家用電子血壓計是典型的家庭醫(yī)療檢測設備之一，電子式血壓計使用簡易，可一人獨自操作，測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶，越來越受到普通家庭的歡迎。本血壓計設計以PIC18F85J90為控制核心輔以氣壓傳感器BP01和用作傳感器與MCU之間模擬信號處理的Intersil ISL28413/ISL28196模擬電路以及LCD驅(qū)動芯片ZJM12864BSBD、語音提示ISD2560。
電子血壓計工作原理
系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由壓力傳感器(BP01型壓力傳感器)，恒流源(ISL28413×1)，差分放大(ISL28413×3)，0.8 Hz二階高通濾波(ISL28413×1)，200倍放大(ISL28413×2)，38Hz二階低通濾波(ISL28413×1)，血壓脈沖觸發(fā)(ISL28196×1)，液晶顯示器128點×64點(ZJM12864BSBD)，語音報血壓(ISD2560)和單片機(PIC18F85J90)組成。
單片機主要工作原理為：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)分析計算分析后確定收縮壓和舒張壓的瞬態(tài)時間位置;接收血壓脈沖信號觸發(fā)ADC工作;將計算出的收縮壓和舒張壓結果輸出至LCD顯示并進行數(shù)值的語音提示。一次測量血壓的過程為：按激活鍵單片機PWM輸出控制氣泵充氣至200mmHg高，慢慢以每s約下降5mmHg的速度放氣。壓力傳感器輸出信號經(jīng)差分放大器后變單端信號一路送入單片機ADC監(jiān)視直流分量，另一路送入0.8Hz二階高通濾波器濾除直流分量;交流分量經(jīng)200倍放大后輸入38Hz二階低通濾波器去除電源及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾，并將此信號維持在0~5V之間，濾波后的交流分量一路送入血壓脈沖觸發(fā)然后觸發(fā)單片機ADC工作，另一路送入單片機ADC計算幅值，先找出最大振幅值Amax，在往前找幅值為0.5Amax的瞬態(tài)位置對應血壓直流分量即為收縮壓，往后找幅值為0.8Amax的瞬態(tài)位置對應血壓直流分量即為舒張壓，將計算出的收縮壓和舒張壓結果輸出至液晶驅(qū)動器顯示。
硬件設計
主控電路(圖2)選擇MicroChip 8位PIC18F85J90 CMOS FLASH 64/80引腳的帶LCD驅(qū)動的單片機，采用RISC CPU，有75條單字節(jié)的指令，既保證了必要的指令效率也兼具了控制芯片成本和簡化編程復雜度。外圍電路采用BP01型壓力傳感器和Intersil運放ISL28413，BP01型壓力傳感器是為檢測血壓而專門設計的，主要用于便攜式電子血壓計，在全量程范圍內(nèi)，精度為±1%、零點失調(diào)不大于±300mV，測量范圍-300~+300mmHg。BP01壓力傳感器是在恒流源供電的文氏電橋上的電阻隨氣壓變化而輸出雙端差分電壓信號。ISL28413是常用的4運放TSSOP-14集成電路，ISL28196是常用的單路比較器6腳SOT-23集成電路，具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、低價等優(yōu)點。液晶顯示電路采用ZJM12864BSBD，這是一款低功耗的點陣圖形式LCD，顯示格式為128點(列)×64點(行)，具有多功能指令，很容易與MPU相連。集成語音芯片ISD2560是Winbond公司生產(chǎn)的一款具有較強功能的語音錄放芯片，是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為60s，可重復錄放10萬次。
外圍模擬電路如圖3所示，運放U1A輸入正端為可設定的直流偏置電壓Vref，U1A輸出端和輸入負端提供了壓力傳感器電橋恒流偏置的回路，以提供傳感器偏置的恒流源。經(jīng)過運放U1B、U1C、U1D差分放大，單端輸出放大電路，直接輸入ADC0監(jiān)視血壓直流分量，用U2A組成二階高通巴特沃思濾波器，具體的設計請參考文獻[1]的高通濾波器設計方法。用兩個級運放U2B、U2C組成200倍比例放大電路，第一級20倍放大，第二級10倍放大。采用二階巴特沃思二階低通濾波，運放U2D接成跟隨器，放大倍數(shù)為1，具體的設計請參考文獻[1]，濾掉皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾，得到單片機匹配的電壓信號，進入ADC2，監(jiān)視血壓的交流分量。利用比較器ISL28196設定一定的電壓門限，將血壓交流信號形成脈沖，進入RA1觸發(fā)ADC1工作。
日歷時鐘和存儲電路
由EEPROM24LC256和日歷時鐘芯片ISL12058組成。24LC256是一款低電壓、串行接口，容量為256k的存儲器，用于存儲測量的血壓值。ISL12058是Intersil 公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，用于提供測量血壓時的時間和日期，以便于以后進行查詢使用，方便于使用者對自己一段時間的血壓有個清晰的記憶。它成本低，工作電流只有400nA，鈕扣電池供電也可正常工作較長時間。
鍵盤和顯示電路
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低功耗點陣圖形式LCD，顯示格式為128點(列)×64點(行)，具有多功能指令，很容易與MPU相連。其中鍵盤電路采用獨立式按鍵，有7個按鍵，分別為測量、mmHg/kPa轉換、記憶、設置、上翻、下翻、刪除。可以進行日歷時鐘的設置，進行報警參數(shù)的設置，進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，當前的時間和日歷;在查詢狀態(tài)時可以實現(xiàn)以往測量血壓的日期、時間、測量值，同時可以通過軟件編程實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的圖形化顯示，方便直觀。
語音報壓和報警電路
主要由集成語音芯片ISD2560組成，該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音。通過事先錄制好的聲音，實現(xiàn)血壓測量值的自動聲音提示，如果血壓高出正常血壓的上下限值，還會發(fā)揮報警，提醒使用者就醫(yī)。
本文給出了完整的攜帶式電子血壓計設計方案，并基于PIC 18F85J90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)動芯片實現(xiàn)了電子血壓計的設計。此設計可直接轉化為實際產(chǎn)品，故有較高的實用價值。
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