基于單片機(jī)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1 緒論當(dāng)今心血管疾病已成為威脅人類健康和生命的主要疾病之一，心臟病的死亡率仍居首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上平均每年約幾百萬(wàn)人死于此類疾病，我國(guó)因心血管疾病死亡人數(shù)約占總死亡人數(shù)的44，很多心臟病人是由于未及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而最終導(dǎo)致死亡1。因此，對(duì)心血管疾病的診斷、預(yù)防是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。盡早地發(fā)現(xiàn)心血管系統(tǒng)疾病征兆，及時(shí)地了解心臟病狀況，對(duì)疾病的預(yù)防和及時(shí)診治具有重要的意義。11心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展背景及意義心臟是人體的重要器官，在人的生命過(guò)程中，心臟不斷地、有節(jié)律地收縮與舒張，將血液從靜脈吸入心臟，并射入動(dòng)脈實(shí)現(xiàn)其泵血的功能。心臟在機(jī)械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)。心肌激動(dòng)所產(chǎn)生的微小電

2、流可經(jīng)過(guò)身體組織傳導(dǎo)到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個(gè)電極，分別用導(dǎo)線聯(lián)接到心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(即精密的電流計(jì))的兩端，它會(huì)按照心臟激動(dòng)的時(shí)間順序，將體表兩點(diǎn)間的電位差記錄下來(lái)，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖(ECG) 1。心電圖是反映心臟內(nèi)興奮產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)的過(guò)程中的電位變化的綜合波形。它不僅與單個(gè)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的曲線有明顯的不同，而且因測(cè)量的電極放置的位置和連接方式的不同而有所差異。心電信號(hào)是最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的人體生物電之一，如今醫(yī)學(xué)界人士已經(jīng)可以通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的分析研究對(duì)心血管相關(guān)病變做出預(yù)測(cè)和診斷。因此，及時(shí)準(zhǔn)確和完整地進(jìn)行心電信號(hào)提取，并提供有效的輔助分析和診斷手

3、段是一項(xiàng)重要而有意義的研究課題。12心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)各大醫(yī)療器械廠和科研單位都在心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)上投入了大量的資源，并且都開發(fā)了各具特點(diǎn)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品。電子醫(yī)療技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及臨床醫(yī)學(xué)的相互促進(jìn)，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的心電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，常見的有床邊心電監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)、電話心電監(jiān)測(cè)和天線心電監(jiān)測(cè)等。1.2.1床邊心電監(jiān)測(cè)床邊心電監(jiān)護(hù)是在病床邊對(duì)被監(jiān)護(hù)者進(jìn)行持續(xù)或間斷的心電監(jiān)測(cè)，它是心臟監(jiān)護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容。自1962年創(chuàng)立了冠心病監(jiān)護(hù)病房以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均先后開展了床邊心電監(jiān)護(hù)。目前，心電監(jiān)護(hù)已廣泛應(yīng)用到臨床各種危重病和非危重病的監(jiān)護(hù)，各種手術(shù)、特殊檢查與治療的監(jiān)護(hù)。由于床邊心電監(jiān)護(hù)

4、的開展，提高了臨床診斷水平與醫(yī)療質(zhì)量，大大提高了危重病人的搶救成功率，起到預(yù)防和減少醫(yī)療事故或醫(yī)療糾紛的作用，也減輕了醫(yī)護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。1.2.2動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)心電圖是用一個(gè)磁帶或固態(tài)式記錄器24小時(shí)連續(xù)不斷的記錄病人在日?；顒?dòng)狀態(tài)下的心電信息，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)回放、分析和編輯打印2。動(dòng)態(tài)心電圖記錄了不同體位、不同狀態(tài)、不同時(shí)間的心電變化，一次獲得的信息長(zhǎng)達(dá)2.16Km，十余萬(wàn)次心搏和十余萬(wàn)次心動(dòng)周期，現(xiàn)已成為診斷心率失常、心肌缺血、評(píng)估起搏功能和藥物療效的高新技術(shù)。1.2.3電話心電監(jiān)測(cè)電話傳送心電監(jiān)護(hù)是指通過(guò)電話傳送患者的心電信息到監(jiān)護(hù)/接收中心進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)

