基于plc单片机血压测量的设计

基于plc单片机的血压测量设计（陈碧强西北师范大学730070）摘要随着生活水平的提高，人们越来越观注自己的身体健康，血压是身体健康与否的一个重要指标。据2001年全国普查显示，我国平均每三个家庭就有一个高血压患者；慢性低血压的发病率为4%左右，其在老年人群中可高达10%。因此，研制既适合家庭保健人员又适合专业人士智能型血压计具有重要的意义。本文利用微弱信号的检测技术设计出动态血压测量计。该血压测量计可以进行简单的血压测量。本文以目前较为流行的PIC单片机PIC16F874为血压测量计的核心，利用Motorola公司的压力传感器将血液对血管壁的压力转换为电信号，并送入单片机中集成的A/D转换模块将血压信号转换为数字信号后进行显示、存储、传输等处理。关键词：血压；单片机；测量；PLC1引言因为在国民经济的各个部门都己渗透微机检测与控制系统。国防技术、航天、航空、铁路、冶金、化工等产业自是不必说，就连日常生活中也用上了微机测控技术，如电梯、微波炉、电冰箱等。由于单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低可靠性高、价格便宜、实用灵活、开发周期短、适合国情等诸多优点，因此，在工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电中随处可见其身影。而这些智能器件可以运用到以下领域：(1)、消费者服务领域，它主要应用到家庭器具和娱乐器件；(2)、汽车领域，每辆汽车都将近有50个单片机，它们提供智能化控制，例如报警系统、ABS和安全气囊；(3)、在办公自动化领域，主要包括PC机、键盘、复印机和打印机；(4)、无线电通信领域，包括便携式电话、寻呼机和电话应答机；五是在所有的工业应用领域，例如旅馆房间的门锁、自动化水龙头和工业控制。作为自动化专业的学生，掌握单片机基本知识，学会其运用，并为以后在此基础上结合相关领域设计智能化产品和提高某些产品性能具有重要的实践意义。在plc单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高plc单片机自身的可靠性是一种有效方法。2设计的总体思路及方法2.1系统硬件的总体设计血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩、舒张而不断变化，而人的心脏的收缩频率即心率比较低，一般在30-300bpm，由此血压脉动镶号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号，本设计是采用外接式的结构，以PIC16F874单片机为核心，由其内部自带的10位8通道A/D转换模块构成的采样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口COMI或COMZ，形成种连续数据采集串行数据传输的方式。硬件设计如图2-1所示。图2-1硬件设计图2.1.1采样频率图中A0-A7为传感器采集来的血压信号经过调理后的0-5v的标准信号。由于人的心率一般在30-300bpm范围内，因而血压信号的有效频率范围较小。根据采样定理，(采样频率只要能大于信号频率的2倍理论上采样后的数据就能还原原始信号)，并参考其它血压计和心电启示录仪的采样频率，本文选取每个通道的采样频率为250Hz对血压信号进行采样，能足够满足数据的处理需要。为充分利用硬件潜力，根据需要可以通过键盘或PC机来设置采样速率。2.1.2分辨率PIC16F874单片机A/D转换位数为10位，则分辨率为1/210或约为满刻度的0.1%。由采样位数为10位，即需2个字节来存储，1秒钟就采样500个字节。由于设计要求的采样精度为3%，所以可以去掉结果的低两位，即用一个字节来存储采样结果。采用这种方式系统的精度将降低，省略掉的两位最大占满刻度的3/1024，对系统的测量结果影响较小。2.1.3数据传输率为减小系统的功耗和增加数据传输的可靠性，数据传输速率将根据采样的通道数目进行设定。若只对一个通道进行采样，则每秒钟将产生250个字节的数据，选择串行传送的波特率为9600bps，则大约1ms就能传送一个字节，ls可以传送大约1K个字节，所以可以满足要求。2.1.4硬件工作流程图由于采样的频率较低，硬件设计就采用每采集一次血压信号就将结果通过串行端口传送给上位机，便于连上位机(PC机)对数据进行实时处理。图2-2硬件工作流程图硬件工作流程图如图2-2所示。电源开启过后，若有必要修改系统的默认参数，将由键盘输入或PC机对其进行设置。经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作。初始化完成之后，将启动A/D转换，等待直至A/D转换结束。然后将A/D转换结果送入上位机。待采样的时间达1秒钟后将分析数据结果，求出最大值和最小值，经过一些处理后即为收缩压和舒张压。将它们送往LED数码管进行显示。否否开电源由键盘输入设置参数启动A/D转换转换结束否？传输数据显示结果需结束否？结束2.2微弱信号的检测方法提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法有两类。一是传感器及放大器入手，从降低它们的固有噪声水平，或研制新的低噪声传感器。另一是分析测员中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。微弱信号检测是利用后一种途径。但应注意，从噪声中提取信息，首先需在尽量降低噪声的基础上进行。微弱信号的检测方法随信号类型不同而不同，目前常用的和比较成功的方法有以下几种。2.2.1信号的窄带化及相干检测技术单频余弦(或正弦)信号，或频带很窄的正、余弦信号，由于信号频率固定，我们以通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除。这种技术称为窄化技术。