基于MSP430F449的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)
隨著生活水平的不斷提高以及城市老齡化比例的提高,醫(yī)療電子設(shè)備的家庭化逐漸成為了趨勢(shì)。其中家用電子血壓計(jì)就是典型的家庭醫(yī)療檢測設(shè)備之一。目前血壓計(jì)大致上可分為兩種:一是水銀式血壓計(jì),其優(yōu)點(diǎn)為數(shù)值穩(wěn)定,其缺點(diǎn)為無法一個(gè)人自行操作,必須專業(yè)醫(yī)護(hù)人員操作,且肉眼觀察誤差極大,主觀性強(qiáng),體積較大不易攜帶。二是電子式血壓計(jì),其優(yōu)點(diǎn)為:使用簡易,可一人獨(dú)自操作;測量值便于記錄,體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計(jì)具備了諸多優(yōu)點(diǎn),越來越受到普通家庭的歡迎。本文介紹了以MSP430F449為控制核心,輔以BP01型壓力傳感器與MCU之間模擬信號(hào)處理電路以及LCD顯示、語音提示,實(shí)現(xiàn)家用電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)。
血壓測量原理
血壓的概念就是血液流經(jīng)血管壁時(shí)的壓力。由心臟出來的血液,需要有推力,才能繞行身體一周,心臟就是借著不停的收縮、放松,將血液推送前進(jìn)。血壓有兩種,一是收縮壓:是當(dāng)心臟收縮將血液打到血管所測得的血壓,另一是舒張壓:是心臟在不收縮所測得的壓力。當(dāng)袖帶的壓力等于血壓時(shí),血液開始可以流通而產(chǎn)生所謂的袖帶聲,這時(shí)候表現(xiàn)為收縮壓,從這一刻開始做記錄,直到最后袖帶聲音消失的時(shí)候,記錄此點(diǎn)即為舒張壓。
電子血壓計(jì)工作原理
系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由恒流源、壓力傳感器、放大電路、帶通濾波、二次放大、血壓脈沖觸發(fā)、液晶驅(qū)動(dòng)器、鍵盤語音電路和單片機(jī)組成。
圖1 電子血壓計(jì)原理圖
單片機(jī)主要原理為:PWM輸出控制氣泵充氣漏氣調(diào)整袖帶內(nèi)氣壓;一路ADC采樣袖帶內(nèi)氣壓直流分量以便取得收縮壓和舒張壓;一路ADC采樣袖帶內(nèi)氣壓交流分量經(jīng)分析計(jì)算后確定收縮壓和舒張壓的瞬態(tài)時(shí)間位置;接收血壓脈沖信號(hào)觸發(fā)ADC工作;將計(jì)算出的收縮壓和舒張壓結(jié)果輸出至LCD顯示并進(jìn)行數(shù)值的語音提示。
硬件設(shè)計(jì)
1 MSP430FF449D單片機(jī)主控電路
本系統(tǒng)主控電路如圖2所示,主要由MSP430F449芯片、JTAG接口電路、時(shí)鐘發(fā)生電路、時(shí)鐘輸出電路、復(fù)位電路、PWM波輸出電路、供電電路等組成。其中JTAG用于下載和調(diào)試程序,PWM波輸出電路用于控制氣泵。當(dāng)測量血壓時(shí),先充氣至200mmHg高,再慢慢以每秒約下降5mmHg的速度放氣。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量血壓。
圖2 電子血壓計(jì)主控電路
2 血壓傳感電路
如圖3所示,本電路采用BP01型壓力傳感器和運(yùn)放MAX4472。BP01型壓力傳感器是為檢測血壓而專門設(shè)計(jì)的,主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn);采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式,提高了測量精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性,在全量程范圍內(nèi),精度為±1%、零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個(gè)運(yùn)算放大器的低功耗放大芯片。本系統(tǒng)中內(nèi)部集成運(yùn)放A接恒流源,為壓力傳感器提供恒定的電流,運(yùn)放B和運(yùn)放C,運(yùn)放D組成差分輸入、單端輸出放大電路,直接輸入ADC0監(jiān)視血壓直流分量。
圖3 血壓傳感電路
3 濾波和放大電路
如圖4所示,電路由濾波和放大兩部分組成。其中MAX267是MAXIM公司出產(chǎn)的一個(gè)集成濾波器,可以構(gòu)成低通、帶通、高通、等多種方式,使用靈活,性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用集成運(yùn)放組成的濾波電路。
