基于STM32單片機的血壓計系統設計方案概要

隨著人們健康意識的不斷提高，家用醫療設備的需求也日益增長，其中血壓計作為日常健康監測的重要工具，其準確性、便攜性和智能化程度受到了廣泛關注。本設計方案旨在構建一個基于STM32單片機的高精度、易于操作的智能血壓計系統，通過集成先進的傳感技術、高效的數據處理能力和友好的用戶界面，為用戶提供可靠的血壓測量服務。

1. 系統總體架構

本系統采用模塊化設計理念，主要由以下幾個核心模塊構成：

• 血壓測量模塊： 負責血壓的物理測量，包括充氣泵、電磁閥、壓力傳感器和袖帶等。

• 信號處理模塊： 對壓力傳感器輸出的微弱模擬信號進行放大、濾波、模數轉換等處理，以獲得可供單片機識別的數字信號。

• 主控單元： 采用STM32系列高性能單片機，負責系統的核心控制、數據處理、算法實現、人機交互以及通信管理等。

• 顯示與人機交互模塊： 用于實時顯示測量結果、操作提示等信息，并通過按鍵等方式實現用戶與系統的交互。

• 電源管理模塊： 為系統各模塊提供穩定可靠的電源供應。

• 數據存儲與通信模塊： 用于存儲歷史測量數據，并通過藍牙或串口等方式實現與外部設備的通信，方便數據管理和遠程健康監測。

2. 各模塊詳細設計與元器件選型

2.1 血壓測量模塊

血壓測量的核心是示波法，通過測量袖帶充放氣過程中產生的動脈搏動引起的壓力波動來計算收縮壓和舒張壓。

• 充氣泵： 負責對袖帶進行充氣。

• 優選元器件型號： 微型隔膜氣泵，例如KPM27F系列微型氣泵。

• 選擇原因： 該系列氣泵體積小巧，噪音低，功耗低，響應速度快，且具備一定的壓力輸出能力，能夠滿足血壓計充氣需求。其直流供電特性與單片機系統兼容性好。

• 功能： 提供穩定的氣壓，使袖帶膨脹并壓迫手臂動脈。

• 電磁閥： 控制袖帶的充氣和放氣速度。

• 優選元器件型號： 微型二通常閉電磁閥，例如SMC VQZ系列或同等性能的醫療級電磁閥。

• 選擇原因： 選用低功耗、快速響應、密封性好的電磁閥至關重要。醫療級電磁閥能確保氣路的可靠控制，避免漏氣或堵塞，影響測量精度。其驅動電壓通常與單片機兼容，方便控制。

• 功能： 精確控制充氣和排氣路徑，實現袖帶的加壓和泄壓過程，以適應示波法的測量要求。

• 壓力傳感器： 獲取袖帶內的壓力值，是血壓測量的核心部件。

• 優選元器件型號： 高精度數字輸出壓力傳感器，例如MPX5010DP (飛思卡爾/NXP) 或 Honeywell ABPDXXX系列。

• 選擇原因： 選擇量程適合（通常為0-300 mmHg，即0-40 kPa左右）、精度高（例如±0.5%FS或更高）、溫度漂移小、長期穩定性好的壓力傳感器至關重要。MPX5010DP是差分壓力傳感器，非常適合血壓測量應用，其內部集成了信號調理，可以直接輸出與壓力成比例的模擬電壓，方便后續AD轉換。Honeywell的數字輸出傳感器則省去了外部AD轉換電路，直接提供數字信號，簡化了設計并提升了抗干擾能力。