5、患者的癥狀及傳送的心電圖對(duì)其分析判斷后實(shí)施電話診斷、護(hù)理、處置而進(jìn)行的監(jiān)護(hù)，具有使用方便、不受時(shí)間、空間和地域限制等特點(diǎn)。它是心血管領(lǐng)域心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)突破和進(jìn)展，它的應(yīng)用對(duì)院外心臟病急救護(hù)理、心臟病家庭電話遙控診治、護(hù)理有著非常重要的意義。TTM作為臨床心電監(jiān)護(hù)向院外延伸的一種新的手段，對(duì)心律失常、心肌缺血和心肌梗死等有可靠的監(jiān)護(hù)效果，對(duì)有癥狀，偶發(fā)、短暫的心律失常和一過(guò)性心肌缺血有獨(dú)到的監(jiān)測(cè)作用。對(duì)嚴(yán)重心律失常、心肌梗死和心絞痛，它較心電圖(ECG)診斷更準(zhǔn)確，對(duì)院外心臟病的急救處理、護(hù)理指導(dǎo)具有很大的價(jià)值。它大大地縮短了醫(yī)患、護(hù)患之間的距離，給患者一種安全感，從而穩(wěn)定了患者不安的心理狀

6、態(tài)，消除了心理壓力和負(fù)擔(dān)，減少了心臟病的誘發(fā)因素。作為長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)的患者，則在不斷得到急救、護(hù)理指導(dǎo)的同時(shí)，提高了自救、自護(hù)能力。TTM系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用處在起步階段，院外急救護(hù)理也是一個(gè)新的課題，需更進(jìn)一步探討、總結(jié)和提高，以更好地造福于全社會(huì)的心臟病患者。但是，如今有很多心電監(jiān)測(cè)儀還沒有得到普及，還存在一些問(wèn)題：（a）提供的心電處理功能和記錄的心電信息有限，醫(yī)生從中難以得到全面的電信息，降低了醫(yī)生對(duì)疾病診斷的正確率。（b）一般都采用了數(shù)字信號(hào)處理器作為心電數(shù)據(jù)分析的核心器件，而數(shù)據(jù)通信、液晶顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、程序存儲(chǔ)器等都需要外擴(kuò)專門的功能器件，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積比較大，同時(shí)功耗也比較大，價(jià)格

7、比較昂貴，一般患者難以承受。（c）與之配套的監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)和心電數(shù)據(jù)處理中心尚不完善。13心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向和展望傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電監(jiān)測(cè)儀價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫(yī)院而無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的病情，給醫(yī)生和患者帶來(lái)了很大的不便。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠(yuǎn)程保健服務(wù)成為可能。未來(lái)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，會(huì)繼續(xù)向全信息、固態(tài)記錄、多導(dǎo)聯(lián)同步采集等方向發(fā)展，適用于個(gè)人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興的醫(yī)療途徑提供良好的幫助和支持。

8、2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證21心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求本課題的題目是基于單片機(jī)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求心電監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)采集裝置輸入到前置放大器，信號(hào)放大8倍以后，再經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波，濾掉0.05Hz以下頻率與105Hz以上頻率，同時(shí)阻止50Hz工頻干擾信號(hào)的通過(guò)。經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)通過(guò)后級(jí)放大電路將其放大到伏特級(jí)別，再經(jīng)過(guò)加法器電路將其波形提升到0V以上，便于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)化電路直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。經(jīng)過(guò)處理的心電信號(hào)最終由簡(jiǎn)易的示波器顯示到液晶屏上，以便使用者能夠?qū)崟r(shí)方便的觀察到心電波的變化與形態(tài)。液晶屏選用具有KS0108控制器的12864LCM,采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并驅(qū)動(dòng)顯示屏顯

9、示波形。22心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于心電信號(hào)的采集，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行采集。心電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào)，要先利用前置放大電路將信號(hào)放大8倍。由于人體信號(hào)源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償電路。對(duì)于放大以后的信號(hào)，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。心電信號(hào)中存在0.05Hz以下的頻率信號(hào)、105Hz以上的頻率信號(hào)和50Hz的工頻干擾信號(hào)，需要讓心電信號(hào)依次通過(guò)低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，經(jīng)過(guò)濾波電路以后的信號(hào)變的比較干凈。然后為將心電信號(hào)放大到伏特級(jí)別，讓其通過(guò)一個(gè)主放大電路。同時(shí)，為了便于單片機(jī)和ADC0808的信號(hào)采集和處理，可以讓心電信號(hào)通過(guò)一個(gè)加法器電路，將

10、波形提升到0V以上。然后通過(guò)顯示電路讓經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理的信號(hào)顯示在液晶屏上。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。補(bǔ)償電路儀表放大器前置電路濾波器電路主放大電路同相加法器ADC0808單片機(jī)心電信號(hào)采集顯示電路圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性論證在所學(xué)的知識(shí)中，對(duì)于心電信號(hào)采集，可以利用特定的傳感器進(jìn)行心電信號(hào)的采集；對(duì)于前置放大電路，可以采用集成儀表放大器AD620進(jìn)行信號(hào)的前置放大；對(duì)于補(bǔ)償電路，可以用運(yùn)算放大器和反饋電阻組成補(bǔ)償電路；對(duì)于濾波電路，可以利用有源濾波器電路通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)出符合要求的低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器；對(duì)于主放大電路，可以利用集成運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放