圖4 濾波和放大電路
MAX4471是MAXIM公司的一款低功耗的放大器。MAX9028是MAXIM公司的一個(gè)低功耗的比較器。濾波電路采用MAX267構(gòu)成帶通濾波器(允許0.8~38Hz的信號(hào)通過),濾掉信號(hào)中的直流成分和電源以及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾,然后經(jīng)過MAX4471進(jìn)行進(jìn)一步放大,得到單片機(jī)匹配的電壓信號(hào),進(jìn)入ADC2,監(jiān)視血壓的交流分量。同時(shí)該信號(hào)通過低功耗比較器MAX9028轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),觸發(fā)ADC1工作。
4 日歷時(shí)鐘和存儲(chǔ)電路
如圖5所示,由EEPROM24C256和日歷時(shí)鐘芯片PCF8563組成。24C256是一款低電壓、串行接口,容量為256K的存儲(chǔ)器,用于存儲(chǔ)測量的血壓值。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C總線的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。用于提供測量血壓時(shí)的時(shí)間和日期,以便于以后進(jìn)行查詢使用。方便于使用者對(duì)自己一段時(shí)間的血壓有個(gè)清晰的記憶。實(shí)用性強(qiáng),克服了一些電子血壓計(jì)的不足。
圖5 日歷時(shí)鐘和存儲(chǔ)電路原理圖
5 鍵盤和顯示電路
如圖6所示,由鍵盤電路和液晶顯示電路兩部分組成。液晶顯示電路采用ZJM12864BSBD,這是一款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD,顯示格式為128點(diǎn)(列)×64點(diǎn)(行),具有多功能指令,很容易與MPU相連。其中鍵盤電路采用獨(dú)立式按鍵,有7個(gè)按鍵,分別為測量、mmHg/kPa轉(zhuǎn)換、記憶、設(shè)置、上翻、下翻、刪除??梢赃M(jìn)行日歷時(shí)鐘的設(shè)置,進(jìn)行報(bào)警參數(shù)的設(shè)置,進(jìn)行血壓的測量值的存取和刪除等功能。LCD可以顯示收縮壓,舒張壓,當(dāng)前的時(shí)間和日歷;在查詢狀態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)以往測量血壓的日期、時(shí)間、測量值,同時(shí)可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的圖形化顯示(例如畫出血壓波動(dòng)曲線),方便直觀。
圖6 鍵盤和顯示電路
6 語音報(bào)壓和報(bào)警電路
本電路如圖7所示,主要由集成語音芯片ISD2560組成。ISD2560是Winbond公司生產(chǎn)的一款具有較強(qiáng)功能的語音錄放芯片,是一種永久記憶型語音錄放電路,錄音時(shí)間為60s,可重復(fù)錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專利技術(shù),能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音。通過事先錄制好的聲音,實(shí)現(xiàn)血壓測量值的自動(dòng)聲音提示,如果血壓高出正常血壓的上下限值,還會(huì)發(fā)揮報(bào)警,提醒使用者就醫(yī)。
圖7 語音報(bào)血壓,報(bào)警電路
4 結(jié)語
電子血壓計(jì)具有小型化、低功耗、智能化程度高的優(yōu)點(diǎn),在使用上有便攜和易操作的特點(diǎn),從而呈現(xiàn)出家用化的趨勢(shì)。本文給出了完整的攜帶式電子血壓計(jì)硬件設(shè)計(jì)方案,并基于MSP430F449為控制核心輔以壓力傳感器和外圍的模擬電路以及LCD 驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)了電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)用的芯片大部分都是低功耗的芯片,便于使用電池供電。同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人性化,智能化的要求,就像一個(gè)家庭護(hù)士,對(duì)與高血壓患者以及中老年人來說十分方便,可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品,故有較高的實(shí)用價(jià)值。