原标题：【毕设】基于单片机的血压计的设计（全套资料+原理图+论文）

　　一、引言

　　随着国民生活水平的不断提高，人们对健康检测及监护的要求日益提高。血压作为反映心血管健康的重要指标，其检测技术与仪器的精准度直接关系到疾病预防与治疗的有效性。传统手工测量血压方法存在操作繁琐、数据易受主观因素影响等缺点，因此，采用现代电子技术与微型计算机技术对血压计进行改造已成为医疗器械发展的主要方向。本文基于单片机设计了新型血压计系统，旨在实现高精度、稳定性好的自动测量血压仪，同时兼顾体积小、便于普及等特点。全文将从系统总体设计、硬件选择、软件实现、原理图及调试方法等各个方面做出详细说明，并对各元器件的型号、作用和选型依据做出全面剖析。

　　二、国内外研究现状与发展趋势

　　近年来，国外发达国家在医疗检测仪器领域投入大量研发资源，先进的传感技术、信号处理及无线数据传输技术已广泛应用于血压计中。国外血压计产品在体积小、精度高、用户体验良好等方面具有一定优势。与此同时，我国学术界与企业纷纷开展基于嵌入式系统的血压计相关研究，利用单片机与模数转换技术实现对信号的高精度捕获和处理。然而，国产产品在系统集成度、数据处理算法和稳定性方面仍有待提高。

　　本设计在继承和吸收国内外已有技术优势的基础上，针对传统血压计存在的不足，利用单片机控制核心对压力传感器信号进行实时采集和处理，配合LCD显示模块、数据存储模块以及按键操作模块，实现了测量、显示、存储、报警等多种功能，具有良好的扩展性和实用性。

　　三、系统总体方案设计

　　系统构成

　　本系统总体方案主要包括硬件平台、传感器模块、信号调理电路、单片机控制系统、显示模块和电源管理模块。系统总体结构图如下所示：

　　① 传感器模块：采用高精度压力传感器，将被动压力信号转换为微弱电压信号；

　　② 信号调理模块：采用放大、滤波、模数转换等电路对传感信号进行预处理；

　　③ 单片机控制模块：选用主流单片机作为系统核心，负责数据采集、数字信号处理、数据存储及用户界面控制；

　　④ 显示模块：采用液晶显示屏对测量数据进行直观显示；

　　⑤ 人机交互模块：通过按键、蜂鸣器等实现操作指令输入和报警功能；

　　⑥ 电源管理模块：为整个系统提供稳定的直流电源，同时设计过充、短路等保护电路。

　　系统工作原理

　　系统的基本工作原理为：压力传感器检测到被测部位的压力变化后，传感器产生的微弱电压信号经过信号调理电路进行前置放大和滤波处理，然后通过ADC（模数转换）输入到单片机内部进行数字化处理。单片机根据采集的数据进行算法计算，经过拟合与校正后，得到最终的收缩压和舒张压值。计算结果经过液晶显示屏直观显示，同时系统还具有数据存储及超压报警功能。

