謝政華 陳小飛 汪昌來 汪逸超

摘要：本文針對電子血壓計氣泵充氣測量時充氣速度不穩(wěn)定，提出采用不完全微分PID并結合PWM控制的方式驅(qū)動氣泵，實現(xiàn)測量過程的勻速加壓。在以C8051F310單片機為核心的硬件平臺上完成了不完全微分PID控制算法，實現(xiàn)了電子血壓計控制系統(tǒng)的軟硬件設計，改善了電子血壓計控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了測量的精度，具有更好的控制效果。

關鍵詞：電子血壓計;不完全微分PID;氣泵;PWM;單片機

中圖分類號：TP302 ?文獻標識碼：A

1引言

目前電子血壓計大多采用降壓測量血壓，測量時間過長，測量過程易出現(xiàn)身體不適。有少部分電子血壓計可實現(xiàn)充氣階段測量血壓，但氣泵加壓過程時充氣速度不穩(wěn)定，穩(wěn)定性不好，導致測量不準確。文中提出基于不完全微分PID控制的方式驅(qū)動氣泵的電子血壓計能在充氣過程中實現(xiàn)測量過程的勻速加壓，完成對血壓測量，測試時間短，精度高，操作方便靈活。

2控制系統(tǒng)硬件設計

本文在以C8051F310單片機為控制核心的硬件平臺上設計不完全微分PID控制器，并結合PWM控制的方式驅(qū)動電子血壓計氣泵，從而控制氣泵往電子血壓計袖套里進行充氣。同時從壓力傳感器里不斷采集血壓相關參數(shù)，再通過串口通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機，最終由PC機對采集到的數(shù)據(jù)進行保存，分析計算得到血壓值并在PC機上顯示，最后由C8051F310單片機控制器對電磁閥進行放氣控制，放氣結束則整個血壓測量結束。

血壓計硬件主要包括：C8051F310主控模塊、通信模塊、氣泵、氣泵驅(qū)動模塊、電磁閥、電磁閥驅(qū)動模塊、壓力傳感器、信號調(diào)理模塊。C8051F310主控模塊的主要功能是搭載不完全微分PID控制器，輸出PWM脈沖信號給氣泵驅(qū)動電路;通信模塊的主要功能是通過串口實現(xiàn)C8051F310主控模塊與PC機的通信;氣泵驅(qū)動模塊主要功能是利用小信號驅(qū)動控制電子血壓計氣泵，實現(xiàn)血壓計氣泵的平穩(wěn)調(diào)速;電磁閥驅(qū)動模塊的主要功能是控制電磁閥的通斷;信號調(diào)理模塊的主要功能是將壓力傳感器信號進行濾波和放大。硬件結構框圖如圖1所示。

3 ?軟件設計

電子血壓計的不完全微分PID控制氣泵充氣程序主要實現(xiàn)血壓計氣泵的穩(wěn)定調(diào)速，使氣泵以4-5mmHg/s的速度勻速加壓;數(shù)據(jù)采集部分以200Hz的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，上位機根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算得到心率、血壓值和脈搏值。不完全微分PID控制程序流程如圖2所示：

4 ?測試結果

為減小氣泵噪聲干擾，將PWM的占空比頻率調(diào)為23.4KHz。以占空比為0.5為例說明，在積分調(diào)節(jié)時采用不同Ki值控制對氣泵性能有較明顯的提高。合理的Kp、Ki、KD和Ku值的確定能夠使得控制系統(tǒng)對階躍信號有較好的適應能力，減小系統(tǒng)的振蕩，大大改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。調(diào)節(jié)前后輸入的PWM對比波形圖如圖3所示。

5 ?結語

本文完成了電子血壓計的硬件平臺以及軟件平臺設計。在硬件設計上采用模塊化的方法，且在關鍵的電路模塊上進行光電隔離，增強了硬件的可移植性和信號干擾。在軟件上完成了不完全微分PID控制算法，提出了一種基于不完全微分PID控制的電子血壓計氣泵控制方案，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了測量的精度，具有更好的控制效果。

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作者簡介： 謝政華（1985-），男，江西上饒，碩士，工程師，主要研究方向：控制工程、人工智能。