基于MSP430FF449D單片機(jī)低功耗、智能化的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

一、血壓測(cè)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(cè)得的血壓，另一是舒張壓：是心臟在不收縮所測(cè)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。

二、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(yǔ)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(yǔ)音提示。

三、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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量血壓的日期、時(shí)間、測(cè)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(yǔ)音報(bào)壓和報(bào)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(qiáng)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(fù)錄放10萬(wàn)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(yǔ)音。通過事先錄制好的聲音，實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)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(yǔ)音報(bào)血壓，報(bào)警電路

四、結(jié)語(yǔ)

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。