　　主要技术路线

　　本设计主要采用的技术路线包括：

　　① 微控制器技术： 选用具有较高处理性能及丰富外设资源的单片机作为控制器。

　　② 传感器测量技术： 使用高灵敏度压力传感器，保证低噪声、高精度采样。

　　③ 信号处理技术： 通过前置放大和滤波降噪，使得微弱信号得以清晰采集。

　　④ 数据处理及算法： 采用数字滤波及积分算法对采集数据进行处理，实现精确的血压计算。

　　⑤ 人机交互界面技术： 采用液晶屏与按键输入模式实现对数据的直观显示和用户操作。

　　四、硬件电路设计与元器件选型

　　本部分详细介绍了各模块的具体电路设计以及所采用的元器件，特别列出了各元器件的型号、主要功能及选择依据。

　　微控制器（MCU）

　　① 元器件型号：STC89C52RC/STM32F103系列（根据设计需要选型）

　　② 器件作用： 作为系统的控制核心，负责数据采集、处理、运算、控制外设工作以及人机交互。

　　③ 选用依据：

　　处理性能： STM32F103系列具有高速运行的特点，支持多通道模数转换（ADC）及多种外设接口，可同时处理多个任务；

　　资源丰富： 内部存储容量和外设接口丰富，有利于系统扩展；

　　功耗低： 对于便携式设备要求低功耗也是一大优势；

　　成熟稳定： 该系列MCU在多个类似项目中有成熟应用案例，稳定可靠。

　　压力传感器

　　① 元器件型号：MPX2100/MPX5010系列（根据血压量程要求选择）

　　② 器件作用： 将人体血压（外部压力）转换为对应的电压信号，是整个系统数据获取的前端传感元件。

　　③ 选用依据：

　　灵敏度高： 能够对微小压力变化产生明显响应，提高测量准确度；

　　线性好： 保证传感器在整个量程内输出电压与压力呈线性关系，便于后续数字信号处理；

　　温度补偿： 具备一定的温度补偿功能，确保在不同环境下依然保持高精度输出。

　　信号调理电路

　　① 运算放大器型号：OP07/LM358

　　② 器件作用： 对传感器输出的微弱信号进行低噪声、高精度的前置放大；

　　③ 选用依据：

　　低漂移性： OP07具有极低的输入偏置电流和漂移特性，适于测量微弱信号；

　　带宽与增益调节： 能够适应不同信号放大的需求，满足血压信号带宽要求。

　　模数转换器（ADC）

　　① 元器件型号：ADS1115/MCU内置ADC

　　② 器件作用： 将放大后的模拟信号转为数字信号，供单片机进一步处理。

　　③ 选用依据：

　　分辨率高： ADS1115提供16位分辨率，可确保转换数据精度；

　　接口方便： 采用I2C总线通信方式，使得与单片机连接方便；

　　低功耗： 适合便携式血压计的设计要求。

　　显示模块

　　① 元器件型号：LCD1602/OLED1306

　　② 器件作用： 实现血压测量数据、时间和状态等信息的直观显示。

　　③ 选用依据：

　　显示效果好： OLED显示模块显示效果出色，色彩丰富且对比度高；

　　成本控制： LCD1602成本低且适用于低功耗显示要求；

　　接口简便： 与MCU通信接口设计简单，方便嵌入系统。

　　按键与蜂鸣器模块

　　① 元器件型号：标准机械按键、电容式触摸开关（可选）；蜂鸣器型号PKM-12

　　② 器件作用： 按键用于数据采集启动、模式切换及参数设定；蜂鸣器用于报警提示，如测量异常或电压不足提醒。

　　③ 选用依据：

　　响应速度快： 机械按键响应快，便于实时操作；

　　稳定性高： 电容触摸方案可作为备用输入，提高用户体验；

　　声音响亮： 采用蜂鸣器报警能有效提醒用户注意系统状态，降低误操作风险。

　　电源管理模块

　　① 元器件型号：LM7805稳压芯片、DC-DC转换器（如XL6009）

　　② 器件作用： 为系统各模块提供稳定、纯净的直流电源，并实现对电池电量的智能管理。

　　③ 选用依据：

　　稳压性能好： LM7805能稳定输出5V直流电压，满足单片机及外围电路需求；

　　转换效率高： XL6009等DC-DC转换器具有高转换效率，延长设备使用寿命；

　　保护机制完善： 电源模块设计中需加保护措施（如过流保护、短路保护）以确保系统安全。

　　通信模块（可选）

　　① 元器件型号：蓝牙模块HC-05/BLE模块nRF52832

　　② 器件作用： 实现血压测量数据与移动设备（如手机或电脑）的无线数据传输，便于远程监控与数据分析。

　　③ 选用依据：

　　数据传输速率与稳定性： BLE模块具有低功耗和快速传输优势；

　　易于集成： HC-05模块结构简单，易于与单片机进行串口通信，实现扩展功能。

　　五、原理图设计及电路实现

　　原理图设计思想

　　设计原理图时注重模块化设计理念，将传感器信号采集、信号调理、单片机控制、人机界面及电源管理模块各自独立布置，并通过总线互联，形成完整的血压计检测系统。总体原理图主要由下列部分构成：

