1、電子血壓測量計設計摘要：隨著生活水平的提高，人們越來越觀注自己的身體健康，血壓是身體健康與否的一個重要指標。據2001年全國普查顯示，我國平均每三個家庭就有一個高血壓患者；慢性低血壓的發病率為4%左右，其在老年人群中可高達10%。因此，研制既適合家庭保健人員又適合專業人士智能型血壓計具有重要的意義。本文研究的動態血壓檢側儀屬于微機檢側與控制領域，因為在國民經濟的各個部門都己滲透微機檢測與控制系統。國防技術、航天、航空、鐵路、冶金、化工等產業自是不必說，就連日常生活中也用上了微機測控技術，如電梯、微波爐、電冰箱等。因此，通過對它的研究將對自己以后從事機電一體化產品的開發具有重要的意義。本文利用微

2、弱信號的檢測技術設計出動態血壓測量計。該血壓測量計可以進行簡單的血壓測量。本文以目前較為流行的PIC單片機PIC16F874為血壓測量計的核心，利用Motorola公司的壓力傳感器將血液對血管壁的壓力轉換為電信號，并送入單片機中集成的A/D轉換模塊將血壓信號轉換為數字信號后進行顯示、存儲、傳輸等處理。關鍵詞：血壓；單片機；傳感器；LEDBased on monolithic integrated circuitsblood pressuresurvey meter designAbstract:With the improvement of living standard，people mor

3、e and more concern their health. Blood pressure is an important symbol whether health or not.It is significant to design intelligent sphygmomanometer which applied to both family member and doctor.In this paper, the ambulatory blood pressure detection of computer-detection and control of the area, b

4、ecause in the various sectors of the national economy has infiltrated computer detection and control system. National defense technology, aerospace, aviation, railways, metallurgy, chemical industry naturally Needless to say, even in daily life also use the computer monitoring and control technologi

5、es, such as elevators, microwave ovens, refrigerators and so on. Therefore, it will own after the study in mechatronics product development is of great significance.A blood presser dynamic testing system will be worked out in this article, which use testing technique of delicated signal.The sphygmom

6、anometer can be used simple blood pressure measure.This article use PIC singlechip “PIC16F874” as thesphygmomanometers kernel,which is prevalent at present.Pressure which blood oppress vein is translated to electricsignal.Through PIC16F874s A/D translation model it is betransformed digital signal.Th

7、en the singlechip processes thesedigital signal such as display, saving, transmitting.Keywords:Blood pressure；singlechip；sensor；LED第1章緒論1.1課題研究的意義和總體目標課題研究的意義本文研究的動態血壓檢側儀屬于微機檢側與控制領域，通過對它的研究將對自己以后從事機電一體化產品的開發具有重要的意義。因為在國民經濟的各個部門都己滲透微機檢測與控制系統。國防技術、航天、航空、鐵路、冶金、化工等產業自是不必說，就連日常生活中也用上了微機測控技術，如電梯、微波爐、電冰箱等。

8、由于單片機具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低可靠性高、價格便宜、實用靈活、開發周期短、適合國情等諸多優點，因此，在工業控制系統、數據采集系統、自動測試系統、智能儀器儀表、遙感遙測、通訊設備、機器人、高檔家電中隨處可見其身影。而這些智能器件可以運用到以下領域：(1)、消費者服務領域，它主要應用到家庭器具和娛樂器件；(2)、汽車領域，每輛汽車都將近有50個單片機，它們提供智能化控制，例如報警系統、ABS和安全氣囊；(3)、在辦公自動化領域，主要包括PC機、鍵盤、復印機和打印機；(4)、無線電通信領域，包括便攜式電話、尋呼機和電話應答機；五是在所有的工業應用領域，例如旅館房間的門鎖、自動化

9、水龍頭和工業控制。作為自動化專業的學生，掌握單片機基本知識，學會其運用，并為以后在此基礎上結合相關領域設計智能化產品和提高某些產品性能具有重要的實踐意義。本論文也具有比較重要的現實意義。目前，市場上的使用的血壓計大部分仍是水銀血壓計，也有一些動態血壓記錄儀。水銀血壓計每次測量必須由醫生戴上聽診器進行測量，測量過程復雜，只能是每個醫生一次對一個人進行測量;而且對不同的醫生，測量結果可能不同:對同一個人來說，影響血壓因素非常多，由于每次測量的時間不可能很長，測得結果在某些情況就不能真實的反映被測對象的血壓值。將脈動波的記錄引入動態血壓技術，提供24小時內的每次血壓測量結果，而且能再現每次測量過程中

10、的波形。在動態血壓檢測中干擾和偽差是不可避免的。目前市場上的大部分動態血壓記錄儀，只記錄每次測量的結果，醫生面對的是一批真偽難辯的數字。本課題研究最終旨在設計出全信息的動態血壓記錄儀，使每次測量結果完全透明，實時分析結合回顧分析，使醫生可以對照原始波形判斷數據的真偽，有效甄別出干擾和偽差引起的誤檢測，恢復真實血壓，保證血壓報告的有效性和可靠性。課題研究的總體目標本文研究的內容就是動態血壓信號的數據采集系統的硬件設計。根據總體項目的要求，提出多種設計方案，選擇最合適的方案進行硬件設計，以滿足血壓信號的數據處理系統的要求。硬件電路就滿足項目的如下指標。測量范圍：收縮壓：40270 mmHg舒張壓：

