心電圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄摘要 2第一章緒論31.1引言31.2本課題研究意義3第二章 本課題主要硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容 102.1心電信號(hào)采集112.1.1帶通濾波電路 132.1.2工頻陷波電路 142.1.3主放大電路152.1.4 A/D 轉(zhuǎn)換162.1.5 ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹 162.1.6 AT89C51 與 ADC0809勺接口 182.1.7 時(shí)鐘源設(shè)計(jì)192.1.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì)191.1.10顯示電路19第三章系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)20第四章系統(tǒng)原理圖26總結(jié)27參考文獻(xiàn)281摘要心臟病已成為危害人類(lèi)健康的主要疾病之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，心血 管疾病是威脅人類(lèi)生命的主要疾病，世界上心臟病的死亡率仍占 首位。

2、因此，對(duì)心血管疾病的診斷、治療一直被世界各國(guó)醫(yī)學(xué)界 所重視，準(zhǔn)確地進(jìn)行心電信號(hào)提取，為醫(yī)生提供有效的輔助分析 手段是重要而有意義的課題。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，醫(yī)用心 電信號(hào)采集系統(tǒng)近年來(lái)己在臨床診斷中逐漸應(yīng)用。首先，設(shè)計(jì)心電采集模塊，包括心電前置放大器、帶通濾波 電路、線性光耦放大電路、50 Hz陷波電路、35 Hz陷波電路及電 平抬升電路，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出顯示電路等。其次，由于越來(lái) 越多的研究者發(fā)現(xiàn)心電圖中變化與大多數(shù)心血管疾病都有著緊密 的聯(lián)系，因此，本課題設(shè)計(jì)了心電信號(hào)檢測(cè)方法，包括心電信號(hào) 的采集，放大以及波形的液晶顯示。在論文當(dāng)中，設(shè)計(jì)的電路能 夠有效的抑制了各種干擾，檢測(cè)出良好

3、的心電信號(hào)。論文的研究 工作基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，為進(jìn)一步的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打下了良好 的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；數(shù)據(jù)米集；A/D轉(zhuǎn)換；單片機(jī)；LCD顯示2第1章緒論1.1引言心電信號(hào)是人類(lèi)較早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物電信號(hào) 之一，它比其他生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并具有一定的規(guī)律性。 自1903年心電圖引入醫(yī)學(xué)臨床以來(lái)，無(wú)論是在生物醫(yī)學(xué)方面， 還是在工程學(xué)方面，心電信號(hào)的記錄、處理與診斷技術(shù)均得到了 飛速的發(fā)展，并積累了相當(dāng)豐富的資料。當(dāng)前，心電信號(hào)的檢測(cè)、 處理仍然是生物醫(yī)學(xué)工程界的重要研究對(duì)象之一。1.2本課題研究意義心臟病已成為危害人類(lèi)健康的主要疾病之一. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界 上每年平均有幾百萬(wàn)人死

4、于心血管疾病，心血管疾病是威脅人類(lèi) 生命的主要疾病。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界死亡人數(shù)中，約有三分之一死于 此類(lèi)疾病，很多病人由于沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變從而延誤了治療。在 我國(guó)因心血管疾病而死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的 44%?？梢?jiàn)心臟 病己成為危害人類(lèi)健康的多發(fā)病常見(jiàn)病，因此心臟系統(tǒng)疾病的防 治和診斷是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。國(guó)際上醫(yī)學(xué)界人士能夠 通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的特征、規(guī)律的研究，對(duì)部分相關(guān)病變做出早期 預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷；因此，準(zhǔn)確地進(jìn)行心電信號(hào)提取，為醫(yī)生提供 有效的輔助分析手段是重要而有意義的課題。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì) 猝發(fā)性心律失?；颊?，如果能夠及早發(fā)現(xiàn)心律失常先兆，及時(shí)采 取搶救措旋，其中70%. 80%的患者

5、可以避免死亡。隨著電于技術(shù)的迅速發(fā)展，醫(yī)用電子監(jiān)測(cè)、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，近年 來(lái)己在臨床中普遍應(yīng)用。這類(lèi)儀器是以心電圖作為首位監(jiān)護(hù)參數(shù) 的，所以也稱(chēng)為心電監(jiān)護(hù)。常規(guī)心電圖是病人在醫(yī)院靜臥情況下由心電圖儀記錄下來(lái)的心電活動(dòng)， 一般有12個(gè)導(dǎo)聯(lián)，反映了額 面和橫面上的心電變化，可以從多個(gè)角度觀察到心臟的活動(dòng)情況。 對(duì)心肌梗塞、早搏、左前支阻塞和左后分支阻塞等進(jìn)行定位診斷， 是心臟病診斷的重要手段之一，但是常規(guī)心電圖僅記錄6100個(gè)心動(dòng)周期，歷時(shí)僅幾秒1分鐘左右，只能獲取較少有關(guān)心臟 狀態(tài)的信息。一個(gè)正常人一天 24小時(shí)心搏數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上，在 有限的時(shí)間內(nèi)，記錄發(fā)生心率失常的概率相當(dāng)?shù)?，尤其是一些?發(fā)性心