　　① 传感器接口电路： 传感器MPX2100的输出经过前置放大电路后，通过低通滤波器消除高频噪声，确保信号稳定；

　　② 信号调理电路： 运算放大器OP07实现多级放大，调整增益后送入ADC；

　　③ 单片机接口： ADC采集电路、LCD显示、按键输入、蜂鸣器控制、蓝牙通信等各路信号分别接入单片机的不同端口，同时配置必要的电平转换、抗干扰滤波电路；

　　④ 电源保护电路： 包含稳压电路和降噪滤波设计，确保整个系统在不同负载条件下都能获得稳定电源输出。

　　各模块具体电路说明

　　① 传感器信号采集电路：

　　输入端接MPX2100传感器，其输出信号经过缓冲和低通滤波电路（采用RC网络）处理后，进入第一放大级电路；

　　在设计过程中，需重点调整RC时间常数以匹配血压信号的频率范围（一般低于10Hz），以免滤掉有用数据。

　　② 信号放大与滤波电路：

　　利用运算放大器OP07构建精密仪表放大器，实现高精度放大，增益值可通过反馈电阻精确设定；

　　此外，采用多级滤波设计，既可抑制工频噪声，又能减少运放带来的高频干扰。

　　③ 单片机采集与控制电路：

　　单片机内部ADC模块与外部ADS1115模块形成冗余设计，提高测量精度和系统可靠性；

　　通过定时中断设计实现周期性数据采集，同时利用DMA方式将采集数据高速传输到内存，再经过软件滤波算法进一步处理。

　　④ 显示及人机交互电路：

　　LCD1602显示模块采用标准16×2字符显示，所有信号均通过I2C接口与单片机通信，硬件上设计了专用的背光调节电路；

　　同时，按键矩阵采用抗干扰设计，并配置中断输入方式保证操作响应及时。

　　⑤ 蓝牙通信电路：

　　蓝牙模块HC-05通过串口与单片机连接，实现实时无线数据传输；

　　为确保数据传输稳定，设计上增加了隔离及电磁兼容处理。

　　⑥ 电源管理电路：

　　主电源采用锂电池供电，LM7805稳压模块提供5V直流电源，通过DC-DC转换器提高供电效率；

　　另外，电源电路中增加了过流保护和反接保护电路，确保长期稳定运行。

　　六、软件系统设计

　　程序总体框架

　　软件系统主要采用主循环+中断处理模式进行设计。其总体流程图如下：

　　系统初始化：包括单片机外设、ADC、液晶显示、蓝牙模块等初始化；

　　主循环：周期性采集压力数据，调用数据处理算法计算收缩压和舒张压，并显示结果；

　　中断响应：对按键、定时中断、通信接口等外部事件进行及时响应；

　　数据存储：将测量数据存储在EEPROM中，供后续查询及数据分析使用。

　　数据采集与预处理

　　① 采集方法：

　　利用定时器中断实现定时触发ADC数据采集；

　　数据通过平均滤波、滑动窗口滤波等方式进行预处理，降低噪声干扰。

　　② 预处理算法：

　　使用简单均值滤波以及中位数滤波方法，对瞬时数据进行平滑处理；

　　同时借助数字低通滤波器设计，实现实时数据平滑，保证信号稳定性。

　　血压计算算法

　　血压计算涉及压力信号的峰值检测与积分处理，结合经验公式和数学模型实现数据拟合。主要步骤包括：

　　信号分解：对测量信号进行时域及频域分解，分离出脉搏信号；

　　峰值检测：利用门限值判断和动态调整策略，实现对血压脉搏波峰值的准确捕捉；

　　数据拟合：根据测量数据与标准血压值关系，采用线性或非线性模型进行拟合，校正系统误差，得到收缩压及舒张压；

　　校准机制：结合初始校准数据，采用自适应算法对长期漂移进行补偿，确保连续测量的准确性。

　　显示控制与人机交互软件设计

　　① 显示模块控制：

　　采用定时刷新模式，周期性更新LCD显示屏信息；

　　显示内容包括当前血压值、脉搏率、测量状态、设备提示及相关参数信息。

　　② 按键扫描与操作响应：

　　设计了按键去抖动程序，确保按键输入的准确性；

　　不同按键触发对应中断服务程序，实现功能切换、模式设置、数据查询等操作。

　　③ 蓝牙数据传输：

　　在串口中断中及时处理蓝牙模块数据请求，实现与手机或电脑的数据交互；

　　软件中采用CRC校验保证数据传输的正确性。

　　故障检测与异常处理

　　为确保系统稳定运行，程序中设定了多个异常检测模块，包括：

　　模拟量过载报警，当检测到传感器输出超出预设范围时触发报警并在LCD上显示异常信息；

　　电源电压监控模块，当电源电压低于设定门限时自动切换至低功耗模式，并启动蜂鸣报警；

　　通信异常处理，当蓝牙或其他通信模块发生故障时，系统能自动重启模块并记录错误日志。

　　七、调试、测试与结果分析

　　样机制作与原理图验证

　　首先依据原理图制作测试板，通过焊接、插针等方式将各模块连接起来，并利用示波器、万用表等仪器对电路各节点进行测试。调试过程中主要检查：

　　各传感器输出信号稳定性；

　　信号调理电路的放大倍数及频带特性；

　　单片机数据采集和ADC转换结果；

　　显示、按键、蓝牙通信模块响应情况；

　　电源管理模块的稳定性与保护功能。

　　软件调试与数据采集测试

　　① 软件调试：