• 功能： 將袖帶內的壓力變化轉換為電信號，為后續信號處理和血壓計算提供原始數據。

• 袖帶： 佩戴于手臂，用于壓迫動脈以測量血壓。

• 選擇原因： 選擇符合國際標準的醫用袖帶，尺寸應多樣化以適應不同人群，材質應舒適、耐用，氣密性良好。

• 功能： 提供一個封閉的氣囊，通過充氣壓迫上臂動脈，并感受動脈搏動。

2.2 信號處理模塊

由于壓力傳感器輸出的模擬信號通常較為微弱，且可能受到噪聲干擾，因此需要進行必要的信號處理。

• 儀表放大器 (Instrumentation Amplifier)： 對壓力傳感器輸出的微小電壓信號進行高精度放大。

• 優選元器件型號： INA128 (德州儀器TI) 或 AD620 (亞德諾ADI)。

• 選擇原因： 這兩款都是經典的低噪聲、高共模抑制比(CMRR)、高輸入阻抗的儀表放大器，非常適合處理微弱的差分信號。其增益可調，方便根據傳感器輸出特性進行匹配，確保AD轉換器能獲得最佳的輸入范圍。

• 功能： 將壓力傳感器輸出的毫伏級信號放大到伏特級，使其能夠被ADC有效識別。

• 低通濾波器： 濾除高頻噪聲，保留有效信號。

• 優選元器件型號： 基于LM324 (運算放大器) 或 TL084 (JFET輸入運算放大器) 構建的二階或三階有源低通濾波器。

• 選擇原因： LM324和TL084是通用型運算放大器，成本低廉，易于獲取，且性能穩定，適合構建RC有源濾波器。通過合理選擇電阻電容值，可以設定合適的截止頻率，有效濾除測量過程中可能引入的工頻干擾、肌肉顫動等高頻噪聲。

• 功能： 消除信號中的高頻干擾，使波形更加平滑，提高后續ADC采樣的準確性。

• 模數轉換器 (ADC)： 將模擬信號轉換為數字信號，供單片機處理。

• 優選元器件型號： STM32內置高精度ADC，例如STM32F4系列或STM32L4系列內置的12位或16位ADC。如果需要更高精度，可考慮外部獨立ADC，例如ADS1115 (TI) 或 AD7794 (ADI)。

• 選擇原因： STM32系列單片機普遍集成高性能ADC，可以滿足大多數血壓測量的精度要求，且可以節省外部ADC的成本和布線復雜度。對于對精度有極高要求的場合，獨立的外部ADC如ADS1115（16位，低功耗，I2C接口）或AD7794（24位，低噪聲，SPI接口）能夠提供更高的分辨率和更低的噪聲，從而提升測量結果的準確性。

• 功能： 將經過放大和濾波的模擬壓力信號轉換為數字量，供主控單片機進行血壓算法處理。

2.3 主控單元

主控單元是整個系統的“大腦”，負責協調所有模塊的工作。

• 微控制器 (MCU)：

• 控制： 精確控制充氣泵、電磁閥的啟停，時序控制袖帶的充放氣過程。

• 數據采集： 通過ADC采集壓力傳感器數據。

• 算法實現： 運行血壓測量算法（如示波法），從壓力波形中提取收縮壓、舒張壓和心率。

• 人機交互： 驅動LCD/OLED顯示屏，讀取按鍵輸入。

• 數據存儲： 管理歷史測量數據的存儲（如存儲在內部Flash或外部EEPROM）。

• 通信： 如果有藍牙/WiFi模塊，負責通信協議棧的實現。

• 異常處理： 監測系統狀態，并在發生異常（如漏氣、過壓）時進行報警或停機。

• STM32F103C8T6： 這是一款非常經典的、性價比極高的Cortex-M3內核MCU，擁有豐富的GPIO、多種定時器、多路ADC、SPI、I2C、UART等外設，以及64KB Flash和20KB RAM，足以滿足大多數血壓計系統的控制和數據處理需求。其生態系統成熟，開發資源豐富。

• STM32F407VGT6： 如果對處理速度、浮點運算能力、存儲容量或外設豐富度有更高要求（例如需要更復雜的算法、圖形化顯示或無線通信功能），F4系列基于Cortex-M4內核的MCU會是更好的選擇。它具有DSP指令集和浮點單元(FPU)，能更高效地處理復雜的血壓算法和信號處理。

