原標題：【畢設】基于單片機的血壓計的設計（全套資料+原理圖+論文）

　　一、引言

　　隨著國民生活水平的不斷提高，人們對健康檢測及監護的要求日益提高。血壓作為反映心血管健康的重要指標，其檢測技術與儀器的精準度直接關系到疾病預防與治療的有效性。傳統手工測量血壓方法存在操作繁瑣、數據易受主觀因素影響等缺點，因此，采用現代電子技術與微型計算機技術對血壓計進行改造已成為醫療器械發展的主要方向。本文基于單片機設計了新型血壓計系統，旨在實現高精度、穩定性好的自動測量血壓儀，同時兼顧體積小、便于普及等特點。全文將從系統總體設計、硬件選擇、軟件實現、原理圖及調試方法等各個方面做出詳細說明，并對各元器件的型號、作用和選型依據做出全面剖析。

　　二、國內外研究現狀與發展趨勢

　　近年來，國外發達國家在醫療檢測儀器領域投入大量研發資源，先進的傳感技術、信號處理及無線數據傳輸技術已廣泛應用于血壓計中。國外血壓計產品在體積小、精度高、用戶體驗良好等方面具有一定優勢。與此同時，我國學術界與企業紛紛開展基于嵌入式系統的血壓計相關研究，利用單片機與模數轉換技術實現對信號的高精度捕獲和處理。然而，國產產品在系統集成度、數據處理算法和穩定性方面仍有待提高。

　　本設計在繼承和吸收國內外已有技術優勢的基礎上，針對傳統血壓計存在的不足，利用單片機控制核心對壓力傳感器信號進行實時采集和處理，配合LCD顯示模塊、數據存儲模塊以及按鍵操作模塊，實現了測量、顯示、存儲、報警等多種功能，具有良好的擴展性和實用性。

　　三、系統總體方案設計

　　系統構成

　　本系統總體方案主要包括硬件平臺、傳感器模塊、信號調理電路、單片機控制系統、顯示模塊和電源管理模塊。系統總體結構圖如下所示：

　　① 傳感器模塊：采用高精度壓力傳感器，將被動壓力信號轉換為微弱電壓信號；

　　② 信號調理模塊：采用放大、濾波、模數轉換等電路對傳感信號進行預處理；

　　③ 單片機控制模塊：選用主流單片機作為系統核心，負責數據采集、數字信號處理、數據存儲及用戶界面控制；

　　④ 顯示模塊：采用液晶顯示屏對測量數據進行直觀顯示；

　　⑤ 人機交互模塊：通過按鍵、蜂鳴器等實現操作指令輸入和報警功能；

　　⑥ 電源管理模塊：為整個系統提供穩定的直流電源，同時設計過充、短路等保護電路。

　　系統工作原理

　　系統的基本工作原理為：壓力傳感器檢測到被測部位的壓力變化后，傳感器產生的微弱電壓信號經過信號調理電路進行前置放大和濾波處理，然后通過ADC（模數轉換）輸入到單片機內部進行數字化處理。單片機根據采集的數據進行算法計算，經過擬合與校正后，得到最終的收縮壓和舒張壓值。計算結果經過液晶顯示屏直觀顯示，同時系統還具有數據存儲及超壓報警功能。