11、20200 mmHg平均壓：30220 mmHg測級精度：3 mmHg或4%二者取最大。測量方式：簡單測量，不借助于PC機就能進行血壓值的測量。能提供數據給PC機用于血壓值的實時測量和血壓波形的實時顯示和記錄。過壓保護：成人：315330 mmHg起動過壓保護兒童：235250 mmHg起動過壓保護測量時間：在無干擾的情況下，測量時間通常為30秒，也右可以進行長時間連續測量。1.2 單片機應用的可靠性技術發展在單片機應用中，可靠性是首要因素為了擴大單片機的應用范圍和領域，提高單片機自身的可靠性是一種有效方法。近年來，單片機的生產廠家在單片機設計上采用了各種提高可靠性的新技術，這些新技術表現在如

12、下幾點：(l)、EFT(Electrical FastTransient)技術EFT技術是一種抗干擾技術，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時，就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統的時鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機工作的可靠性。(2)、低噪聲布線技術及驅動技術很多單片機都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統的嗓聲。現在為了適應各種應用的需要，很多單片機的輸出能

13、力都有了很大提高，Motorola公司的單片機I/O口的灌拉電流可達8mA以上，而Microchip公司的單片機可達25mA。這些電流較大的驅動電路集成到芯片內部在工作時帶來了各種噪聲，為了減少這種影響，現在單片機采用多個小管子并聯等效一個大管子的方法，并在每個小管子的輸出端串上不同等效阻值的電阻，以降低di/dt，這也就一是所謂“跳變沿軟化技術”，從而消除大電流瞬變時產生的噪聲。1.3單片機的發展趨勢單片機在目前的形勢下，表現出幾大趨勢：(1)、可靠性及應用越來越水平高和互聯網連接已是一種明顯的走向。(2)、所集成的部件越來越多；Ns(美國國家半導體)公司的單片機已把語音、圖象部件也集成到單

14、片機中，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了。如果從功能上講它可以講是萬用機，原因是其內部已集成上各種應用電路。(3)、功耗越來越低，以及和模擬電路結合越來越多。隨著半導體工藝技術的發展及系統設計水平的提高，單片機還會不斷產生新的變化和進步，最終人們可能發現:單片機與微機系統之間的距離越來越小，甚至難以辨認。第2章 設計的總體思路和基本方法2.1系統硬件的總體設計在這里介紹一下有關血壓的基本知識，血壓是血液在血管內流動時對血管壁的側壓力。血壓分收縮壓和舒張壓。當心室收縮向動脈泵血時，血壓升高，其最高值為收縮壓。心室舒張時，血壓降低，其最低值為舒張壓。血壓通常以上肢肪動脈

15、測得的血壓為代表，正常成年人上膠動脈的收縮壓為90140毫米汞柱，舒張壓為6090毫米汞柱。血壓過低或過高都是疾病的征象。血液在動脈血管中的壓力隨著心臟的收縮、舒張而不斷變化，而人的心臟的收縮頻率即心率比較低，一般在30300bpm，由此血壓脈動鑲號是相對而言還是屬于一種緩慢變化的信號，我的設計是采用外接式的結構，以PIC16F874單片機為核心，由其內部自帶的10位8通道A/D轉換模塊構成的采樣模塊，該模塊的采樣數據由單片機串口經電平轉換后送到上位機的串口COMI或COMZ，形成種連續數據采集串行數據傳輸的方式。硬件設計如圖2-1所示。圖2-1 硬件設計圖參數設計：(1)、采樣頻率圖中A0A

16、7為傳感器采集來的血壓信號經過調理后的0-5v的標準信號。由于人的心率一般在30300bpm范圍內，因而血壓信號的有效頻率范圍較小。根據采樣定理，(采樣頻率只要能大于信號頻率的2倍理論上采樣后的數據就能還原原始信號)，并參考其它血壓計和心電啟示錄儀的采樣頻率，本文選取每個通道的采樣頻率為250Hz對血壓信號進行采樣，能足夠滿足數據的處理需要。為充分利用硬件潛力，根據需要可以通過鍵盤或PC機來設置采樣速率。(2)、分辨率PIC16F874單片機A/D轉換位數為10位，則分辨率為1/210或約為滿刻度的0.1%。由采樣位數為10位，即需2個字節來存儲，1秒鐘就采樣500個字節。由于設計要求的采樣精

17、度為3%，所以可以去掉結果的低兩位，即用一個字節來存儲采樣結果。采用這種方式系統的精度將降低，省略掉的兩位最大占滿刻度的3/1024，對系統的測量結果影響較小。(3)、數據傳輸率為減小系統的功耗和增加數據傳輸的可靠性，數據傳輸速率將根據采樣的通道數目進行設定。若只對一個通道進行采樣，則每秒鐘將產生250個字節的數據，選擇串行傳送的波特率為9600bps，則大約1 ms就能傳送一個字節，ls可以傳送大約1K個字節，所以可以滿足要求。(4)、硬件工作流程圖由于采樣的頻率較低，硬件設計就采用每采集一次血壓信號就將結果通過串行端口傳送給上位機，便于連上位機(PC機)對數據進行實時處理。否否開電源由鍵盤

