基于STM32单片机的血压计系统设计方案概要

随着人们健康意识的不断提高，家用医疗设备的需求也日益增长，其中血压计作为日常健康监测的重要工具，其准确性、便携性和智能化程度受到了广泛关注。本设计方案旨在构建一个基于STM32单片机的高精度、易于操作的智能血压计系统，通过集成先进的传感技术、高效的数据处理能力和友好的用户界面，为用户提供可靠的血压测量服务。

1. 系统总体架构

本系统采用模块化设计理念，主要由以下几个核心模块构成：

• 血压测量模块： 负责血压的物理测量，包括充气泵、电磁阀、压力传感器和袖带等。

• 信号处理模块： 对压力传感器输出的微弱模拟信号进行放大、滤波、模数转换等处理，以获得可供单片机识别的数字信号。

• 主控单元： 采用STM32系列高性能单片机，负责系统的核心控制、数据处理、算法实现、人机交互以及通信管理等。

• 显示与人机交互模块： 用于实时显示测量结果、操作提示等信息，并通过按键等方式实现用户与系统的交互。

• 电源管理模块： 为系统各模块提供稳定可靠的电源供应。

• 数据存储与通信模块： 用于存储历史测量数据，并通过蓝牙或串口等方式实现与外部设备的通信，方便数据管理和远程健康监测。

2. 各模块详细设计与元器件选型

2.1 血压测量模块

血压测量的核心是示波法，通过测量袖带充放气过程中产生的动脉搏动引起的压力波动来计算收缩压和舒张压。

• 充气泵： 负责对袖带进行充气。

• 优选元器件型号： 微型隔膜气泵，例如KPM27F系列微型气泵。

• 选择原因： 该系列气泵体积小巧，噪音低，功耗低，响应速度快，且具备一定的压力输出能力，能够满足血压计充气需求。其直流供电特性与单片机系统兼容性好。

• 功能： 提供稳定的气压，使袖带膨胀并压迫手臂动脉。

• 电磁阀： 控制袖带的充气和放气速度。

• 优选元器件型号： 微型二通常闭电磁阀，例如SMC VQZ系列或同等性能的医疗级电磁阀。

• 选择原因： 选用低功耗、快速响应、密封性好的电磁阀至关重要。医疗级电磁阀能确保气路的可靠控制，避免漏气或堵塞，影响测量精度。其驱动电压通常与单片机兼容，方便控制。

• 功能： 精确控制充气和排气路径，实现袖带的加压和泄压过程，以适应示波法的测量要求。

• 压力传感器： 获取袖带内的压力值，是血压测量的核心部件。

• 优选元器件型号： 高精度数字输出压力传感器，例如MPX5010DP (飞思卡尔/NXP) 或 Honeywell ABPDXXX系列。

• 选择原因： 选择量程适合（通常为0-300 mmHg，即0-40 kPa左右）、精度高（例如±0.5%FS或更高）、温度漂移小、长期稳定性好的压力传感器至关重要。MPX5010DP是差分压力传感器，非常适合血压测量应用，其内部集成了信号调理，可以直接输出与压力成比例的模拟电压，方便后续AD转换。Honeywell的数字输出传感器则省去了外部AD转换电路，直接提供数字信号，简化了设计并提升了抗干扰能力。

• 功能： 将袖带内的压力变化转换为电信号，为后续信号处理和血压计算提供原始数据。

• 袖带： 佩戴于手臂，用于压迫动脉以测量血压。

• 选择原因： 选择符合国际标准的医用袖带，尺寸应多样化以适应不同人群，材质应舒适、耐用，气密性良好。

• 功能： 提供一个封闭的气囊，通过充气压迫上臂动脉，并感受动脉搏动。

2.2 信号处理模块

由于压力传感器输出的模拟信号通常较为微弱，且可能受到噪声干扰，因此需要进行必要的信号处理。

• 仪表放大器 (Instrumentation Amplifier)： 对压力传感器输出的微小电压信号进行高精度放大。

• 优选元器件型号： INA128 (德州仪器TI) 或 AD620 (亚德诺ADI)。

• 选择原因： 这两款都是经典的低噪声、高共模抑制比(CMRR)、高输入阻抗的仪表放大器，非常适合处理微弱的差分信号。其增益可调，方便根据传感器输出特性进行匹配，确保AD转换器能获得最佳的输入范围。

• 功能： 将压力传感器输出的毫伏级信号放大到伏特级，使其能够被ADC有效识别。

• 低通滤波器： 滤除高频噪声，保留有效信号。

• 优选元器件型号： 基于LM324 (运算放大器) 或 TL084 (JFET输入运算放大器) 构建的二阶或三阶有源低通滤波器。

• 选择原因： LM324和TL084是通用型运算放大器，成本低廉，易于获取，且性能稳定，适合构建RC有源滤波器。通过合理选择电阻电容值，可以设定合适的截止频率，有效滤除测量过程中可能引入的工频干扰、肌肉颤动等高频噪声。