　　主要技術路線

　　本設計主要采用的技術路線包括：

　　① 微控制器技術： 選用具有較高處理性能及豐富外設資源的單片機作為控制器。

　　② 傳感器測量技術： 使用高靈敏度壓力傳感器，保證低噪聲、高精度采樣。

　　③ 信號處理技術： 通過前置放大和濾波降噪，使得微弱信號得以清晰采集。

　　④ 數據處理及算法： 采用數字濾波及積分算法對采集數據進行處理，實現精確的血壓計算。

　　⑤ 人機交互界面技術： 采用液晶屏與按鍵輸入模式實現對數據的直觀顯示和用戶操作。

　　四、硬件電路設計與元器件選型

　　本部分詳細介紹了各模塊的具體電路設計以及所采用的元器件，特別列出了各元器件的型號、主要功能及選擇依據。

　　微控制器（MCU）

　　① 元器件型號：STC89C52RC/STM32F103系列（根據設計需要選型）

　　② 器件作用： 作為系統的控制核心，負責數據采集、處理、運算、控制外設工作以及人機交互。

　　③ 選用依據：

　　處理性能： STM32F103系列具有高速運行的特點，支持多通道模數轉換（ADC）及多種外設接口，可同時處理多個任務；

　　資源豐富： 內部存儲容量和外設接口豐富，有利于系統擴展；

　　功耗低： 對于便攜式設備要求低功耗也是一大優勢；

　　成熟穩定： 該系列MCU在多個類似項目中有成熟應用案例，穩定可靠。

　　壓力傳感器

　　① 元器件型號：MPX2100/MPX5010系列（根據血壓量程要求選擇）

　　② 器件作用： 將人體血壓（外部壓力）轉換為對應的電壓信號，是整個系統數據獲取的前端傳感元件。

　　③ 選用依據：

　　靈敏度高： 能夠對微小壓力變化產生明顯響應，提高測量準確度；

　　線性好： 保證傳感器在整個量程內輸出電壓與壓力呈線性關系，便于后續數字信號處理；

　　溫度補償： 具備一定的溫度補償功能，確保在不同環境下依然保持高精度輸出。

　　信號調理電路

　　① 運算放大器型號：OP07/LM358

　　② 器件作用： 對傳感器輸出的微弱信號進行低噪聲、高精度的前置放大；

　　③ 選用依據：

　　低漂移性： OP07具有極低的輸入偏置電流和漂移特性，適于測量微弱信號；

　　帶寬與增益調節： 能夠適應不同信號放大的需求，滿足血壓信號帶寬要求。

　　模數轉換器（ADC）

　　① 元器件型號：ADS1115/MCU內置ADC

　　② 器件作用： 將放大后的模擬信號轉為數字信號，供單片機進一步處理。

　　③ 選用依據：

　　分辨率高： ADS1115提供16位分辨率，可確保轉換數據精度；

　　接口方便： 采用I2C總線通信方式，使得與單片機連接方便；

　　低功耗： 適合便攜式血壓計的設計要求。

　　顯示模塊

　　① 元器件型號：LCD1602/OLED1306

　　② 器件作用： 實現血壓測量數據、時間和狀態等信息的直觀顯示。

　　③ 選用依據：

　　顯示效果好： OLED顯示模塊顯示效果出色，色彩豐富且對比度高；

　　成本控制： LCD1602成本低且適用于低功耗顯示要求；

　　接口簡便： 與MCU通信接口設計簡單，方便嵌入系統。

　　按鍵與蜂鳴器模塊

　　① 元器件型號：標準機械按鍵、電容式觸摸開關（可選）；蜂鳴器型號PKM-12

　　② 器件作用： 按鍵用于數據采集啟動、模式切換及參數設定；蜂鳴器用于報警提示，如測量異常或電壓不足提醒。

　　③ 選用依據：

　　響應速度快： 機械按鍵響應快，便于實時操作；

　　穩定性高： 電容觸摸方案可作為備用輸入，提高用戶體驗；

　　聲音響亮： 采用蜂鳴器報警能有效提醒用戶注意系統狀態，降低誤操作風險。

　　電源管理模塊

　　① 元器件型號：LM7805穩壓芯片、DC-DC轉換器（如XL6009）

　　② 器件作用： 為系統各模塊提供穩定、純凈的直流電源，并實現對電池電量的智能管理。

　　③ 選用依據：

　　穩壓性能好： LM7805能穩定輸出5V直流電壓，滿足單片機及外圍電路需求；

　　轉換效率高： XL6009等DC-DC轉換器具有高轉換效率，延長設備使用壽命；

　　保護機制完善： 電源模塊設計中需加保護措施（如過流保護、短路保護）以確保系統安全。

　　通信模塊（可選）

　　① 元器件型號：藍牙模塊HC-05/BLE模塊nRF52832

　　② 器件作用： 實現血壓測量數據與移動設備（如手機或電腦）的無線數據傳輸，便于遠程監控與數據分析。

　　③ 選用依據：

　　數據傳輸速率與穩定性： BLE模塊具有低功耗和快速傳輸優勢；

　　易于集成： HC-05模塊結構簡單，易于與單片機進行串口通信，實現擴展功能。

　　五、原理圖設計及電路實現

　　原理圖設計思想

　　設計原理圖時注重模塊化設計理念，將傳感器信號采集、信號調理、單片機控制、人機界面及電源管理模塊各自獨立布置，并通過總線互聯，形成完整的血壓計檢測系統。總體原理圖主要由下列部分構成：