11、大；對(duì)于加法器電路，可以利用集成運(yùn)算放大器來(lái)進(jìn)行加法器的設(shè)計(jì)；對(duì)于心電信號(hào)的數(shù)字化以及分析處理，可以利用單片機(jī)和ADC0808來(lái)設(shè)計(jì)硬件電路；對(duì)于顯示電路，可以讓心電信號(hào)在液晶上顯示。A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路以及單片機(jī)對(duì)心電信號(hào)的分析處理需要進(jìn)行軟件的編寫。通過(guò)論證，上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行，可以達(dá)到心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。3硬件電路設(shè)計(jì)31心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)臨床上心電信號(hào)主要從體表收集，檢測(cè)時(shí)將測(cè)量電極安放在體表相隔一定距離的兩點(diǎn)，電極通過(guò)多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監(jiān)護(hù)儀的放大器相連，測(cè)量出電極在體表的電位差就是心電信號(hào)，描成曲線就是心電圖。在測(cè)定心電信號(hào)波形時(shí)，電極安放的位置以及

12、導(dǎo)線與放大器連接的方式，稱為心電儀的“導(dǎo)聯(lián)”。將電極捆綁在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過(guò)較長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)線與心電儀連接的方式稱為“標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)”。習(xí)慣上對(duì)這些電極規(guī)定了表示符號(hào)和連接導(dǎo)線的顏色，如表3.1所示。表3.1導(dǎo)聯(lián)標(biāo)記電極的部位右臂左臂左腿右腿表示符號(hào)RALALLRL導(dǎo)線顏色紅黃藍(lán)（綠）黑標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)直接把兩個(gè)肢體的電位加到心電放大器的輸入端，所描述的波形即為兩點(diǎn)電位差的變化。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-），左臂（LA）接放大器同相輸入端（+），右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-），左腿（LL）接放大器同相輸入端（+），右腿（R

13、L）作為參考電極，接心電放大器的參考點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：左臂（LA）接放大器反相輸入端（-），左腿（LL）接放大器同相輸入端（+），右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點(diǎn)。本課題采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式，右腿（RL）的參考電極連接補(bǔ)償電路3。圖3.1信號(hào)采集電路輸入端示意圖在本次的設(shè)計(jì)中，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式，即如圖3.1所示，IO1端作為參考電極接右腿，IO2端接左臂，IO3端接右臂。32前置放大電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用集成儀表放大器AD620。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所要處理的電信號(hào)比較微弱，而且對(duì)其波形質(zhì)量要求較高，要求具有高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲和低漂移。所以在本次設(shè)計(jì)中可以選用集成儀表

14、放大器AD620來(lái)進(jìn)行前置放大電路的設(shè)計(jì)。3.2.1AD620芯片簡(jiǎn)介AD620內(nèi)部由三個(gè)放大器共同組成，其引腳圖如圖3.2所示。在使用中，芯片1、8腳接Rx,4、7腳接正負(fù)相等的工作電壓，2、3接輸入的弱電壓信號(hào)，6腳為輸出引腳，5腳為參考基準(zhǔn)。圖3.2 AD620管腳圖本設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)整Rx的大小來(lái)調(diào)整AD620的增益值，其增益可以通過(guò)公式(3.1)進(jìn)行計(jì)算。 (3.1)AD620增益范圍是11000。它具有低耗電，精確度高，低噪聲，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小，具有較高的共模抑制比，調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。該芯片可提供的最大電流為1.3mA的電流。適用于ECG測(cè)量、醫(yī)療器件、壓力測(cè)量、信

15、號(hào)采集等場(chǎng)合。3.2.2 前置放大電路設(shè)計(jì)如圖3.3所示，差分輸入端IO2、IO3分別接標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的正負(fù)輸入端，R1、R4 、R5共同決定放大電路的放大倍數(shù)。在整體的電路工作中，因?yàn)樾碾娦盘?hào)比較微弱，所以要求放大1000倍左右。但是，根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則，前級(jí)的增益不能設(shè)置太高，因?yàn)榍凹?jí)增益過(guò)高將不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理，在本次設(shè)計(jì)中，可以要求前級(jí)電路放大8倍以便于后面對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理。圖3.3前置放大電路3.2.3元器件參數(shù)計(jì)算表3.2元器件參數(shù)元器件R1R4R5C1參數(shù)8.25k24.9k24.9k4.7FAD620的外圍電路僅為一個(gè)控制增益的電阻Rx，由公式（3.1）計(jì)算可以得出

