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基于单片机的电子血压计设计摘 要单片机以其卓越的性能，得到广泛的应用，以深入到各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，在医学方面更是得到了较好的应用。血压是极为重要的健康指标，血压测量的准确与否直接关系到人们的健康。现代人患心血管疾病呈低龄化趋势，所以随时关注我们的血压状况对我们百利无害。本论文讨论了以AT89C51单片机为核心的电子血压计测量原理。气泵给气囊充气后通过感器传的电压经放大、滤波得到脉搏信号，计算出收缩压、舒张压和脉搏。重点介绍了单片机及滤波电路的设计。首先依据示波法和脉搏波理论设计了血压测量系统的总体设计方案。该方案硬件电路以AT89C51单片机为核心，包括信号采集处理电路，A/D转换电路，控制按钮电路和显示电路等几大部分。本文对以上几个部分的软硬件设计作了详细的阐述，介绍了核心芯片的选型，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件程序。讨论说明了各部分电路点的工作原理，以及其软硬件的具体设计。关键词：单片机；血压；血压计；示波法；脉搏波The design of portable blood pressure monitorAbstractSingle chip with its superior performance, are widely used to drill in various fields has become a mature technology, in medicine all the more yes get a better application. Blood pressure is extremely important health indicators; blood pressure measurement accuracy is directly related to peoples health. Modern cardiovascular disease trends showed younger age, so keep an eye on our blood pressure Bailey us harmless. This paper studies in blood pressure measurement method and wave method, on the basis of pulse wave theory, discusses with AT89C51 measuring principle of electronic device. After the air to air pump, the voltage sensor through enlargement, filtering, calculate the pulse signal obtained systolic pressure, diastolic pressure and pulse. Mainly introduces the design and the entire circuit chip.First of all, and the pulse wave based on oscillometric blood pressure measurement system design theory design project. The program hardware with AT89C51 microcontroller as the core, including signal acquisition and processing circuit, A / D converter circuit, memory expansion circuits, LCD circuits, Automatic Filling and Releasing circuit, most of the keyboard circuit a few. In this paper, several parts of the above detailed description of hardware and software design, introduced the selection of core chips, the external circuit connection, the connection between the chip and the chip circuit, program design methods and corresponding software program. Discussion illustrates the point of all parts of the circuit works, and the specific design of its hardware and software. Keywords: Single-chip；blood pressure；Sphygmomanometer；Oscillometric