基于不完全微分PID控制的电子血压计设计

谢政华 陈小飞 汪昌来 汪逸超

摘要：本文针对电子血压计气泵充气测量时充气速度不稳定，提出采用不完全微分PID并结合PWM控制的方式驅动气泵，实现测量过程的匀速加压。在以C8051F310单片机为核心的硬件平台上完成了不完全微分PID控制算法，实现了电子血压计控制系统的软硬件设计，改善了电子血压计控制系统的动态性能，提高了测量的精度，具有更好的控制效果。

关键词：电子血压计;不完全微分PID;气泵;PWM;单片机

中图分类号：TP302  文献标识码：A

1引言

目前电子血压计大多采用降压测量血压，测量时间过长，测量过程易出现身体不适。有少部分电子血压计可实现充气阶段测量血压，但气泵加压过程时充气速度不稳定，稳定性不好，导致测量不准确。文中提出基于不完全微分PID控制的方式驱动气泵的电子血压计能在充气过程中实现测量过程的匀速加压，完成对血压测量，测试时间短，精度高，操作方便灵活。

2控制系统硬件设计

本文在以C8051F310单片机为控制核心的硬件平台上设计不完全微分PID控制器，并结合PWM控制的方式驱动电子血压计气泵，从而控制气泵往电子血压计袖套里进行充气。同时从压力传感器里不断采集血压相关参数，再通过串口通信的方式将采集到的数据传送到PC机，最终由PC机对采集到的数据进行保存，分析计算得到血压值并在PC机上显示，最后由C8051F310单片机控制器对电磁阀进行放气控制，放气结束则整个血压测量结束。

血压计硬件主要包括：C8051F310主控模块、通信模块、气泵、气泵驱动模块、电磁阀、电磁阀驱动模块、压力传感器、信号调理模块。C8051F310主控模块的主要功能是搭载不完全微分PID控制器，输出PWM脉冲信号给气泵驱动电路;通信模块的主要功能是通过串口实现C8051F310主控模块与PC机的通信;气泵驱动模块主要功能是利用小信号驱动控制电子血压计气泵，实现血压计气泵的平稳调速;电磁阀驱动模块的主要功能是控制电磁阀的通断;信号调理模块的主要功能是将压力传感器信号进行滤波和放大。硬件结构框图如图1所示。

3  软件设计

电子血压计的不完全微分PID控制气泵充气程序主要实现血压计气泵的稳定调速，使气泵以4-5mmHg/s的速度匀速加压;数据采集部分以200Hz的采样频率采集数据，上位机根据采集数据计算得到心率、血压值和脉搏值。不完全微分PID控制程序流程如图2所示：

4  测试结果

为减小气泵噪声干扰，将PWM的占空比频率调为23.4KHz。以占空比为0.5为例说明，在积分调节时采用不同Ki值控制对气泵性能有较明显的提高。合理的Kp、Ki、KD和Ku值的确定能够使得控制系统对阶跃信号有较好的适应能力，减小系统的振荡，大大改善系统的稳定性和精确性。调节前后输入的PWM对比波形图如图3所示。

5  结语

本文完成了电子血压计的硬件平台以及软件平台设计。在硬件设计上采用模块化的方法，且在关键的电路模块上进行光电隔离，增强了硬件的可移植性和信号干扰。在软件上完成了不完全微分PID控制算法，提出了一种基于不完全微分PID控制的电子血压计气泵控制方案，改善了系统的动态性能，提高了测量的精度，具有更好的控制效果。

参考文献（References）：

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作者简介： 谢政华（1985-），男，江西上饶，硕士，工程师，主要研究方向：控制工程、人工智能。