18、輸入設置參數啟動A/D轉換轉換結束否？傳輸數據顯示結果需結束否？結束圖2-2 硬件工作流程圖硬件工作流程圖如圖2-2所示。電源開啟過后，若有必要修改系統的默認參數，將由鍵盤輸入或PC機對其進行設置。經過了這個階段以后，系統將對某些參數和硬件內部的一些寄存器進行初始化工作。初始化完成之后，將啟動A/D轉換，等待直至A/D轉換結束。然后將A/D轉換結果送入上位機。待采樣的時間達1秒鐘后將分析數據結果，求出最大值和最小值，經過一些處理后即為收縮壓和舒張壓。將它們送往LED數碼管進行顯示。2.2 微弱信號的檢測方法提高信號檢測靈敏度或降低可檢測下限的基本方法有兩類。一是傳感器及放大器入手，從降低它們的

19、固有噪聲水平，或研制新的低噪聲傳感器。另一是分析測員中的噪聲規律和信號規律，通過各種手段從噪聲中提取信號。微弱信號檢測是利用后一種途徑。但應注意，從噪聲中提取信息，首先需在盡量降低噪聲的基礎上進行。微弱信號的檢測方法隨信號類型不同而不同，目前常用的和比較成功的方法有以下幾種。(1)、信號的窄帶化及相干檢測技術單頻余弦(或正弦)信號，或頻帶很窄的正、余弦信號，由于信號頻率固定，我們以通過限制測量系統帶寬的方法，把大量帶寬外的噪聲排除。這種技術稱為窄化技術。如果信號具有相干性，而噪聲具有無相干性，則可利用相干檢測技術，把相位不同于信號的噪聲部分排除，即可把與信號頻率相同，但相位不同的噪聲大量排除。

20、 20世紀50年代后發展的鎖相放大器，是以相敏檢波(PSD)為基礎的，是目前電頻域信號相干檢測的王要儀器。其基本原理是利用PSD既作變頻，以作相干降噪，再用直流放大器作積分、濾波，最后作信號幅度測量。它比選頻放大的測量靈敏度高可提高34個數量級。(2)、時域信號的平均處理信號若是脈沖波序列，則信號有很寬的頻域，因此相干檢測常無用武之地。這時，可根據噪聲是隨機的，多次測量的平均可排除噪聲的影響，接近信號真實值的特性來進行測量。這種逐點多次采測，求平均的方法，稱為平均處理。積累平均器(Boxcar)是電信號時域處理的主要設備。20世紀50年代提出設想，1962年得以實現。目前用于頻率較高的時域信號

21、。對頻率低的重復信號，其時間效率較低。計算機發展后，出現數字平均器，它適用于較低的頻率范圍。由于兩者有許多相同部件，目前已生產合二為一的產品。(3)、離散量的計數統計有些信號，可看成是一些極窄的脈沖信號，人們關心的是單位時間到達的脈沖數，而不是脈沖的形狀。這些脈沖的計數統計方法，要選擇或設計傳感器，能使信號有盡量相近的窄脈沖幅度輸出，要利用幅度甄別器，大量排除噪聲計數，要利用信號的統計規律，來決定測盤參數的作數據修正。目前比較成熟的離散量測量儀器是光子計數器。(4)、并行檢測有些事件只發生一次，如單次閃光光譜，或者希望在測量的范圍內用掃描方式同時獲得結果，這就需要并行檢測方法。并行檢測需要用傳

22、感器陣列，而每個傳感器必須有存儲效應，使數據能依次讀出。傳統的光并行檢測，是用感光乳膠，主要適用于光圖像，其靈敏度較低，后處理繁重、困難。目前出現攝像管、二極管列陣、CCD列陣等光電多元傳感器，可結合多路傳輸、多道技術，獲取模擬電信號，或轉變成數字信息，從而實現快速并行檢測。若再利用計算機作非線性變換，加、減、直方圖等多種處理，就形成了圖像數字處理技術(圖像識別、圖像增強等)。并行快速實現快速分析，因此在熒光動力學、等離子體分析、爆炸研究、低能電子衍射、大氣現象研究、質譜等許多領域都是有用的。實現并行檢測的基本條件，是要有多道傳感器和信息的快速存取。目前并行，在光學和核物理方面應用比較成功。(

23、5)、自透應噪聲抵消這是自適應信號處理的一種形式，它利用一個與原始輸入相關的噪聲來抵消原始輸入中的噪聲，從而獲得幾乎未產生畸變的有用信號，提高系統的信噪比。自適應噪聲抵消系統需要一個附加的參考輸入。這種方法在地球生理、生物醫學、通信和測量設備中均有很大的應用價值。(6)、計算機數字處理隨著計算機的發展，原來一些需要硬件完成的任務，可用軟件來實現，我們可利用曲線擬合(平滑)、逐點平均、數字濾波、快速付立葉變換(FFT)及取最大熵估計等眾多的數字信號處理方法，對含有噪聲的信號進行處理，從而提高信噪比。對血壓信號，我們采用了先進的Motorola專用的壓力傳感器和放大器，其輸出己被調理為0-5V電壓