6、率失常，即使病人有自覺(jué)癥狀，但在做常規(guī)心電圖檢查時(shí) 也往往難以捕獲。研究發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)I rain心電圖只能檢出10%病人 的心率失常，24h則可達(dá)到85%90%。在人的日?；顒?dòng)過(guò)程中進(jìn) 行心電監(jiān)護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間不間斷地記錄得到的動(dòng)態(tài)心電圖，包含各種 情況下的心電圖形。這樣它就能發(fā)現(xiàn)常規(guī)心電圖檢查時(shí)不易發(fā)現(xiàn) 的短暫心律失常和一過(guò)性的心肌缺血，并且還能進(jìn)一步計(jì)算出它 們發(fā)作的頻率和分析引起它們發(fā)作的條件。因此，動(dòng)態(tài)心電圖有 助于診斷心律失常和心絞痛；有助于鑒別胸痛、心悸、頭暈和昏 厥是否由心臟原因所引起；可作為心肌梗塞病人康復(fù)期的監(jiān)測(cè)； 可用于細(xì)致研究抗心律失常和抗心絞痛藥物的療效；也用作觀察 人工心臟起搏

7、器的治療作用，從而大大提高臨床心電圖診斷的價(jià) 值。實(shí)踐表明，應(yīng)用動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)心電記錄，其 24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖檢查對(duì)冠心病心肌缺血的檢出率為70%90%。對(duì)癥狀不典型、常規(guī)心電圖檢查正?；騼H有輕微改變、運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 陰性或可疑陽(yáng)性的可疑冠心病人、不穩(wěn)定性心絞痛的病人非常有 用，對(duì)于冠狀動(dòng)脈痙攣引起的無(wú)癥狀性心肌缺血等癥，尤其有效，而且，這些都是常規(guī)心電圖檢查難以發(fā)現(xiàn)的。此外，由于動(dòng)態(tài)心 電圖能比較不同生理或病理狀態(tài)下的心電圖變化，還可用于醫(yī)學(xué) 科學(xué)研究，例如取得正常情況下的各種心電圖數(shù)據(jù)，與特定狀態(tài) 下的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析等等。可見(jiàn)它的用途是相當(dāng)廣泛的。 動(dòng)態(tài)心電圖長(zhǎng)時(shí)間的記錄，不但

8、使心電變化的檢出率發(fā)生量的飛 躍，還能使那些平靜、仰臥狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)的心電變化揭示出來(lái)， 并能了解這些變化與心率、日常生活、癥狀、體位等及其他心電 活動(dòng)變化之間的關(guān)系，使心電圖的臨床應(yīng)用提高到一個(gè)新階段。 由于心電監(jiān)護(hù)能及時(shí)捕捉心律的各種異常變化，使醫(yī)生能對(duì)病情 了如指掌，一旦病兆出現(xiàn)就能及時(shí)采取治療措施，從而有效地降 低死亡率。因此，能夠記錄分析病人24小時(shí)活動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)心 電圖，并對(duì)其分析，給醫(yī)生提供具有診斷價(jià)值的資料，對(duì)于心臟 功能的評(píng)估，心臟病的早期診斷非常有益。由于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀其價(jià)格的高昂以及我國(guó)人口的眾多，經(jīng) 濟(jì)的落后，到目前為止，我國(guó)縣級(jí)醫(yī)院大多數(shù)仍沒(méi)有配備動(dòng)態(tài)心 電監(jiān)護(hù)儀，