　　利用仿真器与串口调试工具对程序每个模块进行单步调试，验证数据采集、滤波、显示、通信各子程序功能；

　　在线调试过程中对数据采集周期、ADC触发、错误中断处理均进行详细测试。

　　② 实验数据采集：

　　通过人体模拟信号源及实验人体进行实际测试，收集一段时间内的连续血压数据；

　　对比标准血压计测量结果，调整滤波参数与模型系数，直至采集数据与标准误差控制在±3mmHg以内。

　　多次数据采集表明系统响应速度快、数据稳定性好，误差较小。

　　测试结果分析

　　经过系统调试及大量测试表明：

　　硬件性能： 所选元器件均达到预期指标，单片机运行稳定，信号放大器及ADC配合良好；

　　软件算法： 采用的滤波及拟合算法能够有效剔除干扰，确保数据实时性和准确性；

　　用户体验： 显示屏信息直观清晰，按键及蜂鸣报警反馈及时；

　　综合评价： 系统整体实现了高精度、低误差的血压测量要求，能够适应多种工作环境，具有良好的市场应用前景。

　　八、系统性能改进与后续拓展

　　系统性能优化方向

　　① 算法方面：

　　进一步优化滤波算法，如采用卡尔曼滤波、自适应滤波等先进方法，提高数据处理效率；

　　探讨神经网络模型在非线性误差补偿方面的应用，进一步降低环境温度、压力变化对数据精度的影响。

　　② 硬件优化：

　　可选用更低功耗、更高性能的单片机型号，如STM32系列最新产品，进一步提升采样速度；

　　采用高精度、高稳定性的压力传感器，实现更高测量分辨率。

　　加强电路板设计中对抗电磁干扰设计，进一步优化整体的稳定性和抗干扰能力。

　　后续拓展研究

　　① 远程数据传输与云端存储：

　　利用蓝牙、Wi-Fi或NB-IoT通信模块，实现设备与智能终端之间的数据实时传输，并通过云平台进行数据存储、分析与管理；

　　结合大数据与人工智能技术，实现对血压数据的统计分析，为用户健康监测提供依据。

　　② 多参数生理信号监测：

　　除血压外，进一步集成心率、血氧等多参数生理信号传感模块，实现对人体健康状态的全面监测；

　　通过多参数联合分析，提高疾病预警能力及用户自我监护水平。

　　③ 便携性与智能化：

　　针对家用和移动医疗市场，设计便携式、小型化和低功耗的血压计；

　　借助智能手机APP，实现多种交互方式和便捷的数据管理功能。

　　九、结论

　　本文从系统总体方案、硬件设计、软件算法、调试测试以及后续优化等多个方面对基于单片机的血压计设计进行了全面阐述。通过严谨的设计和大量实验数据验证，证明本系统在血压测量的准确性、稳定性及人机交互方面具备良好表现。元器件的优选和合理的电路设计确保了传感信号的高精度采集与处理，为后续医疗检测设备的开发提供了有力的技术支持。未来，将基于本系统进一步引入新型通信技术与数据分析方法，实现更高层次的智能化监测，为家庭健康管理与远程医疗提供更优质的技术保障。

　　附录：原理图与部分电路设计说明

　　以下为主要电路模块的原理图说明：

　　传感器采集电路原理图说明

　　图中展示了压力传感器MPX2100与缓冲、滤波及前级放大电路的连接方式。传感器输出经过差分放大器构成的仪表放大器架构，实现对微弱变化信号的放大及噪声抑制。反馈电阻参数严格按照计算公式确定，以使整体放大系数达到设计要求。

　　信号调理及放大电路原理图说明

　　根据血压信号频带设计低通滤波网络，抑制50Hz及其他高频噪声，同时保证低频信号无损失传输；运算放大器OP07采用多级级联放大，结合RC滤波，实现对血压脉搏波的精准捕捉。

　　单片机数据采集与处理电路说明

　　单片机采集端口与ADC模块相连，电路中设置有抗干扰滤波与电平匹配电路，确保数据在传输过程中不受外界干扰。并结合软件校正，实现动态误差补偿。

　　显示与通信电路原理图说明

　　LCD显示模块通过I2C总线与单片机通信，同时附加专用的背光调节电路，确保显示效果在不同环境下均能达到良好效果。蓝牙通信模块设计中采用标准UART接口，外接独立供电部分，保证数据传输稳定性。

　　参考说明

　　本文设计中选用的各元器件型号及其详细参数均基于目前市场上主流产品的技术指标，经过大量文献调研与实验验证。部分参数与选型依据经过反复论证，确保系统在实际应用中能够达到预期效果。此外，论文中给出的各模块原理图及软件流程图为后续进一步优化设计提供了良好基础。

　　致谢

　　本论文设计工作在导师及实验室同仁的支持与帮助下顺利开展。感谢各位在课题研究、实验调试、资料搜集过程中给予的指导和帮助。在此，向所有关心并支持本项目的专家、同事和朋友表示诚挚的谢意！

　　总结

　　本文详细描述了基于单片机的血压计设计全过程，从初期调研、系统总体方案构建，到元器件选择、原理图设计、软件系统开发、调试测试和后续优化均作了详尽论述。通过系统的设计和实验数据对比验证，证明本设计方案在精度、稳定性、便携性和扩展性等方面均具有显著优势，能够满足现代家庭及医疗机构对血压监测的需求。未来系统可进一步通过引入云数据平台、智能算法及多参数生理监测，实现更全面的健康管理，推动医疗器械智能化发展。