24、信號。此信號經過采集硬件后送入到計算機進行數字處理，能達到很高的處理精度。2.3 采集系統基本組成采集系統包括硬件和軟件兩大部分。如圖2-3所示為硬件的基本組成示意圖。下面簡單介紹一下數據采集系統的各個組成部分。傳感器的作用是把非電的物理量轉變成模擬電量。通常把傳感器輸出到A/D轉換器輸入的這一段信號通道稱為模擬通道。圖2-3 采集系統硬件基本組成示意圖放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，例如常用的熱電偶輸出變化，往往在幾毫伏到幾十毫伏之間；電阻應變片愉出電壓變化只有幾個毫伏：人體生物電信號僅是微伏量級。因此，需要加以放大，以滿足大多數A/D轉換器的滿量程輸入510V的要求

25、。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到組抗變換器的作用來緩沖輸入信號。傳感器和電路中的器件常會產生噪聲，人為的發射源也可以通過各種鍋合渠道使信號通道感染上噪聲。這種噪聲可以用濾波器來衰減，以提高模擬輸入信號的信噪比。在數據采集系統中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關后面的單元電路實現。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，因此，在多路開關后的單元電路，如采樣/保持電路、A/D及處理器電路等，只需一套即可，這樣節省成本和體積。模擬開關之后是模擬通道的轉換部分，它包括采樣/保持和A/D轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾

26、取模擬多路開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度，如果把采樣/保持電路放在模擬多路開關之前(每通道一個)，還可實現對瞬時信號進行同時采樣。采樣/保持器輸出的信號送至模數轉換器，模數轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統對分辨力，精度、轉換速率及成本的要求也不同，所以A/D轉換器的種類較多。A/D轉換的結果要送給計算機。有的則采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。2.4 采樣方式的選擇模擬信號首先經過一個預采樣濾波器進行初步處理，主要是為滿足采樣定理的要求而濾除高頻干擾，然后由采樣器

27、按照預定的時間間隔對模擬信號離散化，從而把連續的模擬信號轉化成離散的脈沖子樣，再由模數轉換器(ADC)把離散子樣進行量化編碼，使之變成數字信號送到處理器進行數字處理。數字處理一般由數字計算機來完成。均勻采樣定理：一個在頻譜中不包含大于頻率fm的分量的有限頻帶信號，由對該信號以不大于1/2fm的時間間隔進行采樣的采樣值唯一地確定。當這樣的采樣信號通過其截止頻率Wc滿足條件的理想低通濾波器后，可以將原信號完全重建。采樣定理為我們確定采樣頻率提供了理論依據，但在具體實現由連續信號到離散信號的轉換時，又涉及采樣方式問題。設計采樣方式總的原則是：以保證采集精度為前提，以被測信號的具體特性為依據，盡量以較

28、低的速率實現采樣，從而減少數據量，降低對傳輸、變換系統的要求，提高數據處理的效率。圖2-4是采樣方式分類圖：圖2-4 采樣方式分類圖基本采樣方式可分為兩大類：實時采樣(Read-Time Sampling)和等效時間采樣(Equivalent- Time sampling)。對于實時采樣，當數字化一開始，信號波形的第一個采樣點就被采樣并數字化，然后，經過采樣間隔，再采入第二個子樣，這樣一直將整個信號波形數字化后存入存儲器。實時采樣的優點在于信號波形一到就采入，因此適應于任何形式的信號波形，重復的或不重復的，單次的或連續的。又由于采樣點是以時間為順序，因而易于實現波形顯示功能。等效時間采樣技術可

29、以實現很高的數字化轉換速率，但這種采樣方式的應用前提是信號波形可以重復產生的。由于波形可以重復取得，故采樣可以用較慢的速度進行。采樣的樣本可以是時序的(步進、步退、差額)，也可以是隨機的。這樣就可以把許多采集的樣本合成一個采樣密度較高的波形。本設計采集系統的采樣方式選擇為實時采樣，即采用相等的時間間隔對血壓信號進行連續采樣，每次采樣經數字化后將結果送入PC機進行存儲。血壓數據處理軟件再對這些存儲結果進行分析處理。至于血壓數據處理軟件，我們可以使用別人設計好的成品。第3章 硬件系統設計3.1單片機的選擇和相關模塊的設置 單片機的選擇若選擇將多路開關、采樣保持器和AD轉換器集成在一起的單片機，就可

30、以減少分離元件的數目，縮小血壓測量計的電路板大小和增加系統的可靠性。考慮到血壓測量計的使用，功耗必須較低和用電池供電的等因素，本文的單片機選擇為MICROCHIP公司的PIC16F874。下面將介紹PIC16F874芯片：PIC16F874是PIC16F87X系列中的一員。PIC16F87X系列產品是微芯公司生產的14位指令系統中功能最強的單片機之一，性能價格比很好，這類單片機廣泛使用的主要因素有：開發容易，周期短：由于PIC16F87X采用RISC指令集，指令少，僅具有35條指令，且全部為單字長指令，易學易用，相對于采用CISC(復雜指令集)結構的單片機可節省30%以上的開發時間，2倍以上的

31、程序空間。高速：采用哈佛總線和精簡指令集建立了一種新的工業標準，指令的執行速度快。工作速度：DC-20MHz時鐘輸入，DC-200ns指令周期。當PIC16F874以最大時鐘脈沖速率運行時，它在0.2s內就能執行一條指令(除GOTO和CALL指令外)，即每微秒執行5條指令，比一般的單片機速度快5倍。可靠的復位電路和多種時鐘選擇：上電復位和掉電鎖定功能，確保芯片只在電壓規定的范圍內運行，如果芯片誤操作和偏離正常運行，看門狗定時器就會復位。同時，有4種時鐘脈沖可供選擇，其中包含有一個低價格的電阻電容振蕩器和一個高精度的晶體振蕩器，引外還有一些低功耗的時鐘脈沖可供選擇。低功耗：PIC采用了CMOS設