method；pulse waveform目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 背景11.2 血压测量方法11.3 血压计测量现状22 血压计设计原理32.1 示波法测量血压原理32.1.1 示波法概述32.1.2 示波法原理32.2 设计的总体思路43 滤波电路设计63.1 传感器63.1.1 压力传感器简介63.1.2 压力传感器的选用63.2 滤波器设计73.2.1 滤波器概述73.2.2 低通滤波器设计93.2.3 带通滤波器设计114 单片机系统设计154.1 单片机AT89C51154.2 时钟及复位电路设计174.3 ADC0809转换电路及内部结构及功能部件184.3.1 A/D转换系统184.3.2 ADC0809内部结构及功能部件194.3.3 ADC0809的运行时序224.4 自动充放气电路的设计224.5 控制按钮电路与显示电路234.5.1 控制按钮电路设计244.5.2 显示电路245 软件设计265.1 血压信号采集265.2 控制按钮及显示电路程序设计285.2.1 控制按钮程序设计285.2.2 液晶显示程序设计29结论30致谢31参考文献32附录33基于单片机的电子血压计设计1 绪论1.1背景随着人们生活水平的不断提高，心血管疾病特别是高血压、动脉硬化疾病的发病率和死亡率较30年前有了明显提高，据统计全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及时发现病变延误了治疗而死于非命。因此，对人体的血压准确地测量，及时的预防和治疗心血管疾病，具有非常重要的意义。动脉血压一般也简称血压，表示血液在动脉血管内流动时对血管壁所施加的压力。动脉血压在循环系统中占有重要地位，它能促使血液克服阻力，向前流动。血压过低，则不能维持血液有效循环，以保证供应各器官组织的需要，特别是位置比心脏高的头部组织，如脑组织等，它们得不到足够的血液供应就要影响其正常活动。血压过高则增加心脏和血管的负荷，心脏必须加强收缩才能完成射血任务，严重时可引起心室扩大，心输出量减少，使循环功能发生障碍，血压过高还可导致血管破裂，严重时要影响生命。因此动脉血压不能过低也不能过高，维持一定相对稳定的水平，才能维持人体组织的正常功能。本课题是对电子血压计的研究，让人们随时可以在家里测量自己的血压，随时关注自己的血压情况，及早发现问题，能及时的去医院就诊，所以，及时、准确地掌握自己血压高、低压变化的情况，适时治疗和采取有效措施具有十一分积极的意义。1.2血压测量方法血压测量技术可以分为直接法和间接法两种。直接法血压测量是将一根导管插入欲测部位的血管或心脏内，通过导管内的液柱同放在体外的应变式传感器、线性可变电感式差动变压器、电容式传感器等相连，从而测出导管端部的压力。另一种形式是把传感器放在导管的末端，直接测出端部所在点的血压值。这种方法的优点是测量准确，并能进行连续测量。但它必须经皮肤将导管插入血管内，所以是一种创伤性的方法。间接法是利用脉管内压力与血液阻断开通时刻所出现的血流变化间的关系，从体表测出相应的压力值。由于这种方法不需要剖切的外科手术，同时测量简便，所以在临床上得到广泛的应用，只是测量精度较低，难以准确测定心脏、静脉系统的压力。间接式血压测量的方法很多，其中最主要的一种方法是利用袖带充气加压阻断动脉后，随后缓慢放气，在袖带下或动脉的远端检测脉搏的变化或血流的变化作为收缩压和舒张压的判据；也可把袖带内压力波动的形式作为判据。间接法包括柯氏音法、示波法、超声法、双袖带法、恒定袖带压力法、脉搏延时法等多种方法。在这些方法的基础上，人们开发了很多自动及半自动的血压间接测量系统，即各种类型的数字血压计。本次设计利用示波法原理来设计一种血压计对血压测量，该血压计能够对平均压，收缩压，舒张压测量，分别对这三种血压计进行显示。论文主要包括研究包括：对示波法原理的学习与研究；设计滤波电路对从压力传感器输出的袖带压力信号、脉搏波信号的获取；设计A/D转换电路对模拟信号数字化处理；设计液晶显示电路对其三种血压的显示；以及自动充放气电路和键盘电路。研究学习血压算法，编写血压判定程序对平均压、收缩压、舒张压的计算。 1.3血压计测量现状以往测量血压都使用气压式血压计，这种血压计除医生外一般人不容易掌握，且自己为自己测量多有不便 。现代电子科学技术的发展使这一测量仪器也进人了电子时代电子血压计。早期的电子血压计有在电子手表的功能上再附加测量血压功能，操作比较繁琐。电子血压计是利用现代电子技术与血压间接测量原理进行血压测量的医疗设备。电子式血压计，其优点为：使用简易，可一人独自操作；测量值便于记录，体积轻巧便于携带。电子式血压计具备了诸多优点，越来越受到普通家庭的欢迎，已经成为家庭自测血压的主要工具，它也越来越多地被用于医院等医疗机构1。 2 血压计设计原理2.1 示波法测量血压原理在硬件电路设计之前，必须知道本系统的软件算法分析是基于什么理论的，也就是说必须知道系统所需要提取的是什么信号。因此，本章首先对本系统血压所基于的示波法理论做一个说明。2.1.1 示波法概述 示波法（Oscillometric method），也称为振动法或测振法。示波法是70年代发展起来的新方法。