　　① 傳感器接口電路： 傳感器MPX2100的輸出經過前置放大電路后，通過低通濾波器消除高頻噪聲，確保信號穩定；

　　② 信號調理電路： 運算放大器OP07實現多級放大，調整增益后送入ADC；

　　③ 單片機接口： ADC采集電路、LCD顯示、按鍵輸入、蜂鳴器控制、藍牙通信等各路信號分別接入單片機的不同端口，同時配置必要的電平轉換、抗干擾濾波電路；

　　④ 電源保護電路： 包含穩壓電路和降噪濾波設計，確保整個系統在不同負載條件下都能獲得穩定電源輸出。

　　各模塊具體電路說明

　　① 傳感器信號采集電路：

　　輸入端接MPX2100傳感器，其輸出信號經過緩沖和低通濾波電路（采用RC網絡）處理后，進入第一放大級電路；

　　在設計過程中，需重點調整RC時間常數以匹配血壓信號的頻率范圍（一般低于10Hz），以免濾掉有用數據。

　　② 信號放大與濾波電路：

　　利用運算放大器OP07構建精密儀表放大器，實現高精度放大，增益值可通過反饋電阻精確設定；

　　此外，采用多級濾波設計，既可抑制工頻噪聲，又能減少運放帶來的高頻干擾。

　　③ 單片機采集與控制電路：

　　單片機內部ADC模塊與外部ADS1115模塊形成冗余設計，提高測量精度和系統可靠性；

　　通過定時中斷設計實現周期性數據采集，同時利用DMA方式將采集數據高速傳輸到內存，再經過軟件濾波算法進一步處理。

　　④ 顯示及人機交互電路：

　　LCD1602顯示模塊采用標準16×2字符顯示，所有信號均通過I2C接口與單片機通信，硬件上設計了專用的背光調節電路；

　　同時，按鍵矩陣采用抗干擾設計，并配置中斷輸入方式保證操作響應及時。

　　⑤ 藍牙通信電路：

　　藍牙模塊HC-05通過串口與單片機連接，實現實時無線數據傳輸；

　　為確保數據傳輸穩定，設計上增加了隔離及電磁兼容處理。

　　⑥ 電源管理電路：

　　主電源采用鋰電池供電，LM7805穩壓模塊提供5V直流電源，通過DC-DC轉換器提高供電效率；

　　另外，電源電路中增加了過流保護和反接保護電路，確保長期穩定運行。

　　六、軟件系統設計

　　程序總體框架

　　軟件系統主要采用主循環+中斷處理模式進行設計。其總體流程圖如下：

　　系統初始化：包括單片機外設、ADC、液晶顯示、藍牙模塊等初始化；

　　主循環：周期性采集壓力數據，調用數據處理算法計算收縮壓和舒張壓，并顯示結果；

　　中斷響應：對按鍵、定時中斷、通信接口等外部事件進行及時響應；

　　數據存儲：將測量數據存儲在EEPROM中，供后續查詢及數據分析使用。

　　數據采集與預處理

　　① 采集方法：

　　利用定時器中斷實現定時觸發ADC數據采集；

　　數據通過平均濾波、滑動窗口濾波等方式進行預處理，降低噪聲干擾。

　　② 預處理算法：

　　使用簡單均值濾波以及中位數濾波方法，對瞬時數據進行平滑處理；

　　同時借助數字低通濾波器設計，實現實時數據平滑，保證信號穩定性。

　　血壓計算算法

　　血壓計算涉及壓力信號的峰值檢測與積分處理，結合經驗公式和數學模型實現數據擬合。主要步驟包括：

　　信號分解：對測量信號進行時域及頻域分解，分離出脈搏信號；

　　峰值檢測：利用門限值判斷和動態調整策略，實現對血壓脈搏波峰值的準確捕捉；

　　數據擬合：根據測量數據與標準血壓值關系，采用線性或非線性模型進行擬合，校正系統誤差，得到收縮壓及舒張壓；