32、計結合了諸多的節電特性，使用高速、低功耗CMOS FLASH/EEPROM技術，使其功耗較低，PIC百分之百的靜態設計可進入休眠(sleep)省電狀態而不會影響喚醒后的正常運行。在4MHz時鐘下，電源電壓為3V時，典型工作電流值小于0.6mA，在32KHz時鐘下，電源電壓為3V時，典型工作電流值為20A，典型待令狀態的電流值小于1A。強大的輸出端口控制和驅動能力：一條端口操作指令可以在其0.2s的指令執行時間里選擇和驅動一個輸出端口，每個輸出引腳可以驅動多達25mA的負載，其拉電流和灌電流均為25mA，既可以高電平直接驅動LED也可以低電平直接驅動LED。寬工作電壓范圍：PIC系列芯片可以工作

33、在寬的電壓范圍內，從2.5V到5.5V，特別適用于電池供電的場合，寬的電壓范圍使得芯片可以很容易地與外圍的3.3V和5V供電接口芯片接口。低價實用：PIC配備有OTP(One Time Programmable)型和FLASH型等多種形式的芯片。有高達8K字節的程序存儲器FLASH，368字節的數據存儲器(RAM)和256字節的數據存儲器EEPROM。提供了基于Windows的方便易用的全系列的產品開發工具。外圍功能模塊特性：定時器TMR0：帶有8位前分頻器的8位定時器/計數器，定時器TMR1：帶有前分頻器的16位定時器/計數器，在休眠期間可通過外部晶振/時鐘增量計數:定時器TMR2：帶有8位

34、周期寄存器、前分頻器和后分頻器的8位定時器/計數器；兩個捕捉比較/脈寬調制(PWM)模塊，16位的捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns，16位的比較輸出的最大分辨率為200ns，脈寬調制(PWM)輸出的最大分辨率為10位。10位多通道模數轉換器(A/D)。同步串行口(SSP)可滿足SPITM(主控)和I2CTM(主控/從動)總線要求。具有地址第9位檢側的通用異步接收器和發送器(USART/SCI)由外部RD，WR和CS控制的8位數據寬度的并行從動端口PSP。用于掉電鎖定復位(BOR)的鎖定檢測電路。 相關模塊的設置在使用PIC16F874芯片完成設計時，我們首先要對它的A/D轉換功能模塊以及定時

35、器和比較捕捉模塊進行相關的設置。PIC16F874單片機內部集成了A/D轉換部件，并且有8個A/D輸入通道，通過編程，即可實現單路或多路A/D轉換的功能。另外其A/D轉換還可以在休眠狀態下進行，由A/D轉換結束中斷重新激活單片機。采用這種方式，在A/D采樣和轉換時間內，單片機主頻關閉，干擾小，既提高了A/D轉換精度，以減少了功耗。A/D轉換的設置有以下幾個步驟：(1)、AD轉換時鐘源的選取：定義每一位A/D轉換時間為TAD，為保證正確地進行A/D轉換，A/D轉換時鐘必須滿足最小TAD要求，即TAD不小于1.6s。而A/D轉換的時鐘源可用軟件設置進行選擇。對于TAD有以下四種選擇：a)2Tosc

36、；b)8Tosc；c)32Tosc；d)A/D模塊內部的RC振蕩器(26s)。選擇單片機的時鐘源為4MHZ，則Tosc=0.25s。故TAD可選擇8Tosc。表3-1是PI16F87X芯片在各種工作頻率下不同A/D轉換時鐘源的TAD。由于通道數目有限，僅只有滿足需要的8個，故A/D轉換所需要的參考電壓VREF+只能由PIC供電電壓來提供，即選擇供電壓內部連接到A/D，就避免了占用2個引腳來實現這種功能。對于傳感器，輸出與其供電電壓成比例，并且用PIC供電壓作為參考電壓，使VREF等于VDD是較好的選擇。選擇VREF=VDD，PIC 16F874器件就可有8個引腳為A/D模擬輸入。表3-1 TA

37、D與器件工作頻率關系表A/D時鐘源最大器件頻率選擇ADCS1：ADCS0Max2001.25MHz8015 MHz321020 MHzRC11（注）注：內部RC振蕩器典型的TAD=4s，但是在2-6s范圍內變化當工作頻率高于1MHz時，A/D轉換的RC時鐘推薦值僅適合在休眠方式正式下工作。(2)、A/D轉換結果的調整：A/D轉換結束后，其10位的轉換結果存放于寄存器對ADRESH和ADRESL，這個寄存器對為16位寬，A/D格式選擇位（ADFM）控制10位轉換結果在16位寄存器中左移或右移。本設計選擇將A/D轉換結果左移，則ADRESL的低6位為0。左移后ADRESL中的高2位即表示A/D轉換

