硬件电路设计和软件编写。本课题各章内容安排如下所示。第一章为基于A
17、T89S51单片机的电子血压计设计课题的概述。第二章阐述设计要求、方案论证及主要元器件功能介绍。第三章为硬件电路设计。第四章为软件设计。第五章为系统性能测试。2. 设计要求及方案论证2.1 血压测量原理血压的概念是指血管内的血液作用于血管管壁所产生的侧压力，也即血管侧面单位面积所承受的压力，通常以毫米水银柱(mmHg)为单位，1mmHg相当于133Pa或0.133kPa。它是人体健康的一项重要指标，在医学检测中精确测量血压是十分有必要的。一般医院通常所使用的是水银血压计，它是基于柯氏法，医生使用专业医用听诊器听到动脉血管产生的不同声音来判断收缩和舒张压。但这种方法存在一些不可避免的缺点：一是确
18、定舒张压比较困难；二是使用时仅凭人的视觉和听觉，带有个人主观因素。虽然以前出现过各种基于柯氏法电子血压计，但是还是不能克服其自身的缺点。目前，医学上大多数电子血压计都采用示波法，示波法电子血压计是目前的主流血压计3。示波法的测量过程与柯氏法类似，仍采用充气袖套来阻断上臂动脉血流。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失。随着袖套压力下降，脉搏波开始出现。当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大。到平均压时达到最大值。然后又随袖套压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间关系来估计血压。与
19、脉搏波最大值对应的是平均值，收缩压和舒张压分别用对应脉搏波最大振幅的比例来确定。收缩压的确定采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um（平均压）之比刚刚大于Ks（Ks为经验参数）时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。舒张压的确也是用最大振幅法来判定的，不过是在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um（平均压）之比刚刚小于Kd（Kd为经验参数）时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。图2.1 袖带压力、脉搏波形袖带气压和脉搏波经信号处理模块的处理后，得出如图2.1数据。图中的下方为被测者的脉搏波，上方为血压计升压和降压过程
20、中的袖带压力。在此基础上分析信号，提供收缩压、舒张压和平均压的计算。2.2 设计要求本设计以AT89S51单片机为控制核心，功能是实现人体血压的精确测量，并且采用了合适的人机接口，基本功能框图如图2.2所示。设计的基本功能要求如下所示。（1）血压测量：测量方式为上臂式。（2）液晶显示：选择1602点阵液晶显示屏显示人体血压信息。（3）按键控制：按键主要由开始键和复位键两个按键组成。开始键控制测量开始。复位键使显示数据复位，为再次测量血压作准备。电子血压计血压测量液晶显示按键图2.2 电子血压计基本功能框图上述是电子血压计的基本组成和功能，是一个简易实用的电子血压计。市场上的血压计除了具备基本功
21、能外，还可能具有其他附加功能，如温度测量和时钟功能等。2.3 设计方案由于现代化的电子血压计功能不断增加，在给我们提供各种服务功能的同时，也使用愈加繁琐，对此，我们可以根据自己的需求设计简易电子血压计。本次设计以AT89S51单片机为控制核心，并结合C语言编程来设计电子血压计。整个系统分为硬件和软件两个部分，硬件部分主要由单片机最小系统，压力传感器，放大电路，A/D转换和显示部分组成。软件部分主要由数据处理模块，A/D转换模块和显示模块组成。系统中人体上臂血压经过压力传感器，产生含有脉搏波的袖带压力信号。袖带的压力为直流电压信号，脉搏波为频率小于2Hz的低频电压信号。含有脉搏波的袖带压力信号经
22、过一次放大后，袖带压力信号传送至ADC0832通道0进行模数转换，采集袖带气压进行。为了得到脉搏波信号，必须滤除传感器产生的直流分量。然后再对脉搏波信号进行二次放大滤波，最后接到ADC0832通道1进行模数转换。经A/D转换后通过显示电路进行输出显示。该血压计能正确的测量和显示人体血压，血压数据能正确显示。电子血压计总体设计框图如图2.3所示。图2.3 电子血压计总体设计框图2.4 器件介绍2.4.1 AT89S51单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易
23、失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S51成为许多嵌入式控制应用系统的控制核心。AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，因此取代89CXX系列的下载方式，正因为这样，ATMEL公司已经停产了89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。所以综合考虑采用ATMEL公司的AT89S51芯片4。图2.4.1为AT89S51单片机系统结构框图，由图可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件所示。图2.4.1 AT89S51单片机系统结构框图 8位CPU。