9、鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院除少數(shù)經(jīng)濟(jì)條件特別好的外，其余一般醫(yī)院 均未配備動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀，即使在部分城市中，人口密度大，患 者數(shù)量不在少數(shù)，而醫(yī)院中的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀數(shù)量有限，無(wú)法因 而使得絕大多數(shù)人沒(méi)條件使用這種儀器，錯(cuò)過(guò)了及早發(fā)現(xiàn)和治療 心血管疾病的時(shí)機(jī)。需要一種既物美價(jià)廉，操作方便，又可滿(mǎn)足 臨床要求，以適合我國(guó)廣大家庭中使用的同類(lèi)產(chǎn)品，同時(shí)可考慮 與省級(jí)大醫(yī)院的高檔動(dòng)態(tài)心電圖相兼容，與之能配套使用。隨著微處理機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，研制一種既能 自動(dòng)檢測(cè)、存儲(chǔ)心電信號(hào)，能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，又可對(duì)其進(jìn)行 回放分析的低成本動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)、監(jiān)護(hù)及回放分析系統(tǒng)己經(jīng)成為 可能。5前便攜式心電圖儀的設(shè)計(jì)主要向智能

10、化、系統(tǒng)化和集成化方 向發(fā)展。目前市面上常見(jiàn)的便攜式心電儀多數(shù)是采用了前后端的 實(shí)現(xiàn)方式，前端是以單片機(jī)為核心的心電信號(hào)采集系統(tǒng)，后端多 數(shù)采用的是處理性能較高的嵌入式微處理器。這種處理器性能強(qiáng) 大，它使得心電儀在心電數(shù)據(jù)米集、處理、存儲(chǔ)和顯示等功能的 基礎(chǔ)上，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)心電數(shù)據(jù)的分析3。1.2體表心電圖及心電信號(hào)的特征分析4心電是心臟的無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞電活動(dòng)的綜合反映，心電的產(chǎn)生 與心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過(guò)程密不可分。 心肌細(xì)胞在靜息狀態(tài)下， 細(xì)胞膜外帶有正電荷，細(xì)胞膜內(nèi)帶有同等數(shù)量的負(fù)電荷，此種分 布狀態(tài)稱(chēng)為極化狀態(tài)，這種靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)外的電位差稱(chēng)為靜 息電位，其值保持相對(duì)的恒定。當(dāng)心肌細(xì)胞

11、一端的細(xì)胞膜受到一 定程度的刺激（或閾刺激）時(shí)，對(duì)鉀、鈉、氯、鈣等離子的通透性 發(fā)生改變，弓I起膜內(nèi)外的陰陽(yáng)離子產(chǎn)生流動(dòng)，使心肌細(xì)胞除極化 和復(fù)極化，并在此過(guò)程中與尚處于靜止?fàn)顟B(tài)的鄰近細(xì)胞膜構(gòu)成一 對(duì)電偶，此變化過(guò)程可用置于體表的一定檢測(cè)出來(lái)。由心臟內(nèi)部 產(chǎn)生的一系列非常協(xié)調(diào)的電刺激脈沖，分別使心房、心室的肌肉 細(xì)胞興奮，使之有節(jié)律地舒張和收縮，從而實(shí)現(xiàn)“血液泵”的功6能，維持人體循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。心電信號(hào)從宏觀上記錄心臟 細(xì)胞的除極和復(fù)極過(guò)程，在一定程度上客觀反映了心臟各部位的 生理狀況，因而在臨床醫(yī)學(xué)中有重要意義。每一個(gè)心臟細(xì)胞的除 極和復(fù)極過(guò)程可以等效于一個(gè)電偶極子的活動(dòng)。為了研究方便

12、和 簡(jiǎn)化分析，可以把人體看作是一個(gè)容積導(dǎo)體，心臟細(xì)胞的電偶極 子在該容積導(dǎo)體的空間中形成一定方向和大小的電場(chǎng)，所有偶極 子電場(chǎng)向量相加，形成綜合向量，即心電向量。當(dāng)它作用于人體 的容積導(dǎo)體時(shí)。在體表不同部位則形成電位差，通常從體表檢測(cè) 到的心電信號(hào)就是這種電位差信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)電極安放位置不同時(shí), 得到的心電信號(hào)波形也不同，于是產(chǎn)生了臨床上不同的導(dǎo)聯(lián)接法， 同時(shí)也考慮有可能用體表心電電位分布圖反推心臟外膜電位即心 電逆問(wèn)題的求解。5心電信號(hào)的電特性分析6按照美國(guó)心電學(xué)會(huì)確定的標(biāo)準(zhǔn)，正常心電信號(hào)的幅值范圍在10卩V-4mv之間，典型值為1mV。頻率范圍在0.05-100HZ以?xún)?nèi)， 而90%的ECG頻