16、此處的增益： （3.2）通過(guò)計(jì)算，從中可以看出前置放大電路的增益約為8倍，符合設(shè)計(jì)要求。因此本設(shè)計(jì)可以選用表3.2中的元器件來(lái)搭建放大電路，保證設(shè)計(jì)的前置電路符號(hào)設(shè)計(jì)的要求。33補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)為了抵消人體信號(hào)源中的各種噪聲干擾，包括工頻干擾。在本次設(shè)計(jì)中可以引入補(bǔ)償電路3。運(yùn)算放大器AD705J、R2、R3、C1共同組成補(bǔ)償電路，IO1連接人體信號(hào)源參考端。引入補(bǔ)償電路的方法是在前級(jí)放大電路的反饋端與信號(hào)源地端建立共模負(fù)反饋，為提高反饋深度，將反饋信號(hào)放大后接人體信號(hào)源參考端，這樣可以最大限度的抵消工頻干擾。電路如圖3.4所示。圖3.4補(bǔ)償電路電路圖34濾波電路的設(shè)計(jì)3.4.1低通濾波器電路的

17、設(shè)計(jì)為了濾除105Hz以上的干擾信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為105Hz的低通濾波器。本設(shè)計(jì)可以采用有源低通濾波器，根據(jù)學(xué)過(guò)的濾波器知識(shí)，先確定低通濾波器的大致形式，然后通過(guò)計(jì)算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為105Hz。在這次設(shè)計(jì)中，可以采用的運(yùn)算放大器為OP07，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3.5所示。圖3.5低通濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，,由公式（3.3） (3.3)可以計(jì)算出若，則。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因?yàn)楣剑?.4） (3.4)可以計(jì)算得出。表3.3元器件參數(shù)組件名R1R2R3R4C1C2參數(shù)值10k10k10k20k318nF71nF通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的低通濾波器滿足截止頻

18、率為105Hz的設(shè)計(jì)要求。各元器件的參數(shù)值如表3.3所示。3.4.2高通濾波器電路的設(shè)計(jì)為了濾除0.05Hz以下的干擾信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為0.05Hz的高通濾波器。本設(shè)計(jì)可以采用有源高通濾波器，根據(jù)學(xué)過(guò)的濾波器知識(shí)，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過(guò)計(jì)算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為0.05Hz。在這次設(shè)計(jì)中，可以采用的運(yùn)算放大器為OP07，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3.6所示。圖3.6高通濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，,由公式（3.5） (3.5)可以計(jì)算出若，則。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因?yàn)楣剑?.6） (3.6)可以計(jì)算得出。表3.4元器件參數(shù)組件名R1R2C1C2參

19、數(shù)值450k225k27nF27nF通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的高通濾波器滿足截止頻率為0.05Hz的設(shè)計(jì)要求。各元器件的參數(shù)值如表3.4所示。3.4.3 帶阻濾波器電路的設(shè)計(jì)為了濾除50Hz的工頻干擾信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)50Hz工頻的帶阻濾波器，盡可能的消除工頻干擾3。本設(shè)計(jì)可以采用有源帶阻濾波器，根據(jù)學(xué)過(guò)的濾波器知識(shí)，先確定帶阻濾波器的大致形式，然后通過(guò)計(jì)算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定阻帶頻率為50Hz。在這次設(shè)計(jì)中，可以采用的運(yùn)算放大器為OP07，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3.7所示。圖3.7帶阻濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，,由公式（3.7） （3.7）可以計(jì)算出若，則。將參數(shù)值輸入到電路，仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)衰減3

20、dB時(shí)的帶寬為4357Hz,但衰減深度僅為7.43dB，需要調(diào)整器件參數(shù)值。經(jīng)反復(fù)調(diào)整，最終選定所以通過(guò)計(jì)算得出： （3.8） （3.9）為了調(diào)整深度，仿真調(diào)試后選擇最佳K值為0.96，取R4、R6電阻初始值為5k,所以： （3.10） （3.11）表3.5元器件參數(shù)元器件R1R2R3R4R6C1C2C3參數(shù)值47 k47 k23.5 k200 4.98 k68 nF68 nF136 nF通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的帶阻濾波器滿足截止頻率為50Hz的設(shè)計(jì)要求。各元器件的參數(shù)值如表3.5所示。35主放大電路的設(shè)計(jì)人體輸出的心電信號(hào)大約是毫伏級(jí)別的，為了便于單片機(jī)采集，本設(shè)計(jì)需要將心電信號(hào)放大到伏特級(jí)別。在前