• 功能： 消除信号中的高频干扰，使波形更加平滑，提高后续ADC采样的准确性。

• 模数转换器 (ADC)： 将模拟信号转换为数字信号，供单片机处理。

• 优选元器件型号： STM32内置高精度ADC，例如STM32F4系列或STM32L4系列内置的12位或16位ADC。如果需要更高精度，可考虑外部独立ADC，例如ADS1115 (TI) 或 AD7794 (ADI)。

• 选择原因： STM32系列单片机普遍集成高性能ADC，可以满足大多数血压测量的精度要求，且可以节省外部ADC的成本和布线复杂度。对于对精度有极高要求的场合，独立的外部ADC如ADS1115（16位，低功耗，I2C接口）或AD7794（24位，低噪声，SPI接口）能够提供更高的分辨率和更低的噪声，从而提升测量结果的准确性。

• 功能： 将经过放大和滤波的模拟压力信号转换为数字量，供主控单片机进行血压算法处理。

2.3 主控单元

主控单元是整个系统的“大脑”，负责协调所有模块的工作。

• 微控制器 (MCU)：

• 控制： 精确控制充气泵、电磁阀的启停，时序控制袖带的充放气过程。

• 数据采集： 通过ADC采集压力传感器数据。

• 算法实现： 运行血压测量算法（如示波法），从压力波形中提取收缩压、舒张压和心率。

• 人机交互： 驱动LCD/OLED显示屏，读取按键输入。

• 数据存储： 管理历史测量数据的存储（如存储在内部Flash或外部EEPROM）。

• 通信： 如果有蓝牙/WiFi模块，负责通信协议栈的实现。

• 异常处理： 监测系统状态，并在发生异常（如漏气、过压）时进行报警或停机。

• STM32F103C8T6： 这是一款非常经典的、性价比极高的Cortex-M3内核MCU，拥有丰富的GPIO、多种定时器、多路ADC、SPI、I2C、UART等外设，以及64KB Flash和20KB RAM，足以满足大多数血压计系统的控制和数据处理需求。其生态系统成熟，开发资源丰富。

• STM32F407VGT6： 如果对处理速度、浮点运算能力、存储容量或外设丰富度有更高要求（例如需要更复杂的算法、图形化显示或无线通信功能），F4系列基于Cortex-M4内核的MCU会是更好的选择。它具有DSP指令集和浮点单元(FPU)，能更高效地处理复杂的血压算法和信号处理。

• 优选元器件型号： STM32F103C8T6 (意法半导体ST) 或 STM32F407VGT6 (意法半导体ST)。

• 选择原因：

• 功能：

2.4 显示与人机交互模块

• 显示屏： 显示测量结果、操作提示等信息。

• OLED显示屏： 具有自发光、高对比度、宽视角、响应速度快、体积小巧、功耗低等优点，非常适合便携式医疗设备。SSD1306主控的OLED屏可以通过SPI或I2C接口与STM32连接，驱动简单。

• LCD显示屏： 成本更低，但对比度和视角不如OLED，常用于对显示效果要求不高的场合。1602/2004字符屏通过并行或串行接口与STM32连接。

• 优选元器件型号： 128x64点阵OLED显示屏 (例如SSD1306主控) 或 1602/2004字符型LCD显示屏 (例如HD44780主控)。

• 选择原因：

• 功能： 直观地显示血压值（收缩压、舒张压）、心率、测量状态、错误提示等关键信息。

• 按键： 实现用户操作，如开始/停止测量、查看历史数据、设置等。

• 优选元器件型号： 触控按键或轻触开关。

• 选择原因： 轻触开关成本低廉，手感好，易于集成。触控按键则能提升产品的美观性和防水性。

• 功能： 接收用户指令，触发相应操作。

• 蜂鸣器： 提供声音提示，如测量完成、异常报警等。

• 优选元器件型号： 无源或有源蜂鸣器。

• 选择原因： 蜂鸣器结构简单，易于驱动，能够提供必要的听觉反馈。

• 功能： 通过不同的蜂鸣声提示系统状态或报警。

2.5 电源管理模块

为系统提供稳定、纯净的电源，确保各模块正常工作。

• 电源管理IC (PMIC) / 稳压芯片：

• 优选元器件型号： AMS1117系列 (例如AMS1117-3.3V用于数字部分，AMS1117-5.0V用于模拟部分或传感器供电) 或 LDO (Low Dropout Regulator) 低压差线性稳压器，如TLV704xx系列 (TI)。

• 选择原因： 血压计通常由电池供电，需要高效的电源转换和稳定的输出。AMS1117系列是常用的低成本线性稳压器，适用于为MCU和数字电路提供稳定电压。对于对电源噪声要求较高的模拟部分（如压力传感器和仪表放大器），可以选用低噪声的LDO，如TLV704xx系列，以确保测量精度。如果需要更长的电池续航，可以考虑DCDC降压转换器。

• 功能： 将电池电压转换为各模块所需的稳定工作电压（如3.3V用于STM32和数字逻辑，5V用于传感器和模拟电路）。

• 锂电池充电管理芯片： 如果使用可充电锂电池。

• 优选元器件型号： TP4056 (用于单节锂电池) 或 BQ24xxx系列 (TI，功能更全面)。

• 选择原因： TP4056是成熟的单节锂电池充电管理芯片，电路简单，成本低。BQ24xxx系列则提供更高级的充电功能，如涓流充电、恒流充电、恒压充电、温度保护等，能更好地保护电池并延长寿命。