13、譜能量集中O.25-35HZ之間，心電信號(hào)頻率較 低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主 要頻率范圍是 0.05-100HZ，大部分能量集中在 0.05-40Hz12。心搏的節(jié)律性和 隨機(jī)性決定了心電信號(hào)的準(zhǔn)周期和隨機(jī)時(shí)變特性。從醫(yī)學(xué)理論和 實(shí)踐可以理解，心電信號(hào)受人體生理狀態(tài)和測(cè)量過(guò)程等多種因素 的影響而呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)；同時(shí)，個(gè)體的差異也使心電信號(hào)千差 萬(wàn)別。闡述心電信號(hào)特征的相關(guān)文章和書(shū)籍很多，本人在認(rèn)真閱 讀和分析的基礎(chǔ)上，得出心電信號(hào)特征主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:(1) 微弱性：從人體體表獲取的心電信號(hào)一般只有10卩V-4mV，典型值為1mV。(2) 不穩(wěn)定性：人體信號(hào)處于不停的動(dòng)態(tài)變化

14、當(dāng)中。(3) 低頻特性：人體心電信號(hào)的頻率多集中在0.05-100HZ之間。(4) 隨機(jī)性：人體心電信號(hào)反映了人體的生理機(jī)能，是人體信 號(hào)系統(tǒng)的一部分，由于人體的不均勻性，且容易接收外來(lái)信號(hào)的 影響，信號(hào)容易隨著外界干擾的變換而變化，具有一定的隨機(jī)性。1.3心電信號(hào)的噪聲來(lái)源7人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低。一般正常的心電 信號(hào)頻率范圍為0.05-100 Hz，而90%的心電信號(hào)(ECG)頻譜能量 集中在0.25-35 Hz之間13。采集一種電信號(hào)時(shí)，會(huì)受到各種噪 聲的干擾，噪聲來(lái)源通常有下面幾種：工頻干擾50 Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工 頻干擾的模型由50 Hz的正弦信號(hào)

15、及其諧波組成。幅值通常與 ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。(2)電極接觸噪聲 電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾，來(lái)源于電極與肌 膚的不良接觸，即病人與檢側(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能 是瞬時(shí)的，如病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；也可能是檢測(cè)系統(tǒng)不 斷的開(kāi)關(guān)、放大器輸入端連接不好等。電極接觸噪聲可抽象為快 速、隨機(jī)變化的階躍信號(hào)，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工 頻成分。這種瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初 始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時(shí)間常數(shù)；其持續(xù)時(shí)間 一般的1s左右，幅值可達(dá)記錄儀的最大值。(3)人為運(yùn)動(dòng)人為運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的(但非階躍)基線改變，由電極 移動(dòng)中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運(yùn)動(dòng)由

16、病人的運(yùn)動(dòng)和振 動(dòng)所引起，造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類(lèi)似周期正弦信號(hào)，其峰 值幅度和持續(xù)時(shí)間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。肌電干擾(EMG)肌電干擾來(lái)自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn) 動(dòng)產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般 不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量 集中在30-300 Hz范圍內(nèi)。(5) 基線漂移和呼吸時(shí) ECG幅值的變化 基線漂移和呼吸時(shí) ECG幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動(dòng)等低頻干擾所引起，頻率小于5 Hz;其變化可視為一個(gè)加在心電信號(hào)上的與呼吸頻率 同頻率的正弦分量，在 O.015-O.3HZ處基線變化變化幅度的為 ECG峰峰值的15%。(

17、6) 信號(hào)處理中用電設(shè)備產(chǎn)生的儀器噪聲心電信號(hào)是由人體心臟發(fā)出的極其精密、相當(dāng)復(fù)雜并且有規(guī)律的微弱信號(hào)，外界干 擾以及其它因素的存在都會(huì)使其變得更為復(fù)雜，要準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn) 行自動(dòng)檢測(cè)、存儲(chǔ)、分析卻是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。例如，工頻 干擾信號(hào)對(duì)心電圖的影響會(huì)使心電信號(hào)的特征點(diǎn)定位變得十分困 難。因此，心電信號(hào)的監(jiān)視、分析必須在建立在有效抑制各種干 擾、檢測(cè)出良好的心電信號(hào)的基礎(chǔ)之上。(7) 共模信號(hào)(commonmode signal):從體表采集到的信號(hào)除 了人體心臟產(chǎn)生的電信號(hào)外，還包含許多與心電無(wú)關(guān)的電信號(hào)。由于體表各個(gè)導(dǎo)聯(lián)均可看到這些信號(hào)，故稱(chēng)為共模信號(hào)。共模信 號(hào)強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心電信號(hào)，

