基于MSP430F449的電子血壓計設(shè)計

 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。其中家用電子血壓計就是典型的家庭醫(yī)療檢測設(shè)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)點為數(shù)值穩(wěn)定，其缺點為無法一個人自行操作，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，其優(yōu)點為：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。電子式血壓計具備了諸多優(yōu)點，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之間模擬信號處理電路以及LCD顯示、語音提示，實現(xiàn)家用電子血壓計的設(shè)計。

血壓測量原理

血壓的概念就是血液流經(jīng)血管壁時的壓力。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，血液開始可以流通而產(chǎn)生所謂的袖帶聲，這時候表現(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候，記錄此點即為舒張壓。

電子血壓計工作原理

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)動器、鍵盤語音電路和單片機(jī)組成。

圖1 電子血壓計原理圖

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)分析計算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(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

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、時鐘發(fā)生電路、時鐘輸出電路、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，先充氣至200mmHg高，再慢慢以每秒約下降5mmHg的速度放氣。實現(xiàn)自動測量血壓。

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門設(shè)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，具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點;采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補償方式，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%、零點失調(diào)不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個運算放大器的低功耗放大芯片。本系統(tǒng)中內(nèi)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(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的信號通過)，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MAX4471進(jìn)行進(jìn)一步放大，得到單片機(jī)匹配的電壓信號，進(jìn)入ADC2，監(jiān)視血壓的交流分量。同時該信號通過低功耗比較器MAX9028轉(zhuǎn)換成脈沖信號，觸發(fā)ADC1工作。

4 日歷時鐘和存儲電路

如圖5所示，由EEPROM24C256和日歷時鐘芯片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(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(jìn)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。實用性強(qiáng)，克服了一些電子血壓計的不足。

圖5 日歷時鐘和存儲電路原理圖

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(zhuǎn)換、記憶、設(shè)置、上翻、下翻、刪除?？梢赃M(jìn)行日歷時鐘的設(shè)置，進(jìn)行報警參數(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(例如畫出血壓波動曲線)，方便直觀。

圖6 鍵盤和顯示電路

6 語音報壓和報警電路

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專利技術(shù)，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)。

圖7 語音報血壓，報警電路

4 結(jié)語

電子血壓計具有小型化、低功耗、智能化程度高的優(yōu)點，在使用上有便攜和易操作的特點，從而呈現(xiàn)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(shè)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(qū)動芯片實現(xiàn)了電子血壓計的設(shè)計。此設(shè)計用的芯片大部分都是低功耗的芯片，便于使用電池供電。同時設(shè)計實現(xiàn)了人性化，智能化的要求，就像一個家庭護(hù)士，對與高血壓患者以及中老年人來說十分方便，可以轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品，故有較高的實用價值。