21、置放大電路中，為了便于濾波，已經(jīng)將心電信號(hào)放大了8倍。理論上需要將心電信號(hào)放大1000倍。所以，本設(shè)計(jì)需要再設(shè)計(jì)一個(gè)主放大電路，繼續(xù)將信號(hào)放大125倍。在電路設(shè)計(jì)上，可以采用運(yùn)算放大器OP07完成。為了增加輸入阻抗降低輸出阻抗，可以在主放大電路前加一個(gè)電壓跟隨器電路。主放大電路如圖3.8所示。圖3.8主放大電路圖從圖3.8可以看出，前一個(gè)運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器電路，后一個(gè)運(yùn)算放大器組成反相放大電路，放大倍數(shù)由R1、R3、R23共同決定，此處增益為125。36同相加法器電路的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)主放大電路的處理，已經(jīng)把心電信號(hào)放大到了伏特級(jí)別，但是，心電信號(hào)可能存在負(fù)電壓，不方便單片機(jī)和ADC0808的采

22、集，需要設(shè)計(jì)一個(gè)加法器電路，把心電信號(hào)提升到0V以上，最后在程序編寫時(shí)再將檢測(cè)到的信號(hào)減去信號(hào)相加的直流電壓即可以得到實(shí)際的電壓值。加法器電路如圖3.9所示。圖3.9加法器電路圖同相加法器電路中，存在如下關(guān)系： (3.12) (3.13) (3.14)取，則根據(jù)上式可以計(jì)算出其它元器件的值，如表3.6所示。表3.6元器件參數(shù)元器件R1R2R3R4R5R6R7參數(shù)值50k50k50k50k25k1k10k37ADC0808轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)3.7.1ADC0808芯片簡(jiǎn)介ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信

23、號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。一般在硬件仿真時(shí)采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖3.10所示。圖3.10 ADC0808管腳圖ADC0808各引腳功能如下： 15和2628（IN0IN7）：8路模擬量輸入端。 8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。 22（ALE）：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 6（START）： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 7（EOC）： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此

24、端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10（CLK）：時(shí)鐘脈沖輸入端，要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：參考電壓輸入端。11（Vcc）：主電源輸入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。3.7.2 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)把ADC0808的輸出口分別依次與單片機(jī)的P0口連接，3位地址輸入線都接地，選擇IN0路作為模擬輸入端，心電信號(hào)由此端輸入。給ADC08

25、08芯片連接電源，時(shí)鐘信號(hào)。如圖3.11所示。該圖為心電信號(hào)的采集電路。圖3.11信號(hào)采集電路38顯示電路的設(shè)計(jì)3.8.1單片機(jī)芯片AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU

26、和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其管腳圖如圖3.12所示。各引腳功能如下：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻。圖3.12AT89C51管腳圖P1口：P1口是

27、一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)

28、，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3.7所示：表3.7 P3口管腳的特殊功能P3口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0

29、外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0

30、。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入

31、及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。3.8.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)是指最少的組件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)5。對(duì)于AT89C51單片機(jī)而言，最下系統(tǒng)應(yīng)該包括單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。如圖3.13所示。圖3.13單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖3.8.3 鍵盤電路的設(shè)計(jì)為了能夠更好的觀察液晶顯示的心電信號(hào)波形，本設(shè)計(jì)需要對(duì)顯示波形的周期和幅度加以控制，使它能夠完整的顯示在液晶屏上，不會(huì)出現(xiàn)波形的失真。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤電路，控制波形顯示的周期和幅度。對(duì)此，通過(guò)定義單片機(jī)的P3.0為Y軸幅度的減少控制端口，P3.1 為Y軸幅度的增加控制端口，P3.3為X軸幅度的減少

32、控制端口，P3.7為X軸幅度的增加控制端口。通過(guò)程序的編寫，本設(shè)計(jì)可以使得每按下一次按鍵，就可以得到相應(yīng)的波形的改變，方便對(duì)心電信號(hào)的觀察。鍵盤電路圖如圖3.14所示。圖3.14鍵盤電路圖3.8.4 顯示電路的設(shè)計(jì)12864是128*64點(diǎn)陣液晶模塊的點(diǎn)陣數(shù)簡(jiǎn)稱，是業(yè)界約定俗成的簡(jiǎn)稱。該點(diǎn)陣的屏顯成本相對(duì)較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。其管腳圖如圖3.15所示。圖3.15液晶管腳圖12864內(nèi)部存儲(chǔ)器DDRAM與顯示屏上的顯示內(nèi)容具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只需將顯示的內(nèi)容寫入到12864內(nèi)部顯示存儲(chǔ)器DDRAM中，就能實(shí)現(xiàn)正確顯示。12864液晶顯示屏橫向有128個(gè)點(diǎn)，縱向有64個(gè)點(diǎn)，分為