18、從而干擾心電圖分析。第二章 本課題主要硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容本課題是設(shè)計(jì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的采集與處理，并通過(guò)液晶顯示器顯示心電波形。該心電信號(hào) 采集系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分組成：前置放大電路，從強(qiáng)的噪聲背景中提取心電信號(hào)帶通濾波電路，使頻率為0.05-100HZ的心電信號(hào)通過(guò)，該范 圍以外的信號(hào)將大幅度衰減掉。50Hz陷波電路，用于濾掉50Hz工頻干擾主放大電路，將前級(jí)放大的心電信號(hào)進(jìn)行再次放大。A/D轉(zhuǎn)換電路，將系統(tǒng)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)單片機(jī)及液晶顯示器輸出電路,處理采集到的數(shù)據(jù)并輸出0.05HZ高通濾波電路100HZ低 通 濾 波 電 路工 頻 限 波 電 路主

19、放大電路11#模擬信號(hào)處理#2.1心電信號(hào)采集生物信號(hào)測(cè)量有電測(cè)量和非電測(cè)量，象心電這類(lèi)信號(hào)本身即 是電參量，直接加電極于人體即可獲取心電信號(hào)。由于生物電信 號(hào)是兩點(diǎn)的電位差信號(hào)，心電信號(hào)是變化緩慢的生物電位，當(dāng)用 兩個(gè)電極分別引導(dǎo)生物體兩點(diǎn)的電位時(shí)，如果兩個(gè)電極本身的電 位不同則會(huì)造成記錄中的偽差(又稱(chēng)極化電位)。因此我們必須用 去極化電極。我們采用了銀-氯化銀電極，它就是一種去極化電 極。對(duì)于數(shù)據(jù)的采集我們使用了一種間歇式的方法。由于記錄電 極存在電極極化電位。若兩電極極化電壓極性相同，則作為共模 直流信號(hào)入前置放大器，前置放大器有高 CMRR，可克服一定共 模極化電壓。但是通常電極是不對(duì)

20、稱(chēng)的，也就是兩電極極化電壓 不等，則兩極化電壓之差作為差模直流信號(hào)入前置放大器，會(huì)造 成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，甚至進(jìn)入截止或飽和。這種極 極化電位的存在限制了前置放大器的增益。因此前端放大增益較 小，設(shè)計(jì)在10左右，是為了避免飽和。過(guò)強(qiáng)的高頻信號(hào)在通過(guò)前 級(jí)時(shí)形成阻塞，進(jìn)而通過(guò)“斬波”的方式產(chǎn)生一個(gè)低頻干擾信號(hào)。(1) 心電測(cè)量中，皮膚和電極接觸將引起極化電壓，如果兩 個(gè)電極完全對(duì)稱(chēng)，這種極化電壓數(shù)值和相位相同，將作為直流共 模信號(hào)輸入到心電放大器；無(wú)處不在的工頻干擾也是一種共模干擾。因而所選放大器一定要有很高的共模抑制比 (CMRR)，共模 抑制比高能很好地抑制干擾。心電信號(hào)前置放大器

21、的共模抑制比 一般要在80dB以上。(2) 電極和皮膚接觸會(huì)存在極化電阻，而被測(cè)者身體的移動(dòng) 會(huì)導(dǎo)致極化電阻阻抗值發(fā)生變化。極化電阻可以看作是整個(gè)電路 系統(tǒng)源電阻，和前置放大電路的輸入電阻進(jìn)行分壓，變化的極化 電阻會(huì)導(dǎo)致前置放大電路的分壓輸出處于不穩(wěn)定狀態(tài)。所以心電 前置放大器必須具有很高的輸入阻抗才能減弱心電信號(hào)的衰減影 響。信號(hào)源阻抗一般在數(shù)十歐姆到數(shù) K歐姆之間，心電前置放大 器的輸入阻抗應(yīng)該比源阻抗至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，以保證信號(hào)的不 失真。(3) 由于電子電路溫度變化而造成的零點(diǎn)漂移也能?chē)?yán)重影響 正常的心電信號(hào)的檢測(cè)，因而要采用低溫漂的元件，尤其是在選 擇心電信號(hào)放大器時(shí)更要選擇低溫漂的