此法也需要用袖带阻断动脉血流， 但在放气过程中，不是检测柯氏音，而是检测袖带内气体的振荡波。这些振荡波起源于血管壁的搏动，理论计算和实践均证明此振荡波与动脉收缩压、平均压及舒张压有一定函数关系。2.1.2 示波法原理示波法血压测量中采用充气袖带来阻断动脉血流，当动脉血流被阻断时，由于近端血液的脉动，在袖带内可以检测出动脉血流产生的气压振动波。首先，将袖带充气到高于收缩压20mmHg左右，然后使袖带缓慢放气。当袖带内压力等于收缩压（PS）时，振动波幅度增大，随着袖带内压力不断降低，振动波幅度不断增大。当袖带内压力等于平均压(PM)时，动脉管壁处于去负荷状态，振动波幅度达到最大。当袖带内压力小于平均压时振动波幅值逐渐减小，袖带内压力小于舒张压(PD)以后，动脉管壁在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而振动波维持在较小的水平。示波法是根据不同袖带压力下的脉搏波幅度变化特征(如图2-1所示),来识别动脉收缩压、平均压、舒张压等。在袖带放气过程中袖带内的变化曲线如图2-1所示。图2-1 示波法测量血压原理示意图为了详细研究降压曲线，让信号通过二个不同频带的模拟通道，分别得到图2-2(b)和图2-2(c)的曲线。其中，图2-2(b)滤除了图2-2(a)降压曲线的直流成份，并放大了交流成份，得到了脉动波，便于研究变化。图2-2(c)滤除了图2-2(a)交流成份，反映出了静压的变化规律2。 图2-2 袖带放气过程中袖带内的变化曲线根据示波法得到的袖带压力信号图2-2(c)和动脉压力波图2-2(b)结合算法可以求出血压。2.2 设计的总体思路本论文讨论的是基于单片机的电子血压计设计，是以单片机为核心的电子控制系统在医学上的应用。根据示波法为前提来测量血压，而示波法需要对袖带进行充放气来获取压力信号和脉搏波，所以必须用单片机来控制充气与放气。要使单片机与血压产生联系就必须要使用传感器，自然地就会用到压力传感器。通过压力传感器传送得到的电信号还不能被单片机分析应用，这就需要对电信号的处理与转换。电信号通过放大电路和滤波电路处理后，在经A/D转换器转换成数字信号供单片机分析计算得出结果存储，从而通过显示电路显示出来。根据示波法测量的原理以及血压计的智能化要求，血压计总体框图如图2-3所示。测量中将袖带套在人体上臂，靠肘关节一侧，由单片机控制气泵向袖带充气，同时通过压力传感器采集压力信号并设定充气的最大值，当袖带压达到预定值时停止充气。此时，肱动脉血管受压迫停止脉动，然后通过单片机控制放气阀进行缓慢放气，使袖带压力逐步减小，当袖带压下降到肱动脉收缩压以下时，肱动脉开始搏动，并随着袖带压的下降不断加强。袖带压力和肱动脉上的脉动信号经压力传感器转换为电压信号，对此电压信号进行放大与两路滤波处理，可以得到幅值适当的一路袖带压信号和一路脉搏波信号，将其经过A/D转换，转换后的数字信号送入单片机进行分析处理，计算结果并进行显示3。袖 带充气泵放气阀A/D转换电路显示器滤波电路压力传感器袖带压力信号脉搏波信号单片机键 盘图2-3 血压计设计系统总体框图3滤波电路设计3.1传感器常用的传感器有光电传感器、温度传感器、压力传感器、超声传感器、霍尔传感器。本论文讨论对血压的测量选用的压力传感器。3.1.1 压力传感器简介通常所说的压力传感器也包括压强传感器，主要用于测量接触力，广泛应用于各种工业自控环境。压阻式压力传感器是应用最为广泛的压力传感器，它具有精度高、测量范围广、结构简单、价格低以其较好的线性和频率响应等特点。压电压力传感器是利用石英、钛酸钡和酒石酸钾钠等压电材料的正压电效应制成。压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才的保存。但实际情况并非如此，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。3.1.2 压力传感器的选用系统中需要用压力传感器模块将袖带内压力信号转换为相应的电信号。示波法测量血压对压力传感器的要求主要是线性度和方差。线性度高使得压力-电信号转换公式简单，节约软硬件设计；方差小则滤波后脉动压力信号噪声小。本次设计采用MOTOROLA公司生产的MPX5050GP压阻式压力传感器，该传感器是被广泛应用的先进的单片硅片压力传感器，尤其是对于那些采用与A/D输入的微控制器或微处理器。此传感器结合了先进的微加工技术，薄膜金属化和双极处理，提供了一个正比于施加压力的准确的高层次模拟输出信号。其运行特性如下：压力范围：050Kpa（血压的测量范围通常为0300mmHg(0-50KPa)）电源电压：4.75Vdc5.25Vdc；一般采用5Vdc供电。电源电流：7mAdc响应时间：1ms准确性：2.5 %V工作温度：085该传感器不仅线性度好，而且还具有精度高、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，这就保证了提取的脉搏波信号失真小，提高了后面血压的可靠性4。传感器的转换函数如下所示：VOUT=VS*（0.018*P+0.04） （3-1）其中，VS为传感器供电电压，单位为VP为所需转换的压力信号，单位为kPaVOUT为转换后输出的电压幅值，单位为V根据传递函数压力输入与输出信号如图3-1所示。