33、左半屏和右半屏。每屏可顯示4行8列共32個(gè)16 X 16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文宇符或2個(gè)16 X 8點(diǎn)陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。內(nèi)部提供128 X 2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)(DDRAM)。字符顯示是通過(guò)將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)的。繪圖顯示RAM提供64x32個(gè)位組的記憶空間(由擴(kuò)充指令設(shè)定繪圖RAM地址)，在更改繪圖RAM時(shí)，由擴(kuò)充指令設(shè)定GDRAM地址先設(shè)置垂直地址，再設(shè)置水平地址(連續(xù)寫入兩個(gè)位組的資料來(lái)完成垂直與水平的坐標(biāo)地址)，再寫入兩個(gè)8位的資料到繪圖RAM，而地址計(jì)數(shù)器(AC)會(huì)自動(dòng)加一

34、，整個(gè)寫入繪圖RAM的步驟為先關(guān)閉繪圖顯示功能(在寫入繪圖RAM期間，繪圖顯示必須關(guān)閉)，再先將垂直的位組(Y)寫入繪圖RAM地址，再將水平的位組lX)寫入繪圖RAM地址，再將D15D8寫入到RAM中，再將D7DO寫入到RAM中。在本次設(shè)計(jì)要求中，要求通過(guò)12864點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊顯示單片機(jī)處理后的心電圖形。12864點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊的各管腳的功能如表3.8所示。表3.8 12864點(diǎn)陣圖型液晶顯示模塊的引腳功能引腳符號(hào)功能11：選擇左邊64*46點(diǎn)21：選擇右邊64*46點(diǎn)3GND地4VCC+5V電源5V0顯示驅(qū)動(dòng)電源05V6RS1：數(shù)據(jù)輸入，0：命令輸入7R/W1：數(shù)據(jù)讀取，0：命

35、令寫入8E使能信號(hào)，負(fù)跳變有效916DB0DB7數(shù)據(jù)信號(hào)17復(fù)位，低電平有效18-VoutLCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電源在本次設(shè)計(jì)中，既在液晶上顯示了漢字，也將實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)的波形。顯示電路電路圖如圖3.16所示。由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示屏進(jìn)行顯示。其中，P1.0P1.7為顯示屏數(shù)據(jù)端口D0D7，P2.0P2.4為顯示屏控制端口。圖3.16顯示電路4程序的設(shè)計(jì)41程序編譯環(huán)境本次設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是AT89C51，其編譯環(huán)境就是熟悉的51單片機(jī)的編譯環(huán)境Keil 2。首先創(chuàng)建一個(gè)工程文件，然后新建文件編寫程序，通過(guò)編譯生成hex文件。把生成的hex文件加載到Protues仿真軟件的單片機(jī)中就可以進(jìn)行相應(yīng)的仿真調(diào)試。

36、42程序設(shè)計(jì)思想4.2.1程序設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)中，程序的主要功能是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，驅(qū)動(dòng)12864LCD顯示信號(hào)的波形和相關(guān)信息。本次設(shè)計(jì)的電路實(shí)際上就是一個(gè)具有專用性質(zhì)的示波器，可以進(jìn)行波形的顯示以及顯示的周期和幅度的控制。首先需要將輸入的心電信號(hào)通過(guò)ADC0808轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)保存在一個(gè)數(shù)組中，再對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理得出波形的參數(shù)值，最后再驅(qū)動(dòng)顯示器將數(shù)組中的電壓數(shù)值以波形的形式顯示到屏幕上，就這樣不停的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不停的一屏一屏的刷新顯示內(nèi)容，從而完成實(shí)時(shí)顯示功能。當(dāng)鍵盤電路有輸入時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，在

37、顯示在屏幕上。4.2.2程序設(shè)計(jì)的端口定義在程序編寫之前，首先需要對(duì)單片機(jī)初始化，定義其各個(gè)管腳的功能。如表4.1所示。表4.1 程序的端口定義IN0模擬信號(hào)輸入端P3.0Y軸方向幅度減少P3.1Y軸方向幅度增加P3.3X軸方向周期減少P3.7X軸方向周期增加P1.0P1.7顯示屏數(shù)據(jù)端口D0D7P2.0P2.4顯示屏控制端口 4.2.3程序設(shè)計(jì)流程圖在程序編寫之前首先確定確定程序編寫的流程圖。通過(guò)流程圖，可以很方便的編寫程序。把軟件程序分成幾個(gè)模塊，然后按模塊編寫對(duì)應(yīng)的程序。本次設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的流程圖分別如圖4.1和圖4.2所示。其中，圖4.1為主程序流程圖，圖4.2為實(shí)時(shí)顯示程序圖。在主流程圖中