22、產(chǎn)品，否則會(huì)影響放大器 的輸入范圍，使得微弱的緩變信號(hào)無(wú)法放大，心電信號(hào)中的低頻 成分不能得到正確的測(cè)量。總之前置放大器的選擇要從高共模抑 制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂這幾個(gè)方面著手。心電前置電路是指輸入的心電信號(hào)首先通過(guò)一高輸入阻抗 的電壓跟隨器，再經(jīng)差分放大輸入到主放大電路的這一部分，主 要由輸入電壓保護(hù)電路、前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、導(dǎo)聯(lián)脫 落檢測(cè)電路等幾部分組成。置放大器的要求是高輸入阻抗、高共 模抑制比、高增益、高穩(wěn)定度、低噪聲、低漂。同時(shí)考慮到便攜 性，還要同時(shí)考慮功耗及體積的特性。前置放大器我們選用美 An alog Devices 公司的 AD62OAN.AD62OAN0

23、Z是一款價(jià)格低廉、性 能優(yōu)良的儀表放大器。圖2-5是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖。AD620A為三運(yùn) 放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端 的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入，并采用p工藝獲得更低的輸入 偏置電流，通過(guò)輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電 極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻 Rg±。雖然 AD62曲傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三13運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計(jì)前置放大電路142.1.1帶通濾波電路從電極提取過(guò)來(lái)的的來(lái)自人體和電源的噪聲比較強(qiáng)，前置級(jí) 放大不能抑制所有的工頻干擾，所以需要在前置放大電路和主放 大電路之間設(shè)計(jì)模擬濾

24、波電路。由于人體心電信號(hào)的心電信號(hào)頻帶主要集中在 0. 05 100Hz, 所以要求心電放大器在此頻率范圍內(nèi)必須不失真的放大所檢測(cè)到 的的各種電信號(hào)。由于濾波電路的作用是在允許采用信號(hào)中所需 頻率信號(hào)通過(guò)的同時(shí)，對(duì)其他頻率的信號(hào)進(jìn)行有效地衰減，可以 采用高通濾波器和低通濾波器來(lái)壓縮通頻帶。本次設(shè)計(jì)采用兩個(gè) OP-07運(yùn)放分別設(shè)計(jì)二階壓控有源高通濾波和低通濾波器來(lái)實(shí) 現(xiàn)，放大系數(shù)威1有下圖所示。(1)濾波理論模擬濾波器類(lèi)型由低通、高通、帶通、帶阻以及全通等，濾 波電路傳遞函數(shù)一般采用復(fù)頻率表示方式，既S域法。傳遞函數(shù)的 零、極點(diǎn)決定了該電路具體的濾波類(lèi)型?！傲泓c(diǎn)”是分子s多項(xiàng)式的根，“極點(diǎn)”則是

25、分母多項(xiàng)式的根。需要注意的是必須保證系 統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既極點(diǎn)都處于S 平面的左半側(cè)，否則電路會(huì)產(chǎn)生 自激振蕩。圖3.7為二階有源濾波器的示意圖，運(yùn)放接成同相放大 器，其增益為K二乩衛(wèi)3-4R2該電路的傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：根據(jù)電路，分別列出節(jié)點(diǎn) C及 B的電 流方程刀1=0,得：U c“ +丫2 +丫3 )-U i - U bY3 - U。丫2 = 0U B 丫3 丫4 - U cY3 = 03 - 5U U B K聯(lián)立上式可得：絲3一6Ui s丫4丫1丫2丫3汕(丫1丫21- K丫3賦予丫倒丫4不同的阻容元件，可以得到不同類(lèi)型的濾波器，令K2c 2 /Y1=Y3=1/R Y2=Y4=SC則傳遞

26、函數(shù)：3- 7該傳遞函數(shù)共有兩個(gè)極點(diǎn)而沒(méi)有零點(diǎn)，是一個(gè)二階低通濾波器1R1其中0 二3-8，K =1 空 3-9，Q -3-10 式中0RCRf13K-特征角頻率，K-運(yùn)放增益，Q-濾波電路的等效品質(zhì)因素，C值太17低，濾波器很難有陡峭的過(guò)渡帶。當(dāng)K> 3時(shí)，母中系數(shù)s項(xiàng)變?yōu)樨?fù)， 極點(diǎn)就會(huì)移至s平面的右半平面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果將低 通電路中的R和C的位置互換，就可以得到RC高通電路。即若丫仁丫3=SC,Y2=Y4=1/R,就可以得到二階有源高通濾波器，由于二階高 通濾波器與二階低通濾波器在電路結(jié)構(gòu)上存在對(duì)稱(chēng)性，他們的傳 遞函數(shù)也存在對(duì)偶關(guān)系，可得高通濾波器的傳遞函數(shù)為：Auf 2