图3-1 压力输入(Kpa)与输出信号幅值(V)3.2 滤波器设计从压力传感器输出的信号不仅包含了袖带压信号和脉搏波信号，而且也包含了大量的噪声。模拟信号处理电路的任务就是从噪声中提取袖带压信号和脉搏波信号，并将它们调整到适当的电平输出给A/D转换电路,其电路结构如图3-2所示。袖带压信号低通滤波器压力传感器输出电压信号带通滤波器脉搏波信号图3-2 模拟信号处理电路结构框图3.2.1 滤波器概述滤波器是一种频域变换电路。它能让制定频段的信号顺利通过，甚至还能放大，而对非自定的信号予以衰减。仅采用R、L、C元件组成的滤波器称无源滤波器，含有晶体管或运算放大器的称为有源滤波器，本设计采用的是有源滤波器。滤波器按照其频域特性可分为低通、高通、带通、带阻和全通五种，上述各种滤波器的理想特性如图3-3所示。图3-3 滤波电路的理想特性低通滤波器主要用于使低频或直流信号通过，削弱高次谐波或较高频率的干扰和噪声。高通滤波器主要用于有效频率较高，而又必须消除低频、甚至直流信号的影响的场合。RC耦合电路，就有效地隔离了零漂等慢变化和两级的直流信号。带通滤波器主要用于遴选出有用频段的信号，而削弱其他非有用频段的信号或干扰和噪声。带阻滤波器主要是摒除某指定频段的信号，而允许非指定频段所有的信号通过5。按通带截止频率f0附近频域相频特性的不同，滤波电路可分为：巴特沃斯（Butterworth）、贝塞尔(Bessel) 和切比雪夫(Chebyshev)三大类。巴特沃思滤波器幅频特性单调下降；切比雪夫滤波器在通带或者在阻带频率有波动；贝塞尔滤波器通带内有较好的线性相位曲线5。一阶有源低通滤波器如图3-4所示，其主要技术参数如下：（1） 传递函数滤波器的电路特性可以由其传递函数H(s)来表征： H(s)=X 0/X i （3-2）对于图3-4所示的简单一阶有源低通滤波器而言，其传递函数 H(s)=V 0(s)/V i(s)=1*A vp/(1+SCR) （3-3）H(s)表现为增益的形式，也可以表示为A v(s)。图3-4 一阶有源低通滤波器（2）通带电压放大系数Avp对于低通滤波器而言，Avp就是f=0是，输出电压与输入电压之比，即 Avp=1+R2/R1 （3-4） （3）通带截止频率fp对于图3-4的电路而言，通带截止频率指的是滤波器输出电压下降到Avp对应输出电压的0.7倍时的频率，有时又称为-3dB频率。 fp=f0=1/2兀RC （3-5）上式中，f0称为特征频率6。3.2.2 低通滤波器设计在放气过程中，袖带压力缓慢变化的，因此，袖带压信号是一种低频信号。本系统采用二阶压控电压源低通滤波器来获取袖带压力信号。常有的有源二阶滤波器电路有压控电压源二阶滤波电路，典型的压控电压源二阶滤波器如图3-5所示，和无限增益多路负反馈二阶滤波电路。压控电压源二阶滤波电路特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点：电路性能稳定，增益容易调节。无限增益多路负反馈二阶滤波电路特点是：运算放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不便。 图3-5 典型二阶VCVS低通滤波器在上图中，根据“虚短”和“虚断”的特点可得： U+ =U- =R3*U0/(R3+R4) （3-6）AVP=U0/Ui=(R3+R4)/R3；AVP=1+R4/R3 根据传感器的转换函数：VOUT=VS*（0.018*P+0.04）可得：VOUT在0.2V4.54V之间的情况，所以Avp=1，为了满足增益令=，即放大器反向输入端对地相当于开路。其传递函数为： H(s)=AVPb0/(s+b1s+b0):b0=1/R1R2C1C2;b1=(1/R1C1)*(1-AVP)+1/C2(1/R1+1/R2) (3-7)为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使： R1+R2=R4R3/(R3+R4) (3-8) 将上式与AVP=1+R4/R3联立求解可得：R4=AVP(R1+R2)通带截止频率f0=1/2兀（R1R2C1C2）1/2 (3-9)选定归一化系数B=1.414，C=1，电容C1可任意取值，取C1=22F，由此可确定电路中各电阻值如下：电容C1可以任意取值，取C1=22uF。由此可确定电路中各电阻值如下： =11uF (3-10) =14534 =31689 取C2=10F，=15K，=30K。由于R3=，所以R4为任意值均能满足Avp=1，本设计中，令R4=0即短路，本设计中采用的低通滤波器如图3-6所示。 图3-6 设计中采用二阶VCVS低通滤波器幅频特性曲线如图图3-7所示。图3-7 为幅频特性曲线3.2.3 带通滤波器设计一般认为，肱动脉处脉搏波信号的频率范围为0.66.4Hz，这个范围基本能够涵盖正常和异常情况下的脉搏波信号及其个体差异。为此我们将设计一个带通滤波器来实现对这段频带范围内信号的采集。带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。从原理上说，将一个通带频率为f2的低通滤波器与一个通带频率为f1的高通滤波器串联起来，当满足条件f2f1时，即可构成带通滤波器，其原理示意图如图3-8所示。为此，我们设计截止频率为0.6Hz的高通滤波器和截止频率为6.4Hz的低通滤波器来提取脉搏波信号。