38、結果的最低2位值，這2位值占結果的比例最大為3/210約等于0.3%。相對于課題所要求的精度值3%，則A/D轉換結果的最低2位值完全可以省略掉。也就是說用ADRESH*4來代替A/D轉換的結果。這樣傳送的數據就只是經左移位后的A/D轉換結果ADRESH*4。由前面的分析可知，A/D轉換模塊寄存器的初始化如圖3-1所示：為實現A/D轉換模塊的等時采樣，本文選用了PIC16F874單片機的捕捉/比較/脈寬調制(CCP)模塊和定時器TMR。圖3-1 A/D模塊的寄存器設置根據設計要求，本文將選擇CCP2工作在比較工作方式，產生特殊事件觸發，讓CCP2將TMR1復位，并且啟動模數轉換電路進行A/D轉換

39、。則CCP2CON=0BH。當CCP2工作在比較工作方式時，不斷地用16位的CCP2寄存器中的值與TMR1寄存器中的值作比較，如果二者相等，在特殊事件觸發方式下，將產生一個內部硬件觸發信號，用它來啟動A/D轉換(但觸發不會將中斷標志位TMR1IF位置為1，也即不會產生TMR1的中斷)，當A/D轉換結束時，將產生一個中斷信號，CPU就去執行A/D中斷服務程序。3.2 輸入系統設計 血壓傳感器的選擇血壓信號首先經過壓力傳感器抬取，并進行適當的放大和調理然后才能送入A/D轉換模塊的模擬輸入口。本文選擇Motorola公司的壓力傳感器MPX5050GP，其內部含有信號運放和信號調節功能，可以直接將動脈

40、血液對血管壁的壓力轉換為。04.7V的電信號，其對應的血壓值為0375mmHg。MPX5050GP壓力傳感器的模型如圖3-1所示。MPX5050GP壓力傳感器具有如下特點：(1)、在0到85范圍的最大誤差為2.5%。(2)、非常適合基于單片機(微處理器)的系統。(3)、溫度補償范圍：-40到25。(4)、具有專利的抗剪應力疲勞技術。(5)、耐用環氧單元；芯片選擇容易。(6)、最大電流0.1mA；電源電壓為4.75到5.25V。(7)、最大壓力200Kpa。(8)、靈敏度：90mV/Pa，反應時間1.0ms，精度2.5%VFS。我們對單片機A/D轉換模塊的設置可知：A/D轉換模塊的參考電壓為電源

41、電壓5V，而MPXSO50GP壓力輸出為04.7V，對應的血壓值為0375mmHg，則5V滿量程對應的血壓值約為399mmHg(由375*5/4.7計算可得)。由于A/D轉換器為10位，則1LSB所對應的血壓值約為0.4mmHg(由399/210計算可得)，根據這樣計算造成的滿刻度誤差為(0.4*210-399)/10241.04%，完全能滿足設計需要。這樣血壓測量值就應該等于ADRES* 0.4+BIAODZ。BIAODZ為儀器的標定值，ADRES為A/D轉換模塊的轉換結果。 低通濾波電路傳感器和電路中的器件常會產生噪聲，人為的發射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲。為提高模擬輸入

42、信號的信噪比，可以用信號濾波器(Filter)來衰減這些噪聲，即通過濾波器來去除許多與測量無關的頻率成分，濾去不必要的高頻、低頻或無關信號，或是取得某些特定頻段的信號。濾波器可以用R，L，C等無源元件組成，也可用無源和有源元件組合而成。前者稱之為無源濾波器(Passive Filter)，后者稱為有源濾波器(Active Filter)。有源濾波器中的有源元件可以用晶體三極管，也可以使用運算放大器。采用運算放大器組成的有源濾波器具有體積小、重量輕、損耗低等優點，并且可以提供一定的增益，還可以起到緩沖作用，所以采用運放形式組成的有源濾波器使用特別廣泛。本設計所用的濾波器也采用了二階有源濾波器這種

43、形式。其結構如圖3-2所示。其中元件的選擇對其性能有很大影響。圖3-2 二階有源濾波器結構圖一、集成運放的選擇(1)、開環增益A0(S)的影響由于在無限增益多路反饋型濾波電路中將集成運放的開環增益A0(S)視為無窮大，故A0(S)之影響較大。對此電路就選用高增益集成運放。當此電路工作頻率較高時，尚應考慮到A0(S)之頻率特性，即A0(S)截止頻率較高的集成運放。(2)、輸入阻抗的影響在有源RC濾波電路中所用電容器和電阻器的阻抗值一般均較大，故要求集成運放有較高的輸入阻抗，以免影響返饋系數等參數。優先選用FET輸入級的集成運放。(3)、輸入失調的影響考慮到輸入失調電流和輸入失調電壓對輸出端漂移的

44、影響。根據對濾波器的使用要求，選用輸入失調小的集成運放，或在電路中采用必要的補償措施。(4)、轉換速率的影響轉換速率主要影響截止頻率高或中心頻率高的有源 RC濾波器，特別是在高通濾波器中。如采用轉換速率低的集成運放將造成波形較大失真或Q值明顯下降。(5)、運算放大器的選擇本文選擇的是LM324低電壓運算放大器，其內部由4個獨立的、高增益的、內部頻率補償的運算放大器組成。特別適合較大電壓范圍的單電源供電情況。LM324可以直接運用于單電源供電系統，如數字系統中的標準的5V電源，其提供了所需的電氣接口，而不需要另外的15V電源。LM324的一些主要參數如下：輸入電壓范圍：-0.3+32V消耗電流：