24、片内带震荡器，震荡频率f范围为1.212MHz：可有时钟输出。 128个字节片内数据存储器。 4K字节片内程序存储器。 程序存储器，寻址范围为64K字节。 片外数据存储器，寻址范围为64K字节。 4个8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。 2个16位定时器/计数器。 中断系统有5个中断源。2.4.2 模数转换器ADC0832简介ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种具有8 位分辨率、双通道的A/D转换芯片，如图2.4.2所示。由于它体积小，兼容性强，性价比高深受单片机爱好者及企业的好评，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我
25、们单片机开发和应用技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点5。 8位分辨率。 双通道A/D转换。 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。 5V电源供电时输入电压在05V之间。 工作频率为250KHZ，转换时间为32S。 一般功耗仅为15mW。 8P、14P-DIP（双列直插）、PICC多种封装。 商用级芯片温宽为0到+70，工业级芯片温宽为-40到+85。图2.4.2 模数转换器ADC0832芯片接口说明如下所示。 CS片选使能，低电平芯片使能。 CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND芯片参考0电位（地）。 DI数据信号输入，选择
26、通道控制。 DO数据信号输出，转换数据输出。 CLK芯片时钟输入。 Vcc/ref电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，适用于一般模拟量转换。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，具有双数据输出，因此可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片始能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择5。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但是由于DO端与DI端在通信时并
27、未同时有效与单片机的接口实现数据传输，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能6，其功能项见表2.4.1和表2.4.2。表2.4.1 单端输入模式MUX Address
28、Channel#SGL/DIFODD/SIGN0110+11+表2.4.2 差分输入模式MUX AddressChannel#SGL/DIFODD/SIGN0100+-01-+如表2.4.1和表2.4.2所示，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入6。到第3脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数
29、据输出DO进行转换数据的读取。从第4脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了7。作为单通道模拟信号输入时，ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换
30、的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H7。2.4.3 压力传感器（US9111-006-D）简介本设计选用型号为US9111-006-D作为压力传感器。其中006表示量程为5.8PSI（磅/平方英寸），D表示DIP Top tube封装为DIP（双列直插）与一般的DIP封装不同，两列之间的距离比DIP大2.54mm，使用时需要自画封装。下面介绍传感器US111-006-D性能参数如下所示。 压力范围：05.8PSIG，15PSIG，100PSIG。 过载能力：2X（200%）。 测量介质：无腐蚀、非导电气体。 工作方
31、式：表压。 工作电压：5VDC或1.5mA。 工作温度范围：-40125。图2.4.3 US111-006-D内部结构引脚说明：US111-006-D内部结构如图2.4.3所示，其工作原理与电阻桥相同。图中1和6脚接地，3脚接激励源，5脚接正电压输出，2脚为负电压输出。激励源选用恒压5V10V供电。设计中选用DC5V电压。此型号产品稳定性强，一致性好，价格便宜，主要应用于电子血压计，呼吸机，麻醉机，医疗仪器，家用吸尘器，消费性电子，胎压计，轮胎压力检测系统等领域。2.4.4 运算放大器OP07和AD620简介OP07芯片是一种低噪声，长期稳定的双极性运算放大器集成电路，其引脚图如图2.4.4所
32、示。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07芯片性能参数如下所示。 超低偏移：150V最大。 低输入偏置电流：1.8nA。 低失调电压漂移：0.5V/。 超稳定，时间：2V/month最大。 高电源电压范围：3V至22V。 图2.4.4 运算放大器OP07 图2.4.5 运算放大器AD620AD620是一款低成本