2010Au 低通 f2 2010Au 高通 f12010Au 带通 f1 f2图3-8 带通滤波器原理示意图切比雪夫滤波器频率选择性较好，但在同样参数要求下，其传递函数极点分布于椭圆上，较分布于圆周上的巴特沃斯滤波器传递函数极点更接近单位。选用二阶巴特沃斯滤波器，滤波性能和稳定性较好，而且涵盖能够正常和异常情况下的血压信号及其个体差异。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器输出的脉动压力波如图3-9和图3-10所示7。图3-9 切比雪夫滤波器输出脉动波 图3-10 巴特沃思滤波器输出脉动波从图中可以看出切比雪夫滤波器输出的脉动波时域包络并不明显，无法计算出血压，而巴特沃思滤波器则能够清晰的得到抛物线状包络。所以我们采用巴特沃思滤波器来设计带通滤波器。（1）高通滤波器设计本设计采用巴特沃斯二阶压控电压源高通滤波器来滤除信号中的低频分量和直流分量，截止频率为0.6Hz，电路结构图如图3-11所示。图3-11 高通滤波器该滤波器的传递函数为： (3-11)滤波器的截止频率f0为0.6Hz。选定归一化系数B=1.414，C=1，令电路增益Avp=10，电容C3可任意取值，取C3=22F，由此可确定电路中各电阻电容值如下：(3-12) 取R5=4.7K，R6=30K，R3=5.1K，R4=4.7K，高通滤波器仿真所得的幅频特性曲线如图3-12所示。图3-12 高通滤波器仿真所得的幅频特性曲线（2）低通滤波器设计从高通滤波器输出的信号还包含了大量的工频和高频干扰，采用低通滤波器来滤除。此处低通滤波器的设计也采用了巴特沃斯型的二阶压控电压源滤波器。截止频率选定为6.4Hz。滤波器的传递函数和各参数之间的计算关系我们在前面已经给出，这里不再赘述。低通滤波器电路如图3-13所示。图3-13低通滤波器电路确定电阻和电容的计算关系式如同3.2.2的低通滤波器设计，可知R7=6.2K，R8=3.9K，R9=10K，R10=150K，C6=2u，C7=22u，通带截止频率为6.4Hz。由通带频率为0.6Hz二阶压控电压源低通滤波器和通带频率为6.4Hz二阶压控电压源高通滤波器构成的带通滤波器能够顺利的提取正常和异常情况下的脉搏波信号8。为以下模拟信号数字化，数字信号的处理做好了充分的准备，为设计能够顺利进行做好了基础。4 单片机系统设计 本系统的CPU是由单片机来实现的。在本系统中，单片机需要完成A/D转换的控制、数据传送的控制以及数据的运算处理等诸多功能，从性能、功耗、兼容性等各方面综合考虑，我们选用了AT89C51单片机。4.1单片机AT89C51AT89C51是美国ATMEL公司生产的电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器。器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8为中央处理器和Flash存储单元。AT89C51高性价比，能适用于各种控制领域。本设计采用的40引脚双列直插封装(DIP)的AT89C51单片机引脚分配如图4-1所示。图4-1 80C51单片机引脚各引脚功能如下：Vss(20)：接地。 Vcc(40)：接+5V电源。XTAL1(19)和XTAL2(18)：在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲。RST/VPD(9)：RST是复位信号输入端。当此输入端保持两个机器周期(24个振荡周期)的高电平，就可以完成复位操作。第二功能是VPD，即备用电源输入端，当主电源发生故障，降低到规定的低电平以下时，VPD将为片内RAM提供备用电源，以保证存贮在RAM中的信息不丢失。ALE/(30)：ALE是地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，用来锁存由P0口送出的低8位地址信号。在不访问外部存储器时，ALE以振荡频率1/6的固定速率输出脉冲信号。因此它可用作对外输出的时钟。但要注意，只要外接有存储器，则ALE端输出的就不再是连续的周期脉冲信号了。第二功能是用于对8751片内EPROM编程的脉冲输入端。 (29)：它是外部程序存储器ROM的读选通信号。在执行访问外部ROM指令的时候，会自动产生信号，而在访问外部数据存储器RAM或访问内部ROM时，不产生信号。 EA/ VPP (31)：访问外部存储器的控制信号。当EA为高电平时，访问内部程序存储器，但当程序计数器PC的值超过0FFFH(对8051/80C51/8751)或1FFFH(对(8052)时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。第二功能VPP为对8751片内EPROM的21伏编程电源输入。 