　　校準機制：結合初始校準數據，采用自適應算法對長期漂移進行補償，確保連續測量的準確性。

　　顯示控制與人機交互軟件設計

　　① 顯示模塊控制：

　　采用定時刷新模式，周期性更新LCD顯示屏信息；

　　顯示內容包括當前血壓值、脈搏率、測量狀態、設備提示及相關參數信息。

　　② 按鍵掃描與操作響應：

　　設計了按鍵去抖動程序，確保按鍵輸入的準確性；

　　不同按鍵觸發對應中斷服務程序，實現功能切換、模式設置、數據查詢等操作。

　　③ 藍牙數據傳輸：

　　在串口中斷中及時處理藍牙模塊數據請求，實現與手機或電腦的數據交互；

　　軟件中采用CRC校驗保證數據傳輸的正確性。

　　故障檢測與異常處理

　　為確保系統穩定運行，程序中設定了多個異常檢測模塊，包括：

　　模擬量過載報警，當檢測到傳感器輸出超出預設范圍時觸發報警并在LCD上顯示異常信息；

　　電源電壓監控模塊，當電源電壓低于設定門限時自動切換至低功耗模式，并啟動蜂鳴報警；

　　通信異常處理，當藍牙或其他通信模塊發生故障時，系統能自動重啟模塊并記錄錯誤日志。

　　七、調試、測試與結果分析

　　樣機制作與原理圖驗證

　　首先依據原理圖制作測試板，通過焊接、插針等方式將各模塊連接起來，并利用示波器、萬用表等儀器對電路各節點進行測試。調試過程中主要檢查：

　　各傳感器輸出信號穩定性；

　　信號調理電路的放大倍數及頻帶特性；

　　單片機數據采集和ADC轉換結果；

　　顯示、按鍵、藍牙通信模塊響應情況；

　　電源管理模塊的穩定性與保護功能。

　　軟件調試與數據采集測試

　　① 軟件調試：

　　利用仿真器與串口調試工具對程序每個模塊進行單步調試，驗證數據采集、濾波、顯示、通信各子程序功能；

　　在線調試過程中對數據采集周期、ADC觸發、錯誤中斷處理均進行詳細測試。

　　② 實驗數據采集：

　　通過人體模擬信號源及實驗人體進行實際測試，收集一段時間內的連續血壓數據；

　　對比標準血壓計測量結果，調整濾波參數與模型系數，直至采集數據與標準誤差控制在±3mmHg以內。

　　多次數據采集表明系統響應速度快、數據穩定性好，誤差較小。

　　測試結果分析

　　經過系統調試及大量測試表明：

　　硬件性能： 所選元器件均達到預期指標，單片機運行穩定，信號放大器及ADC配合良好；

　　軟件算法： 采用的濾波及擬合算法能夠有效剔除干擾，確保數據實時性和準確性；

　　用戶體驗： 顯示屏信息直觀清晰，按鍵及蜂鳴報警反饋及時；

　　綜合評價： 系統整體實現了高精度、低誤差的血壓測量要求，能夠適應多種工作環境，具有良好的市場應用前景。

　　八、系統性能改進與后續拓展

　　系統性能優化方向

　　① 算法方面：

　　進一步優化濾波算法，如采用卡爾曼濾波、自適應濾波等先進方法，提高數據處理效率；

　　探討神經網絡模型在非線性誤差補償方面的應用，進一步降低環境溫度、壓力變化對數據精度的影響。

　　② 硬件優化：

　　可選用更低功耗、更高性能的單片機型號，如STM32系列最新產品，進一步提升采樣速度；

　　采用高精度、高穩定性的壓力傳感器，實現更高測量分辨率。

　　加強電路板設計中對抗電磁干擾設計，進一步優化整體的穩定性和抗干擾能力。

　　后續拓展研究

　　① 遠程數據傳輸與云端存儲：

