【word】 家用心电图测量仪的电路设计

【word】 家用心电图测量仪的电路 家用心电图测量仪的电路设计 科议佰思高校理科研究 家用心电图测量仪硇电路设计 陕西理工学院机械工程学院丁敏 [摘要]本文是针对心脏病患者设计的便于携带的家用心电图测量仪,便于患者携带,可以为医生研究病人的病情和治疗提供 参考. [关键词]传感器心电信号微弱信号单片机 引言 传感器模块,放大电路模块,A/D转换模块,显示模块组成的测量 仪,能够对微弱的心电信号进行采集,转换成适合AfD转换模块转换的 模拟信号,A/D转换模块把模拟信号转换成数字信号并交给单片机,单 片机处理数据以后在液晶屏上显示实时的图形. 1,家用心电图测量仪电路设计的总体简介 本设计的主要部分为:传感器,前置放大电路,共模信号抑制电路, 50Hz陷波电路,带通滤波电路,二级放大电路,单片机控制的测试电 路,键盘电路,LCD显示单元,存储器,系统流程图如图1所示: 图l系统流程图 心电信号是一种微弱体表信号,成人的幅值约为0.5—40mV,频率 0.01—50Hz,属于低频率,低幅值信号,初步决定前置放大器的放大电路, 50Hz陷波器和二阶带通滤波器各设定一定的倍数放大,通过级联的方 式,可以得到一个放大较大倍数的信号,余下的倍数就用一个二级放大 电路解决,初步认定可以达到1000倍的增益.被放大的信号经过单片 机控制,然后在LCD12864液晶显示,信号还可以及时地存储到存储模 块中,也可以通过串口与上位机连接,在上位机中可以对信号进行详细 的分析与处理.所以该设计结构比较简单,体积小,功能强大. 2,硬件电路的设计 2.1传感器选择 传感器在人体参数测量过程中起能量变换作用,因此也称换能器. 在生物医学测量中,需要测定各种力学量.由于这些力学量都与位移有 一 定的关系,因此通常先将各种力学参量通过一次变换器变换成位移 量.电参数传感器能将位移的变化变换成相应的电参数变化,再通过检 测电路变换成电信号的幅度或频率的变化,以达到测量人体参数之目 的.便携式心电图测量仪采用电极片传感器,其主要原因是体积小,灵 敏度高,使用灵活,方便. 2.2放大电路设计 根据人体的心电信号(ECG)具有信号源内阻高,频率低,信号微弱 等特点,心电信号是一种淹没在许多较强的干扰和噪声(肌电干扰,工 频干扰,放大器噪声及电极与皮肤之间的噪声等)中的,它的频率在 0.05,100Hz之间,大小在lOuV(~JL)到5mV(~人)之间,前置级应该满 足下述要求: (1)高输入阻抗.(2)高共模抑制比CMRR.(3)低噪声,低漂移. 一 般说来,集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗, 因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器. 本设计采用INA128的放大器. 2.3滤波电路设计 由于人体的生物电信号大都集中在0.05Hz到100Hz的一个比较 宽的低频范围内,所以必须有一个带通滤波器来滤出可用信号,对相应 的噪声进行抑制,并且设置其上限与下限分别为:0.05Hz,100Hz.本设 计采用压控电压源式(VCVS)电路.由两个二阶压控有源高通和低通滤 波器并组合成带通滤波器. 2.4二级放大电路设计 一 11O一 由于在设计的时候,预计的放大倍数在1000左右,前面三级级联 电路在设计的时候,均有不同程度的放大,最后一级可以进行补足1000 倍数.将人体的几毫伏的信号放大到几伏特,便于测量.所以,这一级可 以用常规的放大器进单管放大. 2.5A/D转换模块 按照美国心脏学会AHA规定的,对于信号的标称值,ECG频 率范围为0.05—100Hz(3dB).依据奈奎斯特采样定律,采样率如果正好 是信号的最高频谱的二倍,通过理想无限衰减的插值滤波器可以保留 所有信息.鉴于本仪器的监护性质,其信号频带宽度为0.5-100Hz,故 取f=200Hz.采样率就能满足需要,此时每两个采样点之间的时间间隔 为5ms,人体心电信号频率在0.05一lOOHz之间,大小在10uV(胎JL) 到 5mV(成人)之间,放大倍数为1000才能达到51单片机所适合的电压, 所以本次AD转换的应大于2的1O次方,故选择12位AD芯片. ADS774是一款l2位逐次逼近模拟到数字转换器,采用一种创新技术, 电容阵列在低功耗实施CMOS技术.这是一个简易替换为ADC574, ADC674,并在大多数ADC774模式内部采样应用,大大降低功耗消费, 并能够从一个单一的操作+5V电源供电. 2.6显示模块 带中文字库的128X64是一种具有4位,8位并行,2线或3线串行 多种接口方式,内部含有国标一级,二级简体中文字库的点阵图形液晶 显示模块;其显示分辨率为128x64,内置8192个16”16点汉字,和 128个16”8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单,方便 的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面.可以显示8x4行16x 16点阵的汉字,也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显着特点. 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相 比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略 低于相同点阵的图形液晶模块. 2.7键盘的设计 (1)键盘在单片机应用系统中,实现输入数据,传送命令的功能,是 人工干预的主要手段.从成本的角度,本次设计采用软件的方法来消 抖,通常采用软件延时的方法:在第一次到有键按下时,执行一段 延时10ms的子程序后,再确认电平是否仍保持闭合状态电平,如果保 持闭合状态电平,则确认真正有键按下,进行相应处理工作,消除了抖 动的影响. (2)键盘电路的结构设计为独立式按键.独立式按键就是各按键相 互独立,每个按键单独占用一根I/O口线,1/0口线的按键工作状态不 会影响其他I/O口线上的工作状态.因此,通过检测输入线的电平状每 根态可以很容易判断哪个按键被按下了.此电路配置灵活,软件结构简 单.采取串键保护措施.串键:是指同时有一个以上的键按下,串键会引 起CPU错误响应.通常采取的策略:单键按下有效,多键同时按下无 效. (3)处理连击:连击是一次按键产生多次击键的效果.要有对按键 释放的处理,为了消除连击,使得一次按键只产生一次键功能的执行 (不管一次按键持续的时间多长,仅采样一个数据).否则的话,键功能 程序的执行次数将不可预知,由按键时间决定. 3,系统性能参数 测量电压范围:0.5mVp—P,10Vp—P(正常人的心电电压为:5v左 右) 精度为:5% 使用环境温度0—30摄氏度 供电电源:5V 4,设计说明 本系统应是基于AT8951单片机控制的心电信号测量仪器,可以方 便地用于人们的日常生活,该测量仪适用各类人群使用.该作品体积 小,使用灵活,便于携带,可在任何时候任何地点使用,有较强的存储功 能,存储大量的病例资料可供参考.使用方法:安装在人体的肢体上和 胸前,然后按开始按钮即可.使用完毕请即时关闭电源.该心电测量仪 不可长时间暴露在恶劣坏境中. 参考文献 [1]张唯真生物医学电子学[M].北京:清华大学出版社,1990. [2]董秀珍.心电理论与心电诊断技术[I].医疗卫生装备,1993. [3]康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分[M]北京:高等教育出 版社.2002. [4]张咏梅.便携式单导联心电记录与显示器的设计[N].湖南城市 学院(自然科),2004.