45、3mA溫度補償范圍：070直流放大系數：100db大信號電壓放大倍數：最小25V/mV，典型值100V/mV共模抑制比：最小65db，典型值85db二、電容器的選擇有源RC濾波電路對所用電容器應考慮的主要參數有電容量、允許誤差、工作溫度系數以及頻率特性等。當所需容量較小時，常選用云母電容、CCI和CCZ型瓷介電容器，以及玻璃釉電容器等。當所需要容量較大時，一般選用聚苯乙烯電容器、聚碳酸脂薄膜電容器等。對工作頻率較高的濾波器注意慎用金屬化類的薄膜電容器，因為在高頻時金屬粒子會滲透到絕緣薄膜中去，從而造成電容器損耗上升，絕緣電阻下降，結果造成電路性能惡化。本設計所選擇的電容為聚苯乙烯薄膜電容，其絕

46、緣電阻R50000M，損耗角正切值在10-4，量級范圍，電容器的吸收系數K最小為0.05左右，電感量為4*10-3 6*10-3H。C1=0.022F，C2=0.01MF。三、電阻器的選擇在有源Rc濾波電路中，主要考慮電阻器的阻值、精度、溫度系數及工作頻率等參數。對于要求不高的濾波器，可選用價格低廉的電阻器，如碳膜電阻器。對于高Q及要求參數隨溫度變化小的濾波器應選用金屬膜、線繞及金屬玻璃釉電阻器等。對于工作頻率較高的濾波器應選用無感繞法和無感刻槽的電阻器，因為這種電阻器的自身分布電感較小。濾波器所用的電阻均選用碳膜電阻。 鍵盤與接口設計鍵盤與單片機的接口包括硬件與軟件兩部分。硬件是指鍵盤的組織

47、，即鍵盤結構及其與主機的連接方式。軟件是指對按鍵操作的識別與分析，稱為鍵盤管理程序。雖然對不同的鍵盤組織其鍵盤管理程序存在很大的差異，但任務大體可分為下列幾項：識鍵：判斷是否有鍵按下。若有，則進行譯碼；若無，則等待或轉作別的工作。譯鍵：識別出哪一個鍵被按下并求出被按下鍵的鍵值。鍵值分析：根據鍵值，找出對應的處理程序的入口的鍵值。一、鍵盤的組織：鍵盤按其工作原理可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。按其結構中分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。鍵盤的擴展也可以通過一些特殊功能的數字芯片，如各種移位寄存器等圖3-3 鍵盤輸入電路實現。雖然程序較為復雜，但占用的單片機的接口較少。可直接用單片機的引腳作為鍵盤的行列

48、線，對單片機的I/O口的拉電流和灌電流特性有較高的要求。本設計采用這種非編碼矩陣式鍵盤，這樣成本低，使用靈活，且編程簡單，擴展容易。如圖3-3所示。為了使硬件設計簡單化，利用單片機的RB1 ,RB2和RB4,RB5進行擴展成矩陣式鍵盤。B5和B4與單片機的變位中斷輸入引腳RB5和RB4相連，將其設置為輸入；B1和B2與單片機的引腳RB1和RB2相連，將其設置為輸出，對鍵盤的掃描可采用查詢方式或中斷方式。PIC16F874單片機的RB5和RB4可以產生變位中斷，是微軟公司專門為設計鍵盤中斷功能使用的。二、鍵抖動及消除鍵盤按鍵一般都采用觸點式按鍵開關。當按鍵被按下或釋放時，按鍵觸點的彈性會產生一抖

49、動現象。即當按鍵按下時，觸點不會迅速可靠地接通，當按鍵釋放時，觸點也不會立即斷開，而是要經過一段時間的抖動才能穩定下來，抖動時間視按鍵材料的不同一般在5ms10ms之間。健抖動可能導致計算機將一次按鍵操作識別為多次操作，為克服這種由鍵抖動所致的誤判，本設計采用軟件延時法，這樣可以簡化硬件設計。軟件延時法即：當判定按鍵按下時，用軟件延時10ms20ms,等待鍵穩定后重新再判斷一次，以躲過觸點抖動期。三、鍵連擊的處理當我們按下某鍵時，對應的功能便會通過鍵盤分析程序得以執行。如果在操作者釋放鍵之前，對應的功能得以多次執行，如同操作者在不斷操作一樣，這種現象就稱為連擊。連擊現象軟件方法來解決，當某鍵被

50、按下時，首先進行軟件去抖動處理，確認鍵被近下后，便執行對應的功能，執行完后不是立即返回，而是等待鍵釋放之后再返回，從而使一次按鍵只被響應一次，避免連擊現象。四、本設計中鍵盤的工作原理本次設計鍵盤工作的查詢方式，矩陣式鍵盤的查詢工作原理如下：如圖3-3所示，B4, BS為列線，B 1, B2為行線。列線通過上拉電阻連接到電源上；因此當無鍵按下時，各列線(B4,B5)均為高電平。當行線(B1,B2)分別輸出低電平時，有鍵按下，相應的列線B4或B5上會出現低電平。根據此原理，CPU對整個鍵盤進行掃描。所謂掃描，即CPU不斷輪流對行線置低電平，然后檢查列線輸入狀態，確定按鍵情況。在確定有鍵按下后，先把