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门，对端口写“1”可作为高阻输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8为双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8为双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16为地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8为地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口线上的内容，即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容，在整个访问期间不改变。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位I/O口。P3口能驱动(吸收或输出电流)4个LS型TTL负载。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途呈现的第二功能，如表4-1所示8。表4-1 P3口引脚第二功能端口接引第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2.INT0(外部中断 0）P3.3(外部中断 1）P3.4T0（定时/计数 0）P3.5T1(定时/计数 1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器写选通）4.2 时钟及复位电路设计AT89C51中有一个用于构成内部振荡的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷晶体谐振器一起构成自激振荡，电路示意图如图4-2所示。 石英晶体时：C1，C2=40PF+10pF 陶瓷谐振器：C1，C2=40pF+10pF图4-2 内部振荡电路示意图 电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，晶振和电容应可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。为了提高温度稳定性应采用温度稳定性能好的电容。本系统的时钟电路采用内部振荡电路如图4-3所示。C11和C12为30pF，石英晶体振荡器为11.059MHz。 图4-3 时钟电路及复位电路电路图单片机复位通过外部的复位电路实现。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器输出电平有复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电复位和按键复位两种方式。本设计采用上电复位，上图中C3为22uF，R3取1K。当电源接通时只要VCC的上升时间不超过1ms，就能实现自动上电复位9。4.3 ADC0809转换电路及内部结构及功能部件4.3.1 A/D转换系统由于经过低通滤波和带通滤波得到的信号为模拟信号，单片机无法对其进行操作和处理，就需要进行模拟量向数字量的转换。A/D转换器是将时间连续和幅值连续的模拟输入信号转换为时间离散、幅值也离散的N为二进制数字输出信号的电路。A/D转换器(ADC)一般要经过采样、保持、量化、及编码4个过程。在实际电路中，有写过程是合并进行的。本系统中，我们需要对袖带压力信号和脉动压力信号的处理，因此选用的A/D转换芯片至少满足两通道输入同时，考虑到8位的分辨率能满足测量的精度要求，并且8位数据由于正好是一个字节处理起来很方便，因此本设计采用ADC0809逐次比较式A/D转换器。ADC是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。它性能价格比较高，市场售价较低，购买也很方便，如图4-4所示。A/D转换系统电路连接图，本设计主要是ADC0809与单片机直接相连，对信号进行转换，送入单片机。 图4-4 A/D转换系统电路单片机通过P2.3、P2.4两个端口对ADC0809进行控制。P2.3连接到ADC0809的ALE和START两个端口，P2.4连接到ENABLE端口。ADDA、ADDB和ADDC与P2.0连接，输入通道定位在IN0和IN7端口上。单片机使用P0口从ADC0809获得数据。其中ALE信号与START信号连在一起，可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿便启动转换。4.3.2 ADC0809内部结构及功能部件ADC08098位8通道逐次逼近式A/D转换器，采用CMOS制造工艺。逐次型的ADC0809转换速度较快、精度较高，其分辨率为8 位，其逐次逼近的转换时间为100uS。ADC0809的内部逻辑结构框图如图4-5所示。主要包括8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器等部分。图4-5 ADC0809的内部逻辑结构框图上图中，多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用1个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A，B，C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。