27、 s -KsKss2s亠RCR2C23-110Q當(dāng)?shù)屯ê透咄V波電路串聯(lián)，可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低 通濾波器的截止角頻率大于高通濾波電路的截止角頻率，兩者覆 蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。(2)心電信號(hào)的帶通濾波器設(shè)計(jì)圖3.8是帶通濾波電路圖，采用兩個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)成二階有源高通和低 通濾波電路并組合成帶通濾波，兩個(gè)運(yùn)放的增益為1。OP-07(圖中 標(biāo)識(shí)為U13和U14)是常用的通用放大器，價(jià)格便宜，它具有高精度、 低功耗，低偏置的特點(diǎn)。GND帶通濾波電路2.1.2工頻陷波電路盡管在前置放大電路中，我們采用了低噪聲的集成運(yùn)放來(lái)抑 制50HZ工頻干擾，但往往在不同環(huán)境中實(shí)際測(cè)量時(shí)，不能完全 消除

28、50HZ工頻干擾。因此我們還要設(shè)計(jì)一個(gè) 50HZ陷波器來(lái)消 除工頻干擾。一般常用帶阻濾波予以抑制。帶阻濾波器又叫陷波 器，當(dāng)50HZ干擾非常嚴(yán)重時(shí)，可采用以 50HZ為中心頻率的陷 波器把50HZ的頻率成分濾掉。該陷波器如下圖所示。工頻陷波電路2.1.3主放大電路心電信號(hào)的幅度譽(yù)為10uV-5mV，我們選用的A/D轉(zhuǎn)化器的輸入 電平要求為 0-3.3V，因此必須實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的高效增益放大 600-80倍左右。前置放大器理論上放大了10倍。主放大電路再放大80左右即可。主放大電路有 R15 R16和運(yùn)放組成如下圖所 示，這里采用的是同比例放大電路，介入 R16可變電阻，可調(diào)節(jié) 最佳的增益輸出.+

29、5V主放大電路2.1.4.A/D 轉(zhuǎn)換本系統(tǒng)用AT89S51系列單片機(jī)，AT89S51系列單片機(jī)基于 簡(jiǎn)化的嵌入式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕，具有很強(qiáng)的 靈活性，并采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有很高的穩(wěn)定性， 且節(jié)約成本。2.1.5 ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹ADC0809八位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉(zhuǎn)換器、8通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和與微處理器兼容的 控制邏輯。8路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能直接連通8個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何 一個(gè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。23#START ' ' CLOCKA.DDAADDSADDC ALE8路模擬開(kāi)關(guān)撈i27i2Si

30、:i2i3i4151NNNNNNNNI I rl T1 I Ti I- T12019'18S '151417'9EOC2-22422-i2-72-6OE#24圖2-2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.ADC0809主要性能逐次比較型CMOS工藝制造單電源供電無(wú)需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度調(diào)整IK3爲(wèi)IN2IN4227INIINS326_INOINS 425AIN7 524 -L BSTART> 23CEOC7 2 22ALED3 E | 21_D70E 920DSCLK IDIPD5TTL兼容池一11 18D4REF (+)1217DOGNF 13域REFDI 1415'-

31、D2具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 易與各種微控制器接口具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)分辨率：8位圖2-3 A/DC0809弓I腳功耗：15mW最大不可調(diào)誤差小于±LSB (最低有效位)轉(zhuǎn)換時(shí)間(fcLK =500KHz ) 128us轉(zhuǎn)換精度：-0.4%ADC0809沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，其范圍為101280kHz。典型時(shí)鐘頻率為640kHz2引腳排列及各引腳的功能，弓I腳排列如圖 2-3所示。各引腳的功能如下：IN0IN7 : 8個(gè)通道的模擬量輸入端。可輸入 05V待轉(zhuǎn)換的模 擬電壓。D0D7: 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是 最低位。A、B、C：通道選擇

32、端。當(dāng)CBA=000時(shí)，IN0輸入；當(dāng)CBA=111時(shí)，IN7輸入。ALE :地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把 A、B、C的狀 態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開(kāi)關(guān)的地址鎖存器中，從而選通 8路模擬信 號(hào)中的某一路。START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。從 START端輸入一個(gè)正脈沖， 其下降沿啟動(dòng) ADC0809開(kāi)始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100200nsoEOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健?E:輸出允許端。CLK :時(shí)鐘輸入端。ADC0809的典型時(shí)鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換 時(shí)間約為100 sREF(-)、REF(+):參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為+ 5V。 V