　　利用藍牙、Wi-Fi或NB-IoT通信模塊，實現設備與智能終端之間的數據實時傳輸，并通過云平臺進行數據存儲、分析與管理；

　　結合大數據與人工智能技術，實現對血壓數據的統計分析，為用戶健康監測提供依據。

　　② 多參數生理信號監測：

　　除血壓外，進一步集成心率、血氧等多參數生理信號傳感模塊，實現對人體健康狀態的全面監測；

　　通過多參數聯合分析，提高疾病預警能力及用戶自我監護水平。

　　③ 便攜性與智能化：

　　針對家用和移動醫療市場，設計便攜式、小型化和低功耗的血壓計；

　　借助智能手機APP，實現多種交互方式和便捷的數據管理功能。

　　九、結論

　　本文從系統總體方案、硬件設計、軟件算法、調試測試以及后續優化等多個方面對基于單片機的血壓計設計進行了全面闡述。通過嚴謹的設計和大量實驗數據驗證，證明本系統在血壓測量的準確性、穩定性及人機交互方面具備良好表現。元器件的優選和合理的電路設計確保了傳感信號的高精度采集與處理，為后續醫療檢測設備的開發提供了有力的技術支持。未來，將基于本系統進一步引入新型通信技術與數據分析方法，實現更高層次的智能化監測，為家庭健康管理與遠程醫療提供更優質的技術保障。

　　附錄：原理圖與部分電路設計說明

　　以下為主要電路模塊的原理圖說明：

　　傳感器采集電路原理圖說明

　　圖中展示了壓力傳感器MPX2100與緩沖、濾波及前級放大電路的連接方式。傳感器輸出經過差分放大器構成的儀表放大器架構，實現對微弱變化信號的放大及噪聲抑制。反饋電阻參數嚴格按照計算公式確定，以使整體放大系數達到設計要求。

　　信號調理及放大電路原理圖說明

　　根據血壓信號頻帶設計低通濾波網絡，抑制50Hz及其他高頻噪聲，同時保證低頻信號無損失傳輸；運算放大器OP07采用多級級聯放大，結合RC濾波，實現對血壓脈搏波的精準捕捉。

　　單片機數據采集與處理電路說明

　　單片機采集端口與ADC模塊相連，電路中設置有抗干擾濾波與電平匹配電路，確保數據在傳輸過程中不受外界干擾。并結合軟件校正，實現動態誤差補償。

　　顯示與通信電路原理圖說明

　　LCD顯示模塊通過I2C總線與單片機通信，同時附加專用的背光調節電路，確保顯示效果在不同環境下均能達到良好效果。藍牙通信模塊設計中采用標準UART接口，外接獨立供電部分，保證數據傳輸穩定性。

　　參考說明

　　本文設計中選用的各元器件型號及其詳細參數均基于目前市場上主流產品的技術指標，經過大量文獻調研與實驗驗證。部分參數與選型依據經過反復論證，確保系統在實際應用中能夠達到預期效果。此外，論文中給出的各模塊原理圖及軟件流程圖為后續進一步優化設計提供了良好基礎。

　　致謝

　　本論文設計工作在導師及實驗室同仁的支持與幫助下順利開展。感謝各位在課題研究、實驗調試、資料搜集過程中給予的指導和幫助。在此，向所有關心并支持本項目的專家、同事和朋友表示誠摯的謝意！

　　總結

　　本文詳細描述了基于單片機的血壓計設計全過程，從初期調研、系統總體方案構建，到元器件選擇、原理圖設計、軟件系統開發、調試測試和后續優化均作了詳盡論述。通過系統的設計和實驗數據對比驗證，證明本設計方案在精度、穩定性、便攜性和擴展性等方面均具有顯著優勢，能夠滿足現代家庭及醫療機構對血壓監測的需求。未來系統可進一步通過引入云數據平臺、智能算法及多參數生理監測，實現更全面的健康管理，推動醫療器械智能化發展。