• 功能： 安全高效地管理锂电池的充电过程。

2.6 数据存储与通信模块

• 数据存储： 存储用户的历史血压测量数据。

• 优选元器件型号： SPI Flash (例如W25QXX系列) 或 EEPROM (例如AT24CXXX系列)。

• 选择原因： STM32内部Flash虽然可以存储部分数据，但如果需要存储大量历史记录，外部非易失性存储器是更好的选择。SPI Flash容量大，读写速度快，适合存储大量测量数据。EEPROM容量较小，但耐擦写次数多，适合存储配置参数或少量关键数据。

• 功能： 保存多次测量结果，方便用户查看历史趋势。

• 无线通信模块 (可选)： 实现与手机APP或云平台的互联互通。

• 蓝牙BLE模块： 功耗极低，非常适合电池供电的便携设备。HC-08是经典的透传蓝牙模块，易于使用。NRF52832则是一款高性能的SoC，集成了Cortex-M4和BLE协议栈，可以作为主控MCU使用，进一步简化系统。

• Wi-Fi模块： 传输距离远，数据速率高，适合需要上传大量数据到云端的应用。ESP8266和ESP32是广受欢迎的Wi-Fi模块，集成了MCU和Wi-Fi功能，成本效益高。

• 优选元器件型号： 蓝牙BLE模块 (例如HC-08, NRF52832) 或 Wi-Fi模块 (例如ESP8266, ESP32)。

• 选择原因：

• 功能： 实现血压测量数据的无线传输，支持智能手机APP查看、历史数据管理、远程健康监测等增值服务。

• 串口通信 (USB转串口或TTL串口)： 用于固件升级、调试或有线数据传输。

• 优选元器件型号： CH340 (USB转串口芯片) 或直接使用STM32内置的UART接口。

• 选择原因： CH340成本低廉，是常用的USB转串口方案，方便连接PC进行调试或数据传输。STM32自带多路UART接口，可以直接连接TTL串口设备。

• 功能： 提供有线通信接口，方便系统调试、固件更新以及与PC端软件进行数据交互。

3. 软件设计

软件设计是实现血压计功能的关键，主要包括：

• 初始化： 系统上电后，对STM32的GPIO、定时器、ADC、UART等外设进行初始化配置。

• 血压测量流程控制： 根据示波法原理，精确控制充气泵和电磁阀的时序，实现袖带的充气、排气和压力数据采集。

• 数据采集与预处理： 利用ADC连续采集压力传感器数据，对原始数据进行滤波、去噪等预处理。

• 血压算法实现： 这是核心部分，通常基于示波法原理，通过分析袖带压力波形的包络线，找出最大振幅点（平均压），并通过特定算法计算收缩压和舒张压。需要精确的峰值检测、包络线构建和特定系数的校准。

• 人机交互逻辑： 处理按键输入，更新显示内容，响应用户操作。

• 数据存储管理： 实现历史数据的读取、写入、擦除等功能。

• 通信协议栈： 如果有无线通信模块，需要实现相应的通信协议，如蓝牙SPP/GATT或Wi-Fi TCP/IP协议。

• 异常处理与报警： 监测袖带压力是否过高/过低、漏气等异常情况，并进行相应报警或处理。

• 低功耗管理： 对于电池供电的设备，需要利用STM32的低功耗模式（如睡眠模式、停止模式）来延长电池续航时间。

4. 电路板设计与布局考量

• 模拟数字地分离： 为降低数字电路对模拟电路的干扰，应在PCB布局时严格区分模拟地和数字地，并通过单点接地或磁珠连接。

• 电源滤波： 在电源输入和每个模块的电源引脚处放置去耦电容（大小电容搭配，如10uF电解电容和0.1uF陶瓷电容），有效滤除电源噪声。

• 信号完整性： 敏感模拟信号线应尽量短且远离数字信号线和电源线，必要时进行屏蔽。高速数字信号线应进行阻抗匹配和差分走线。

• 传感器布线： 压力传感器靠近袖带接口，其信号线应尽量短且屏蔽，避免环境噪声耦合。

• EMC/EMI设计： 考虑电磁兼容性，合理布局，接地良好，并根据需要添加TVS管、共模电感等器件以增强抗干扰能力。

• 散热： 对于大功率器件（如充气泵驱动电路），需考虑散热设计。

5. 总结

基于STM32单片机的血压计系统设计是一个集精密测量、智能控制、数据处理和人机交互于一体的综合性项目。通过精心选择高性能、高稳定性的元器件，并结合优化的软件算法和合理的硬件布局，可以构建出功能完善、测量精确、使用便捷的家用智能血压计。未来的发展方向包括：进一步提升测量精度和稳定性，集成更多生理参数监测功能（如血氧、心电），增强数据分析和健康管理功能，以及实现更高级别的智能化和联网功能。