33、CC、GND :供電電源端。ADC0809使用+ 5V單一電源供電。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿 將地址鎖存，并譯碼。在 START上升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器 清零，在下降沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，此期間START應(yīng)保持 低電平。在START下降沿后10us左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)變?yōu)榈碗?平，EOC為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié) 束。OE為低電平時(shí)，D0D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時(shí)，允 許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。2.1.6、AT89C51與 ADC0809的接口ADC0809寸鐘信號(hào)由單片機(jī)的ALE信號(hào)2分頻獲得。ADC0809 通道地址由P0 口的低3位直接

34、與ADC0809的A B C相連。轉(zhuǎn) 換后的N個(gè)數(shù)據(jù)順序存放到起始地址為 data_addr數(shù)據(jù)存區(qū)。5.3、ADC080啲時(shí)鐘頻率500KHZ的產(chǎn)生：從單片機(jī)ALE引腳產(chǎn)生的1MHZ頻率，通過(guò)D觸發(fā)器后變?yōu)?500KHZ然后 輸入到0809中的CLK引腳中。而D觸發(fā)器在74LS74 芯片可以找到。如圖所示：262.1.7、時(shí)鐘源設(shè)計(jì)30pF°時(shí)鐘源電路如圖（6）所示，X1和X2之間跨接晶體振蕩器和 微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電 路，時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成 為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。30pFCl 十 C2A1AL2.1.9、復(fù)位

35、電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路如圖原理圖所示，復(fù)位電路具有上電自動(dòng)復(fù)位作 用。271.1.10顯示電路P2.2+5V12345678123456781236788*4 70 QP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.628第三章系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，即主程序和中斷服務(wù)程序 系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn)，主要的功能子程 序有：數(shù)據(jù)采集、部分中斷子程序。序流程圖如圖所示29外中斷INTO中斷服務(wù)程序v 讀取A/D0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果v 啟動(dòng)下一輪轉(zhuǎn)換v 將轉(zhuǎn)換成三位BCD碼外中斷INTO中斷服務(wù)程序定時(shí)器TO中斷服務(wù)程序程序如下三位顯示12ms循環(huán)一次，每位顯示

36、4ms。計(jì)算定時(shí)器初值晶振頻率6MH，每機(jī)器周期2us，采用定時(shí)器方式一，初值為 X=65535-4000/2=63536=F830H30H，31H，32H，作為顯示緩沖單元分別存放個(gè) 十 百 位的BCD 碼。.程序中的第二表格電壓-心電數(shù)表TAB2是假數(shù)據(jù)并且不全。程序如下:ORG000HAJMPMAINORG000BHAJMPDISPORG0013HAJMPADMAIN:SETBIT0;設(shè)置INT0為邊沿觸發(fā)方式MOVIE, #83H;INT0 T0中斷開(kāi)放MOVIP, #02H；T0高級(jí)優(yōu)先MOVTMOD,#01H;設(shè)置初值MOVTL0,#30HMOVTH0,#0F8HSETBTR0;啟

37、動(dòng)T0MOV30H,#0;3個(gè)顯示緩沖區(qū)MOV31H,#0MOV32H,#0MOVA,#0;啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換MOVRO,#0MOVR0, ASJMP $;原地踏步;TO中斷顯示;顯示緩沖百32H十31H 個(gè)30HDISP:MOVTL0,#30H;T0設(shè)初值MOVTH0,#0F8HMOVP2,#0FFH;顯示全關(guān)CJMPR2,#00H,DISP1;顯示個(gè)位MOVP1,30HCLRP2.0AJMPDISP3DISP1：CJNER2，#01H, DISP2;顯示十位MOVP1,31HCLRP2.1AJMPDISP3DISP2：MOVP1,32H;顯示百位CLRP2.2DISP3:MOVRETIR2

38、, #00H;INTO中斷，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果AD:MOVR0, #00H;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVXA,R0MOVA,#0;啟動(dòng)下一次A/D轉(zhuǎn)換MOVXR0, AMOVDPTR,#TAB2;指向電壓-心電數(shù)據(jù)表MOVCA,A+DPTR；查看心電數(shù)值MOVB,#64H;取得百位BCD碼DIVABMOVDPTR,#TAB1MOVCA,A+DPTR；查對(duì)應(yīng)的七段碼MOV32H,A;七段碼存入百位顯示區(qū)MOVA,B;取得十個(gè)位BCD碼MOVB,#0AHDIVABMOVCA,A+DPTR;取得十位七段碼MOV31H,AMOVA,B;取得個(gè)位七段碼MOVCA,A+DPTRMOV30H,ARETITAB1:七段碼表TAB2:電壓心34VIN第四章系統(tǒng)原理圖+5VTIBT?BATTERYBT?GNDBATTERY4AD6201GNDC2C3-5V前置放大電路R64