51、B1置為低電平、B2置為高電平，再讀入B4,B5的值。若B5為“1”, B4為“0”，則S2鍵按下；若B5為“0”，B4為“1”，則S1鍵被按下；若B4,B5皆為“1”，則證明按下的鍵不在該行，應進行下一行的掃描。下一行掃描時，令B1為高電平、B2為低電平，判斷方法同前。掃描鍵盤的時間很短，僅為幾微秒，而按一次鍵至少需要幾十毫秒，所以只要有鍵按下，就可以馬上判斷出是哪個鍵被按下，從而很快執行相應的功能。五、鍵盤的功能分配本設計中鍵盤用于主要是為了對單片機內各種參數的設置進行修改，以方便用戶根據自己需要對系統進行控制。通過編程，S1鍵用于啟動或關閉傳感器；S2鍵用于設置通道數目；S3鍵用于設置數

52、據是否傳送至計算機；S4鍵用于顯示設置。3.3 輸出系統設計LED介紹LED即發光二極管，它是一種由某些特殊的半導體材料制作成的PN結，由于參雜濃度很高，當正向偏置時，會產生大量的電子空穴復和，把多余的能釋放變為光能。LED顯示器具有工作電壓低、體積小、壽命長(約十萬小時)、響應速度快(小于1s)、顏色豐富等特點。LED的正向電壓降一般在1.22.6V，發光工作電流在5mA20mA。七段LED顯示器由數個LED組成一個陣列，并封裝于一個標準的外殼中。為適用于不同的驅動電路，有共陽極和共陰極兩種結構。本次設計采用的是共陽極結構，如圖3-4所示。圖3-4 七段LED顯示器的共陽極結構為了顯示某個數

53、或字符，就要點亮對應的段，這就需要譯碼。譯碼有硬件譯碼和軟件譯碼。硬件譯碼電路的優點是計算機時間開銷比較小，但硬件開支大。軟件譯碼與硬件電路相比，省去了硬件譯碼器，其BCD碼轉換為對應的段碼這項工作由軟件來完成。表3-2顯示的就是共陽極情況下段碼與數字、字母的關系。表3-2 LED顯示器字段字符共陽極段碼字符共陽極斷碼字符共陽極斷碼0C0H592HA88H1F9682B83H2A47F8CC6H3B0880DA1499990滅FFH 數碼顯示的驅動電路考慮到整體體積的大小，譯碼驅動電路不采用由六個74LS273組成的數據鎖存器和74LS244數據緩沖器，這七個集成塊由MAXIM公司的ICM72

54、18C替代。一塊ICM7218C可以驅動八位七段LED數碼管，其內部集成有BCD碼解碼器、多路掃描電路、顯示驅動、8*8的靜態存儲器。ICM7218C既可以顯示十六進制格式也可以顯示BCD碼格式的數據。ICM7218C為并行輸入口、共陽極驅動，其DIP封裝形式的管腳功能圖如圖3-5所示圖3-5 ICM7218C的管腳功能圖一、主要功能引腳介紹如下：SEG ASEG G為七段LED的引腳輸出端，在本文中接各位數碼管的AG位。DA0DA2為地址譯碼輸入，分別選擇不同的數碼管(即不同的位)。DA0DA2分別接PIC16F874的AN4、RB6、RB7。其功能分配見本章表3-3。ID0ID3為BCD碼

55、的輸入端。在本設計中接PORTD端口的RD0RD3。DIGIT1DIGIT8分別為各位數碼管的陽極輸入端。即分別接各個BS206的陽極公共端。HEXA/CODEB/SHUTDOWN為輸入方式選擇端。接高電平，選擇BCD碼輸入方式。WRITE為寫輸入使能端。接低電平，使輸入使能。V+用于接5V的電源，在V+和地之間應接兩個并聯的電容器47F和0.1F用于消除驅動LED的電流紋波的影響。二、主要的參數(典型值)有：電源電壓：5V關斷后電流：25A工作電流：200ALED驅動電流：70mA顯示掃描速率：250Hz共陽極輸出電阻為4，輸出顯示位電阻為50功耗：30mA七段LED的顯示接口一、顯示方式的

56、選擇按照顯示的方式，七段LED數碼管顯示有靜態顯示和動態顯示之分。對本設計研究的血壓信號采集系統來說，采用集成顯示芯片ICM7218C的動態顯示具明顯的優勢，它對靜態顯示而言并不占用更多的機時，其硬件電路簡單，所用器件較少，便于縮小硬件電路的面積，從而時整個電路的體積可以做得更小。所以本次設計采用的就是基于集成顯示芯片的動態顯示方式。在采用動態顯示的系統中，微處理器或控制器應定時地對各個顯示器進行掃描，顯示器件分時輪流工作，每次只能使一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現象，仍感覺所有的器件都在同時顯示，此種顯示的優點是使用硬件少，占用I/O口少。隨著大規棋集成電路的發展，目前已有能自動對顯示器進行掃描的專用顯示芯片，使電路既簡單又少占用機時。這里采用的是MAXICM公司的集成顯示芯片ICM72I8C，它能自動對各數碼管進行掃描，其BCD碼到LED段碼的轉換也由其內部完成(即內部具有BCD碼到LED段碼的譯