33、、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，引脚图如图2.4.5所示，增益范围为1至10000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低，因而非常适合电池供电及便携式应用。AD620具有高精度、失调电压低和失调漂移低等特性，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外，AD620还具有噪声低、功耗低和输入偏置电流低等特性，使之非常适用于ECG和无创血压监测仪等医疗应用。3. 硬件电路设计在第二章已经阐述了本设计由A/D转换模块、数据处理模块和显示模块三部分组成，并且介绍一些主要元器件的性能及功能。本章除具体介绍三大模块外，还要介绍其它外围小模块
34、，如气体压力传感器电路、滤波电路、气泵和气阀驱动电路等。3.1 数据处理模块数据处理模块采用AT89S51单片机工作的最小系统，如图3.1所示。单片机晶振选用12MHZ。将P0口作为普通I/O口使用时必须加上拉电阻，阻值为4.7K。单片机是测量和控制的核心，在本设计中单片机主要有以下作用。（1）接收按键控制并做出处理。（2）读取模数转换的血压信息。（3）处理分析血压数据得出收缩压和舒张压及脉搏信息。（4）控制显示人体的血压和脉搏信息。图3.1 单片机最小系统复位方式采用上电复位。复位按键电路简单，在电子设计电路中广泛使用。Key1键为开始键，控制气泵充气，完成一次血压测量。Key2为复位键，当
35、一次测量结束液晶显示测量结果后，按下Key2键显示结果清零，为第二次测量作准备。Key1和Key2直接接到单片机的外部中断，可以在中断时扫描按键以提高CPU的工作效率。存储扩展在一些系统中是不可缺少的的基本组成部分。根据不同的需求选取不同容量的存储芯片。24CXX系列IIC接口EEPROM得到使用广泛。有1K、2K、4K、8K、16K、32K、64K、128K、256K bit容量可供用户选择。该类存储芯片电路简单可靠、只占用两条I/O口线。在本设计中主要用来存储模数转换的血压直流分量和脉搏波交流分量，提供单片机进行数据处理分析。24C256中WP为读写屏蔽引脚，WP为高电平时只读操作，当低电
36、平时可读可写。由于IIC总线为开漏时输出，就是集电极开路，需要上拉电阻构成回路8。所以SDA、SCL上拉4.7K电阻。3.2 模数转换模块模数转换模块选用8位逐次逼近式A/D转换器ADC0832，如图3.2所示。由于信号采集包括脉搏信号和袖带压力信号。其中袖带压力信号为直流电压信号，脉搏波信号为小于2Hz的交流信号。在不增加器件的情况下，A/D通道至少为两个。器件ADC0832具有两个通道，模数转换周期是32us，与数据采集速度和通道数量相适应。另外，ADC0832价格低廉，节省了系统制作成本。图3.2 模数转换电路3.3 1602点阵液晶显示在日常生活中，显示器件通常采用液晶显示。液晶显示模
37、块已作为很多电子产品的不可或缺的模块，如在电子表、计算器、万用表以及其他很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要以数字、专用符号和图形为主。在单片机的人机交流过程中，一般输出方式有以下几种：发光管、LED数码管和液晶显示屏。在单片机系统中作为输出器件，液晶显示器主要有以下几个优点9。（1）数字式接口特点液晶显示器都是数字式的，与单片机系统的接口简单可靠，操作方便。（2）功耗低的特点与其它显示器件相比较，1602点正液晶显示屏的功耗主要消耗在驱动IC上和其内部的电极，所以功耗要比其它显示器少很多。（3）体积小、重量轻的特点液晶显示屏的原理是通过显示屏上的电极来控制液晶分子的状态来达到显示的功能，
38、在重量上比等面积的传统显示器要轻得多。（4）显示质量高的特点液晶显示器每一个点在收到信号后就会保持那种色彩和亮度，恒定发光，并不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新。因此，液晶显示器画质高并且比较稳定。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样不仅可以显示数字还可以显示出图形。液晶显示器具有很多优点，例如：厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示等。目前它已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域9。一个字符在LCD屏上显示出来的过程比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，不但找到和显示屏幕上某几个
39、位置对应的显示RAM区的8字节，而且要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。内带字符发生器的控制器与其相比较，显示字符就比较简单了，可以让控制器以文本的方式工作，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可9。图3.3.1 1206点阵液晶显示屏外观字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图3.3.1。160