38、，首先對(duì)單片機(jī)初始化，定義單片機(jī)各個(gè)端口的功能，方便以后編程時(shí)直接使用。然后對(duì)ADC0808芯片初始化，定義輸入端口。然后對(duì)LCD初始化，在對(duì)定時(shí)器初始化，設(shè)置其參數(shù)，接著LCD清屏，方便顯示。然后單片機(jī)進(jìn)入延時(shí)，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到液晶空閑時(shí)，輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶顯示在屏幕上。主流程流程圖如圖4.1所示。圖4.2為實(shí)時(shí)顯示流程圖。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到賦值位為1時(shí)，啟動(dòng)ADC0808,讓ADC0808進(jìn)行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后顯示在液晶屏幕上。通過(guò)鍵盤電路，可以控制實(shí)時(shí)顯示的波形。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到X軸按鍵增加鍵按下時(shí)，調(diào)整顯示圖形使其周期變大，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到X軸按鍵減少鍵按下時(shí)，調(diào)整顯示圖形使其周

39、期變小，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到Y(jié)軸按鍵增加鍵按下時(shí)，調(diào)整顯示圖形使其幅度變大，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到Y(jié)軸按鍵減少鍵按下時(shí)，調(diào)整顯示圖形使其幅度變小，當(dāng)檢測(cè)到循環(huán)標(biāo)志位變?yōu)?時(shí)，停止采樣，停止輸出波形。開始端口初始化ADC初始化LCD初始化定時(shí)器1初始化LCD清屏延時(shí)實(shí)時(shí)掃描顯示圖4.1主程序流程圖X軸增加鍵按下？循環(huán)標(biāo)志賦值1循環(huán)標(biāo)志為1？AD實(shí)時(shí)采樣實(shí)時(shí)電壓顯示X軸減少鍵按下？Y軸增加鍵按下？Y軸減少鍵按下？調(diào)整周期調(diào)整周期調(diào)整幅度調(diào)整幅度YYYYYNNNNN返回循環(huán)標(biāo)志復(fù)位運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志置位圖4.2實(shí)時(shí)顯示程序流程圖5仿真軟件的應(yīng)用與調(diào)試分析51Multisim 仿真軟件簡(jiǎn)介Multisim是加拿大圖像交互

40、技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一

41、個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。52Keil uvision2 仿真軟件簡(jiǎn)介Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。開發(fā)人員可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿

42、真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。53Proteus 仿真軟件簡(jiǎn)介PROTEUS軟件是由英國(guó)Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，它又可以分為ISIS和ARES兩個(gè)軟件，其中ISI

43、S是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件，ARES是一款高級(jí)的布線編輯軟件，它集成了高級(jí)原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)16。隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過(guò)程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。通過(guò)PROTEUS ISIS軟件的VSM（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有外圍接口電子元器件一起進(jìn)行仿真。PROTEUS軟件支持許多通

44、用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含強(qiáng)大的調(diào)試工具，可對(duì)寄存器、存儲(chǔ)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；具有斷點(diǎn)調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對(duì)顯示器、按鈕、鍵盤等外部設(shè)備進(jìn)行交互可視化仿真的功能。此外，PROTEUS可對(duì)IAR C-SPY、Keil uvision2等開發(fā)工具的源程序進(jìn)行調(diào)試，也可與Keil實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)。此外，在PROTEUS中還配置了各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、頻率計(jì)、I2C調(diào)試器等，便于測(cè)量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。該軟件的特點(diǎn)：（a）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。（b）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。（c）提供軟件調(diào)試功能。（d）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。54

45、前置放大電路調(diào)試與分析在對(duì)前置放大電路進(jìn)行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，幅度為-2+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，將差分輸入端一端接地，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.1所示。從圖5.1可以看到，信道B為輸入信道，信道A為輸出信道。輸出通道的幅值為15.64 mV，可以計(jì)算出放大倍數(shù)為： （5.1）通過(guò)計(jì)算，可以認(rèn)為仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求基本符合，從圖5.1可以看出，前置放大電路的效果比較理想，滿足設(shè)計(jì)要求。圖5.1前置放大電路輸入輸出波形55濾波電路調(diào)試與分析5.5.1低通濾波器調(diào)試與分析首先用波特儀來(lái)對(duì)低通濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。如圖5.2所示，通過(guò)波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時(shí)，截止頻

46、率約為102.56Hz，基本滿足設(shè)計(jì)要求。圖5.2低通濾波器頻帶仿真在對(duì)低通濾波電路進(jìn)行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，設(shè)置其幅度為-2+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.3所示?？梢钥吹?，輸入幅度為-2+2mV的方波信號(hào)時(shí)，輸出的波形在方波的開始端出現(xiàn)略微的失真，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道?？傮w來(lái)講，信號(hào)通過(guò)低通濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為信號(hào)通過(guò)該低通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計(jì)要求。圖5.3低通濾波電路輸入輸出波形仿真5.5.2 高通濾波器調(diào)試與分析在對(duì)高通濾波電路進(jìn)