表4-2中C、B、A是三条通道的地址线。当地址所存信号ALE为高电平时，C、B、A 三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。当ALE一0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通，如表4-2所示。表4-2 ADC0809通道选择表输入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 A 01010101B 0011 0011C 000011118位A/D转换器是逐次迫近式，由控制与时序电路、逐次遏近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列如图4-6所示。其引脚功能如下：IN7IN0：模拟量输入通道。0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围05V、若信号过小，还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D转换过程中其值不应变化，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。 图4-6 ADC0809引脚图A，B，C地址线：A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择，引脚图中相应为ADDA、ADDB和ADDC。ALE：地址锁存允许信号。对应AIE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。D7D0：数据输出线。该数据输出线为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机上输出转换得到的数据。OE0，输出数据线呈高电阻态；OE1，输出转换得到的数据。CLK：时钟信号。ADC0809内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，通常使用频率为500kHz的时钟信号。EOC：转换结束状态信号。当EOC0时，正在进行转换；当EOC1时，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。Vcc：5V电源。Vref：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为5V（Vref(+)+5V、Vref()0V）。4.3.3 ADC0809的运行时序选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换。只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟后，才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复位ADC0809。ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的。ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。当ADC0809用于80C51单片机系统时，若80C51采用6MHz的晶振，这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换时间为130uS。A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器，此时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取之。单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器，A/D转换结果出现在DB0-DB7上。A/D转换时序如图4-7所示。EOC为转换结束输出信号，在A/D转换期间，EOC维持高电平，当A/D转换结束时，EOC变成高电平。ADC0809的START端收到下降沿后，并不立即进行A/D转换，EOC=1，而是延迟10uS后，才开始A/D转换，EOC变为低电平10。图4-7 ADC0809 读、写、启动以及A/D转换时序图4.4 自动充放气电路的设计本系统中采用单片机控制充气泵和放气阀对袖带自动充放气，在操作过程中排除了操作者主观因素影响，为测量的准确进行提供了必要的前提。自动充气控制的电路原理图如图4-8所示。图4-8 自动充气控制的电路原理图充气泵、放气阀工作与否采用对控制口的软件编程实现。本仪器中采用AT89C51的输入输出口P2.1控制充气泵，P2.2控制放气阀。考虑到单片机上电时P2口为高电平，而充气泵和放气阀都不应工作，我们将充气泵和放气阀工作的控制电平设定为低电平，这样避免了单片机上电时气泵和气阀多余的启停。充气泵、电磁阀都属于强电设备，其作业会对单片机控制系统产生严重的干扰，所以在设计过程中，应考虑到电气隔离问题。单片机控制系统和强电控制回路共地是引起干扰的主要原因，因为强电控制回路中的电流和电压往往很大，并会在强电设备和地之间形成强大的脉动干扰。