基于MSP430F449的電子血壓計設計

　　隨著(zhù)生活水平的不斷提高以及城市老齡化比例的提高，醫療電子設備的家庭化逐漸成為了趨勢。其中家用電子血壓計就是典型的家庭醫療檢測設備之一。目前血壓計大致上可分為兩種：一是水銀式血壓計，其優(yōu)點(diǎn)為數值穩定，其缺點(diǎn)為無(wú)法一個(gè)人自行操作，必須專(zhuān)業(yè)醫護人員操作，且肉眼觀(guān)察誤差極大，主觀(guān)性強，體積較大不易攜帶。二是電子式血壓計，其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡(jiǎn)易，可一人獨自操作；測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計具備了諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)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之間模擬信號處理電路以及LCD顯示、語(yǔ)音提示，實(shí)現家用電子血壓計的設計。

　　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(lái)的血液，需要有推力，才能繞行身體一周，心臟就是借著(zhù)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。當袖帶的壓力等于血壓時(shí)，血液開(kāi)始可以流通而產(chǎn)生所謂的袖帶聲，這時(shí)候表現為收縮壓，從這一刻開(kāi)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。

　　電子血壓計工作原理

　　系統框圖如圖1所示。系統由恒流源、壓力傳感器、放大電路、帶通濾波、二次放大、血壓脈沖觸發(fā)、液晶驅動(dòng)器、鍵盤(pán)語(yǔ)音電路和單片機組成。

　　　　　　　　　                         圖1 電子血壓計原理圖

　　單片機主要原理為：PWM輸出控制氣泵充氣漏氣調整袖帶內氣壓；一路ADC采樣袖帶內氣壓直流分量以便取得收縮壓和舒張壓；一路ADC采樣袖帶內氣壓交流分量經(jīng)分析計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(jìn)行數值的語(yǔ)音提示。

　　硬件設計

　　1 MSP430FF449D單片機主控電路

　　本系統主控電路如圖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用于下載和調試程序，PWM波輸出電路用于控制氣泵。當測量血壓時(shí)，先充氣至200mmHg高，再慢慢以每秒約下降5mmHg的速度放氣。實(shí)現自動(dòng)測量血壓。

　　　　　　                  圖2 電子血壓計主控電路

　　2 血壓傳感電路

　　如圖3所示，本電路采用BP01型壓力傳感器和運放MAX4472。BP01型壓力傳感器是為檢測血壓而專(zhuān)門(mén)設計的，主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線(xiàn)性、低噪聲和外界應力小的特點(diǎn)；采用內部標定和溫度補償方式，提高了測量精度、穩定性和重復性，在全量程范圍內，精度為±1%、零點(diǎn)失調不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個(gè)運算放大器的低功耗放大芯片。本系統中內部集成運放A接恒流源，為壓力傳感器提供恒定的電流，運放B和運放C，運放D組成差分輸入、單端輸出放大電路，直接輸入ADC0監視血壓直流分量。

　　　　　　                                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，可以構成低通、帶通、高通、等多種方式，使用靈活，性能遠遠優(yōu)于采用集成運放組成的濾波電路。

　　　　　　                                        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構成帶通濾波器（允許0.8～38Hz的信號通過(guò)），濾掉信號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(guò)MAX4471進(jìn)行進(jìn)一步放大，得到單片機匹配的電壓信號，進(jìn)入ADC2，監視血壓的交流分量。同時(shí)該信號通過(guò)低功耗比較器MAX9028轉換成脈沖信號，觸發(fā)ADC1工作。

　　4 日歷時(shí)鐘和存儲電路

　　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的存儲器，用于存儲測量的血壓值。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內含I2C總線(xiàn)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(xún)使用。方便于使用者對自己一段時(shí)間的血壓有個(gè)清晰的記憶。實(shí)用性強，克服了一些電子血壓計的不足。

　　　　　　                           圖5 日歷時(shí)鐘和存儲電路原理圖

　　5 鍵盤(pán)和顯示電路

　　如圖6所示，由鍵盤(pán)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(pán)電路采用獨立式按鍵，有7個(gè)按鍵，分別為測量、mmHg/kPa轉換、記憶、設置、上翻、下翻、刪除?？梢赃M(jìn)行日歷時(shí)鐘的設置，進(jìn)行報警參數的設置，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，當前的時(shí)間和日歷；在查詢(xún)狀態(tài)時(shí)可以實(shí)現以往測量血壓的日期、時(shí)間、測量值，同時(shí)可以通過(guò)軟件編程實(shí)現歷史數據的圖形化顯示（例如畫(huà)出血壓波動(dòng)曲線(xiàn)），方便直觀(guān)。

　　　　                                     圖6 鍵盤(pán)和顯示電路

　　6 語(yǔ)音報壓和報警電路

　　本電路如圖7所示，主要由集成語(yǔ)音芯片ISD2560組成。ISD2560是Winbond公司生產(chǎn)的一款具有較強功能的語(yǔ)音錄放芯片，是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，錄音時(shí)間為60s，可重復錄放10萬(wàn)次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專(zhuān)利技術(shù)，能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)音。通過(guò)事先錄制好的聲音，實(shí)現血壓測量值的自動(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)揮報警，提醒使用者就醫。

　　　                                                圖7 語(yǔ)音報血壓，報警電路

　　4 結語(yǔ)

　　電子血壓計具有小型化、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)，從而呈現出家用化的趨勢。本文給出了完整的攜帶式電子血壓計硬件設計方案，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 驅動(dòng)芯片實(shí)現了電子血壓計的設計。此設計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)設計實(shí)現了人性化，智能化的要求，就像一個(gè)家庭護士，對與高血壓患者以及中老年人來(lái)說(shuō)十分方便，可以轉化為實(shí)際產(chǎn)品，故有較高的實(shí)用價(jià)值。