47、行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，設(shè)置其幅度為-2+2mV，設(shè)定其頻率為10Hz，利用雙通道示波器觀察其輸入輸出波形。如圖5.4所示?？梢钥吹?，輸入幅度為-2+2mV的方波信號(hào)時(shí)，輸出的波形比輸入的波形略有向上的移動(dòng)，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道?？傮w來(lái)講，信號(hào)通過(guò)高通濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，本次設(shè)計(jì)可以認(rèn)為信號(hào)通過(guò)該高通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計(jì)要求。圖5.4高通濾波電路輸入輸出波形仿真用波特儀對(duì)高通濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。如圖5.5所示，通過(guò)波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時(shí)，截止頻率約為0.Hz，基本滿

48、足設(shè)計(jì)要求。圖5.5高通濾波器頻帶仿真5.5.3 帶阻濾波器調(diào)試與分析在對(duì)帶阻濾波電路進(jìn)行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，設(shè)置其幅度為-2+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.6所示?？梢钥吹剑斎敕葹?2+2mV的方波信號(hào)時(shí)，輸出的波形在方波的上下出現(xiàn)略微的浮動(dòng)，波動(dòng)很小，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道。總體來(lái)講，信號(hào)通過(guò)帶阻濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為信號(hào)通過(guò)該帶阻濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計(jì)要求。圖5.6帶阻濾波電路輸入輸出波形仿真可以用波特儀對(duì)帶阻濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。

49、如圖5.7和圖5.8所示，通過(guò)波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時(shí)，截止頻率分別為46Hz和54Hz，通過(guò)計(jì)算，可以得出帶阻寬。圖5.7帶阻濾波電路阻帶截止頻率圖5.8帶阻濾波電路阻帶截止頻率從圖5.9中，可以看出，當(dāng)頻率為50 Hz左右時(shí)，電路衰減值最大，衰減深度約為19.18dB,基本符合設(shè)計(jì)要求。圖5.9衰減深度仿真至此，通過(guò)分析，可以認(rèn)為設(shè)計(jì)的帶阻濾波電路符合設(shè)計(jì)要求。56主放大電路調(diào)試與分析在對(duì)主放大電路進(jìn)行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，設(shè)置其幅度為-16+16mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.10所示。可以看到，輸入幅度為-16+16mV的方波信號(hào)時(shí)，輸

50、出的波形為-2+2V的方波信號(hào)，通過(guò)計(jì)算，可以得到： （5.2）可見主放大電路的設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)要求相符。前置放大電路實(shí)現(xiàn)了將信號(hào)放大8倍，主放大電路實(shí)現(xiàn)了將信號(hào)放大125倍，一共將信號(hào)放大了1000倍。圖5.10主放大電路輸入輸出波形57同相加法器電路調(diào)試與分析在對(duì)同相加法器電路進(jìn)行仿真時(shí)，可以將方波作為輸入信號(hào)，在信號(hào)發(fā)生器中設(shè)置其幅度為-2.5+2.5V，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.11所示?？梢钥吹剑诺繟為輸入信道，當(dāng)輸入幅度為-2.5+2.5V的方波信號(hào)時(shí)，輸出通道B輸出的波形為0+5V的方波信號(hào)。可見，同相加法器的設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。 圖5.11同相加法器

51、電路輸入輸出波形58顯示電路調(diào)試與分析結(jié)合軟件，可以在PROTEUS軟件中仿真，得到心電信號(hào)的波形。由于條件有限，在本次設(shè)計(jì)中，并沒有采集真正的心電信號(hào)，可以采用PROTEUS軟件中的信號(hào)源作為輸入端，讓信號(hào)源分別輸出正弦波、方波、三角波和鋸齒波，通過(guò)ADC0808的采集經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理和分析最后顯示在液晶屏上。圖5.12為在仿真時(shí)顯示的正弦信號(hào)。通過(guò)鍵盤電路，在仿真中可以看到信號(hào)的幅度和周期都可以相應(yīng)的增加和減少。按下X軸減少鍵后，顯示的波形如圖5.13所示，說(shuō)明鍵盤電路的X軸控制是成功的，再按下X軸增加鍵，可以恢復(fù)到圖5.12所示波形。按下Y軸減少鍵，顯示的波形如圖5.14所示，再按下Y軸增加鍵，也可以恢復(fù)到圖5.12所示波形，說(shuō)明鍵盤電路的Y軸控制也是成功可行的。通過(guò)選擇信號(hào)發(fā)生器上輸出的波形，可以輸出如圖5.15所示的三角波，如圖5.16所示的鋸齒波和如圖5.17所示的方波。至此有理由認(rèn)為，如果輸入的是心電信號(hào)，也可以再液晶屏上顯示出來(lái)?？梢姡敬卧O(shè)計(jì)的顯示電路是可行的，軟硬件的調(diào)試都可以通過(guò)，可以認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求。圖5.12顯示正弦信號(hào)圖5.13按下X軸減少后的正弦