这个脉动干扰必然会通过接地电阻和电容耦合到单片机回路中。消除这些脉冲干扰的最有效方法是使单片机弱电部分和强电控制电路的地隔开，在电气连接上切断它们彼此间的耦合通路。设计中采用双级隔离电路来切断强电设备充气泵和电磁阀启停时引起的冲激干扰。双级隔离是指光隔离器和继电器隔离，如图4-8所示。U6为光隔离器，Q1为外围驱动器，RELAY为继电器线圈，K为相应触点。光隔离器隔离的响应速度快，可达10s左右，但驱动能力小，继电器隔离适用于启动负荷大响应速度慢的动力设备，因为继电器触点的负载能力大，能直接控制强电动力设备11。4.5 控制按钮电路与显示电路控制电路和显示电路的主要功能是承担采集终端对生理信号的简单显示、对生理信号采集单元的控制，是控制系统与操作人员间交互的窗口。在测量血压时，使用按钮电路对系统经行控制，而显示电路则是对于我们请求的回应。实现了人与机器之间的交流，体现智能化的要求。4.5.1 控制按钮电路设计在单片机控制系统中，开关量的输入方法很多，常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。本设计采用行列式键盘电路设计，矩阵键盘接口电路如图4-9所示。通过单片机并口实现控制，本系统中暂时只用到4个按键，其中3个分别用来控制三种血压值信号的发送，另外一个作为控制显示单元的显示控制按钮。采用矩阵键盘是为了便于将来对系统的软件功能进行扩展，可以再设计更多不同功能键，使人机接口的内容更加丰富及完善。图4-9 键盘接口电路4.5.2 显示电路本文的采集终端的显示务必简单易懂，因此，对于血压信号只显示平均压、收缩压和舒张压三个数值。显示系统是单片机血压计不可或缺的部件。本次设计由于时间关系，就简要的介绍下显示电路，不做详细赘述。普遍使用的两类显示是数码管显示（LED）和液晶显示（LCD）。本论文采用的内置T6963C控制器的液晶显示，LCD不仅能显示字符、和数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字。这样也为将来血压计的发展提供了更多的扩展空间，不仅可以显示三种血压值，还可以显示心率图形等，具有更强大的功能12。内置T6963C控制器的240128T图形点阵液晶显示模块有20个引脚，各引脚的功能如表4-3所示。表4-3 液晶显示模块引脚功能表信号管脚功 能FG1地，以在模块中接地GND2电源地VCC3电源电压VEE4工作负电压5写信号，低电平有效6读信号，低电平有效7片选信号，低电平有效8指令/数据通道选择信号，1为指令通道，0为数据通道9复位信号，低电平有效DB0DB81017数据总线FS18字体选择V1、V21920空本设计中，采用直接访问方式将液晶显示模块与AT89C51单片机连接，具体的接口电路如图4-10所示。图4-10 液晶显示器与单片机接口电路图液晶显示模块的C/与AT89C55的P20相连，与P27口接一非门相连，因此液晶显示模块的指令口地址为#8100H，数据口地址为#8000H。电源控制端VEE是用以调节显示屏灰度的，调节该端的电压可以改变字符、图形颜色的深浅。一般利用可调电阻让该端电压在-15V-16V为宜，若电压过低，可能看不出屏上显示的内容13。5 软件设计系统软件主要是配合相关的硬件电路，顺利完成系统设计的功能。程序设计的主要思想为：系统上电后，首先由控制按钮通过各种启动按键向单片机、A/D转换电路发送信号采集命令，接到命令后转换电路便开始进行血压信号的采集、存储及发送。5.1 血压信号采集 （1） 主程序流程图本系统血压测量信号为2路，压力传感器的信号一路进行低通滤波处理，排除误差，之后送入AD1，作为袖带压力信号；另一路经过带通滤波器送入AD2作为脉搏波信号。由于ADC0809的A/D转换精度为8位，因此最高精度可达1/256。为了最大限度地利用A/D转换的采样速度，用中断来实现A/D转换后的数据处理。当A/D转换完毕，在中断程序中，用防脉冲干扰移动平均值法来实现简单有效的数字滤波，使测量更加准确。具体做法为在一次定时中断内连续进行5次A/D转换，去掉最大值和最小值，剩余3个数据求算术平均值，该算术平均值作为此次的A/D转换结果血压采集流程图如图5-1所示。图5-1 血压采集流程图（2） 主要算法袖带气压和脉搏波的波形特征一般如第2章图2-1所示。目前，比较一致的看法是：当袖带压力振荡波的振幅最大时，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个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。在此基础上分析信号，可得收缩压、舒张压和心率的算法。 收缩压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时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。Ps=P/Ui=Ks*Um （5-1） 舒张压舒张压的确定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时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。Pd=P/Ui=Kd*Um