• 優選元器件型號： STM32F103C8T6 (意法半導體ST) 或 STM32F407VGT6 (意法半導體ST)。

• 選擇原因：

• 功能：

2.4 顯示與人機交互模塊

• 顯示屏： 顯示測量結果、操作提示等信息。

• OLED顯示屏： 具有自發光、高對比度、寬視角、響應速度快、體積小巧、功耗低等優點，非常適合便攜式醫療設備。SSD1306主控的OLED屏可以通過SPI或I2C接口與STM32連接，驅動簡單。

• LCD顯示屏： 成本更低，但對比度和視角不如OLED，常用于對顯示效果要求不高的場合。1602/2004字符屏通過并行或串行接口與STM32連接。

• 優選元器件型號： 128x64點陣OLED顯示屏 (例如SSD1306主控) 或 1602/2004字符型LCD顯示屏 (例如HD44780主控)。

• 選擇原因：

• 功能： 直觀地顯示血壓值（收縮壓、舒張壓）、心率、測量狀態、錯誤提示等關鍵信息。

• 按鍵： 實現用戶操作，如開始/停止測量、查看歷史數據、設置等。

• 優選元器件型號： 觸控按鍵或輕觸開關。

• 選擇原因： 輕觸開關成本低廉，手感好，易于集成。觸控按鍵則能提升產品的美觀性和防水性。

• 功能： 接收用戶指令，觸發相應操作。

• 蜂鳴器： 提供聲音提示，如測量完成、異常報警等。

• 優選元器件型號： 無源或有源蜂鳴器。

• 選擇原因： 蜂鳴器結構簡單，易于驅動，能夠提供必要的聽覺反饋。

• 功能： 通過不同的蜂鳴聲提示系統狀態或報警。

2.5 電源管理模塊

為系統提供穩定、純凈的電源，確保各模塊正常工作。

• 電源管理IC (PMIC) / 穩壓芯片：

• 優選元器件型號： AMS1117系列 (例如AMS1117-3.3V用于數字部分，AMS1117-5.0V用于模擬部分或傳感器供電) 或 LDO (Low Dropout Regulator) 低壓差線性穩壓器，如TLV704xx系列 (TI)。

• 選擇原因： 血壓計通常由電池供電，需要高效的電源轉換和穩定的輸出。AMS1117系列是常用的低成本線性穩壓器，適用于為MCU和數字電路提供穩定電壓。對于對電源噪聲要求較高的模擬部分（如壓力傳感器和儀表放大器），可以選用低噪聲的LDO，如TLV704xx系列，以確保測量精度。如果需要更長的電池續航，可以考慮DCDC降壓轉換器。

• 功能： 將電池電壓轉換為各模塊所需的穩定工作電壓（如3.3V用于STM32和數字邏輯，5V用于傳感器和模擬電路）。

• 鋰電池充電管理芯片： 如果使用可充電鋰電池。

• 優選元器件型號： TP4056 (用于單節鋰電池) 或 BQ24xxx系列 (TI，功能更全面)。

• 選擇原因： TP4056是成熟的單節鋰電池充電管理芯片，電路簡單，成本低。BQ24xxx系列則提供更高級的充電功能，如涓流充電、恒流充電、恒壓充電、溫度保護等，能更好地保護電池并延長壽命。

• 功能： 安全高效地管理鋰電池的充電過程。

2.6 數據存儲與通信模塊

• 數據存儲： 存儲用戶的歷史血壓測量數據。

• 優選元器件型號： SPI Flash (例如W25QXX系列) 或 EEPROM (例如AT24CXXX系列)。

• 選擇原因： STM32內部Flash雖然可以存儲部分數據，但如果需要存儲大量歷史記錄，外部非易失性存儲器是更好的選擇。SPI Flash容量大，讀寫速度快，適合存儲大量測量數據。EEPROM容量較小，但耐擦寫次數多，適合存儲配置參數或少量關鍵數據。

• 功能： 保存多次測量結果，方便用戶查看歷史趨勢。

• 無線通信模塊 (可選)： 實現與手機APP或云平臺的互聯互通。

• 藍牙BLE模塊： 功耗極低，非常適合電池供電的便攜設備。HC-08是經典的透傳藍牙模塊，易于使用。NRF52832則是一款高性能的SoC，集成了Cortex-M4和BLE協議棧，可以作為主控MCU使用，進一步簡化系統。