40、2LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中无差别，1602LCD主要技术参数如下所示。 显示容量:162个字符。 芯片工作电压:4.55.5V。 工作电流:2.0mA(5.0V)。 模块最佳工作电压:5.0V。 字符尺寸:2.954.35(WH)mm。显示部分采用1602点阵液晶显示，图3.3.2中R17用于液晶对比度的调节。1602液晶用于显示采集到的血压值。界面设计是软件设计重要部分。界面具有美观性和实用性。图3.3.2 液晶显示电路3.4 气体压力传感器电路模块本设计选取型号US9111-006-D作为气体压力传感器。内部
41、原理与普通电阻电桥相同，可以将5V的直流电压源作为激励源，也可以选用1.5mA的恒流源作为激励源。本设计对激励源的精度要求比较高，激励源将直接影响传感器测量的精度。设计时可以选用比较精确的电压基准源或恒流源来提高测量的准确性。气体压力传感器在没有加压的室温条件下（5VDC），输出不为零。在本系统中输出为11mv左右。所以在两个输出端加入10K的电位器进行调零。如图3.4.1所示R5接到US9111的2、5引脚，电位器引脚接地。在没有气泵工作的情况下，调整电位器R5使AD620输出为0，这样就完成了传感器调零工作。图3.4.1 传感器电路型号AD620是仪表放大器，又称测量仪用放大器，是一类重要
42、的集成运算放大器，广泛应用于信号调理器、精密测量、工业现场数据采集和预处理等领域。下图3.4.2为AD620是仪表放大器内部结构图，信号由前两个运放同相端输入，输入阻抗非常大。电路高度对称的差动结构的共模抑制比CMRR很高，有利于抑制共模信号干扰。电路通过Rx调节增益，非常方便。一次信号放大采用低价格，高精度仪器用AD620。电路简单如图3.4.1所示，只需要外加一个电阻就可以放大1到10000倍。C5、C6、C7为电源旁路电容，一般选用0.1uF、10uF、1uF作为电源旁路电容，滤除电源高频干扰。R4、R6为增益调节部分，可以调节R4来作精确地调节增益。图3.4.2 AD620内部电路增益
43、计算公式采用下式（1）计算（Rx=R4+R6）所示。 （1）3.5 血压信号二次放大电路血压信号经过一次放大，提取出的脉搏信号依然很小。需要进一步进行放大处理，电路如图3.5所示。信号放大采用AD620仪表运放。C8、C9为电源旁路电容，滤除电源高频干扰。凡是使用有缘器件的地方在贴近电源端，需要加一个或几个旁路电容。图3.5 二次放大电路R7对运放增益进行调节。AD620的5脚为电压基准，为了使信号电平总体上移1V。电压基准接到-1V电平。这样信号电平总体上移，便于AD0832进行模数转换（因为AD0832转换范围为0-5V，不能对负载电压进行转换）。调节R8可以改变基准电压的值。R10、R1
44、1分别为100欧姆的保护电阻。3.6 滤波电路从压力传感器出来的信号是脉搏信号和静压信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。静压信号属低频信号,频率小于或等于0.4Hz，脉搏信号频率一般约为1Hz。因此需要提取的信号非常微弱，而传感器和电路中的器件又常会产生噪声，为了提高模拟输入信号的信噪比，增大所需要的信号，可以用放大滤波电路放大输入信号并衰减噪声，提取出某些特定频段的信号。0.8Hz二阶高通巴特沃思滤波电路由OP07构成，滤掉信号中的直流成分，电源、皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰，得到脉搏图 3.6.1 0.8Hz二阶高通巴特沃思滤波电路 信号，电路如图3.6.1所
45、示，内部运放接成跟随器方式，放大倍数为1，高通滤波器的传递函数如公式（2）所示1011。 （2）取二阶巴特沃思网络函数的系数为a11=1.414，截止角频率c=0.82，取电容值C10=C11=0.1F。如公式（3）和（4）可以计算得到R12和R13。 （3） （4）在一次滤波电路的后面是血压信号二次放大电路，虽然已经过一次滤波滤除掉许多脉搏干扰信号，但是还有高频干扰，在这里运用器件OP07构成38Hz二阶低通巴特沃思滤波电路，如图3.6.2所示1213。图3.6.2 38Hz二阶低通巴特沃思电路二阶巴特沃思二阶低通滤波，内部运放接成射极跟随器的形式以提高电路的稳定性，放大倍数为1，低通滤波器
46、的传递函数如公式（5）所示。 （5）取二阶巴特沃兹网络函数系数a11=1.414，截止角频率c=382，取电容值 C12=C13=0.1F。可以由公式（6）和（7）计算得到R14和R15。 （6） （7）3.7 气泵和气阀驱动电路微型气泵和电磁阀的控制电路基本相同，如图3.7所示。微型气泵和电磁阀门的工作电流较大，微型气泵的额定电流最大为300mA，电磁阀门的额定电流为75mA。为了与单片机实现隔离，在控制端使用普通光耦PS2501进行隔离。当单片机引脚输出低电平时，内部发光二极管导通使相对的三极管导通接地。其中R24和R25分别为限流电阻。当光耦的三极管导通时，TIP42C的基极接地电平，T
47、IP42C导通。电路接通微型气泵和电磁阀开始工作。R20和R28分别为限流电阻。当安装使用时，微型气泵和电磁阀通过J2和J3连接到电路中。图3.7 气泵和气阀驱动电路本章从硬件方面对电子血压计在各个功能模块进行说明介绍，下一章将在硬件基础上进行软件编写，主要是针对各个模块进行软件编程，仿真检查模块功能。4. 软件设计软件的主要流程如下所示：电源上电以后，首先完成系统的初始化工作。单片机开始给气泵供电，让袖带迅速充气至约200mmHg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开始采集经过隔直流的脉搏波。当脉搏波的振幅达到最大时，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