如果信号具有相干性，而噪声具有无相干性，则可利用相干检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，即可把与信号频率相同，但相位不同的噪声大量排除。2.2.2时域信号的平均处理信号若是脉冲波序列，则信号有很宽的频域，因此相干检测常无用武之地。这时，可根据噪声是随机的，多次测量的平均可排除噪声的影响，接近信号真实值的特性来进行测量。这种逐点多次采测，求平均的方法，称为平均处理。积累平均器(Boxcar)是电信号时域处理的主要设备。2.2.3离散量的计数统计有些信号，可看成是一些极窄的脉冲信号，人们关心的是单位时间到达的脉冲数，而不是脉冲的形状。这些脉冲的计数统计方法，要选择或设计传感器，能使信号有尽量相近的窄脉冲幅度输出，要利用幅度甄别器，大量排除噪声计数，要利用信号的统计规律，来决定测盘参数的作数据修正。目前比较成熟的离散量测量仪器是光子计数器。2.2.4并行检测有些事件只发生一次，如单次闪光光谱，或者希望在测量的范围内用扫描方式同时获得结果，这就需要并行检测方法。并行检测需要用传感器阵列，而每个传感器必须有存储效应，使数据能依次读出。传统的光并行检测，是用感光乳胶，主要适用于光图像，其灵敏度较低，后处理繁重、困难。目前出现摄像管、二极管列阵、CCD列阵等光电多元传感器，可结合多路传输、多道技术，获取模拟电信号，或转变成数字信息，从而实现快速并行检测。2.2.5自透应噪声抵消这是自适应信号处理的一种形式，它利用一个与原始输入相关的噪声来抵消原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸变的有用信号，提高系统的信噪比。自适应噪声抵消系统需要一个附加的参考输入。这种方法在地球生理、生物医学、通信和测量设备中均有很大的应用价值。2.2.6计算机数字处理随着计算机的发展，原来一些需要硬件完成的任务，可用软件来实现，我们可利用曲线拟合(平滑)、逐点平均、数字滤波、快速付立叶变换(FFT)及取最大熵估计等众多的数字信号处理方法，对含有噪声的信号进行处理，从而提高信噪比。对血压信号，我们采用了先进的Motorola专用的压力传感器和放大器，其输出己被调理为0-5V电压信号。此信号经过采集硬件后送入到计算机进行数字处理，能达到很高的处理精度。2.3采集系统基本组成采集系统包括硬件和软件两大部分。如图2-3所示为硬件的基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量。通常把传感器输出到A/D转换器输入的这一段信号通道称为模拟通道。图2-3采集系统硬件基本组成示意图放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片愉出电压变化只有几个毫伏：人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入5-10V的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到组抗变换器的作用来缓冲输入信号。传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种锅合渠道使信号通道感染上噪声。这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关后面的单元电路实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，如采样/保持电路、A/D及处理器电路等，只需一套即可，这样节省成本和体积。模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前(每通道一个)，还可实现对瞬时信号进行同时采样。采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力，精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器的种类较多。A/D转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。2.4采样方式的选择模拟信号首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主要是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器按照预定的时间间隔对模拟信号离散化，从而把连续的模拟信号转化成离散的脉冲子样，再由模数转换器(ADC)把离散子样进行量化编码，使之变成数字信号送到处理器进行数字处理。数字处理一般由数字计算机来完成。均匀采样定理：一个在频谱中不包含大于频率fm的分量的有限频带信号，由对该信号以不大于1/2fm的时间间隔进行采样的采样值唯一地确定。当这样的采样信号通过其截止频率Wc满足条件的理想低通滤波器后，可以将原信号完全重建。采样定理为我们确定采样频率提供了理论依据，但在具体实现由连续信号到离散信号的转换时，又涉及采样方式问题。图2-4是采样方式分类图：图2-4采样方式分类图基本采样方式可分为两大类：实时采样(Read-TimeSampling)和等效时间采样(Equivalent-Timesampling)。对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后，经过采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入存储器。实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。本设计采集系统的采样方式选择为实时采样，即采用相等的时间间隔对血压信号进行连续采样，每次采样经数字化后将结果送入PC机进行存储。血压数据处理软件再对这些存储结果进行分析处理。