• Wi-Fi模塊： 傳輸距離遠，數據速率高，適合需要上傳大量數據到云端的應用。ESP8266和ESP32是廣受歡迎的Wi-Fi模塊，集成了MCU和Wi-Fi功能，成本效益高。

• 優選元器件型號： 藍牙BLE模塊 (例如HC-08, NRF52832) 或 Wi-Fi模塊 (例如ESP8266, ESP32)。

• 選擇原因：

• 功能： 實現血壓測量數據的無線傳輸，支持智能手機APP查看、歷史數據管理、遠程健康監測等增值服務。

• 串口通信 (USB轉串口或TTL串口)： 用于固件升級、調試或有線數據傳輸。

• 優選元器件型號： CH340 (USB轉串口芯片) 或直接使用STM32內置的UART接口。

• 選擇原因： CH340成本低廉，是常用的USB轉串口方案，方便連接PC進行調試或數據傳輸。STM32自帶多路UART接口，可以直接連接TTL串口設備。

• 功能： 提供有線通信接口，方便系統調試、固件更新以及與PC端軟件進行數據交互。

3. 軟件設計

軟件設計是實現血壓計功能的關鍵，主要包括：

• 初始化： 系統上電后，對STM32的GPIO、定時器、ADC、UART等外設進行初始化配置。

• 血壓測量流程控制： 根據示波法原理，精確控制充氣泵和電磁閥的時序，實現袖帶的充氣、排氣和壓力數據采集。

• 數據采集與預處理： 利用ADC連續采集壓力傳感器數據，對原始數據進行濾波、去噪等預處理。

• 血壓算法實現： 這是核心部分，通常基于示波法原理，通過分析袖帶壓力波形的包絡線，找出最大振幅點（平均壓），并通過特定算法計算收縮壓和舒張壓。需要精確的峰值檢測、包絡線構建和特定系數的校準。

• 人機交互邏輯： 處理按鍵輸入，更新顯示內容，響應用戶操作。

• 數據存儲管理： 實現歷史數據的讀取、寫入、擦除等功能。

• 通信協議棧： 如果有無線通信模塊，需要實現相應的通信協議，如藍牙SPP/GATT或Wi-Fi TCP/IP協議。

• 異常處理與報警： 監測袖帶壓力是否過高/過低、漏氣等異常情況，并進行相應報警或處理。

• 低功耗管理： 對于電池供電的設備，需要利用STM32的低功耗模式（如睡眠模式、停止模式）來延長電池續航時間。

4. 電路板設計與布局考量

• 模擬數字地分離： 為降低數字電路對模擬電路的干擾，應在PCB布局時嚴格區分模擬地和數字地，并通過單點接地或磁珠連接。

• 電源濾波： 在電源輸入和每個模塊的電源引腳處放置去耦電容（大小電容搭配，如10uF電解電容和0.1uF陶瓷電容），有效濾除電源噪聲。

• 信號完整性： 敏感模擬信號線應盡量短且遠離數字信號線和電源線，必要時進行屏蔽。高速數字信號線應進行阻抗匹配和差分走線。

• 傳感器布線： 壓力傳感器靠近袖帶接口，其信號線應盡量短且屏蔽，避免環境噪聲耦合。

• EMC/EMI設計： 考慮電磁兼容性，合理布局，接地良好，并根據需要添加TVS管、共模電感等器件以增強抗干擾能力。

• 散熱： 對于大功率器件（如充氣泵驅動電路），需考慮散熱設計。

5. 總結

基于STM32單片機的血壓計系統設計是一個集精密測量、智能控制、數據處理和人機交互于一體的綜合性項目。通過精心選擇高性能、高穩定性的元器件，并結合優化的軟件算法和合理的硬件布局，可以構建出功能完善、測量精確、使用便捷的家用智能血壓計。未來的發展方向包括：進一步提升測量精度和穩定性，集成更多生理參數監測功能（如血氧、心電），增強數據分析和健康管理功能，以及實現更高級別的智能化和聯網功能。