基于單片機的心電監(jiān)測系統(tǒng)設計

1、1 緒論當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，世界上平均每年約幾百萬人死于此類疾病，我國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發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而最終導致死亡1。因此，對心血管疾病的診斷、預防是當今醫(yī)學界面臨的首要問題。盡早地發(fā)現(xiàn)心血管系統(tǒng)疾病征兆，及時地了解心臟病狀況，對疾病的預防和及時診治具有重要的意義。11心電監(jiān)測系統(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，并射入動脈實現(xiàn)其泵血的功能。心臟在機械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動。心肌激動所產(chǎn)生的微小電

2、流可經(jīng)過身體組織傳導到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個電極，分別用導線聯(lián)接到心電監(jiān)測系統(tǒng)(即精密的電流計)的兩端，它會按照心臟激動的時間順序，將體表兩點間的電位差記錄下來，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、傳導和恢復的過程中的電位變化的綜合波形。它不僅與單個心肌細胞動作電位的曲線有明顯的不同，而且因測量的電極放置的位置和連接方式的不同而有所差異。心電信號是最早應用于醫(yī)學的人體生物電之一，如今醫(yī)學界人士已經(jīng)可以通過對心電信號的分析研究對心血管相關(guān)病變做出預測和診斷。因此，及時準確和完整地進行心電信號提取，并提供有效的輔助分析和診斷手

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

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)護人員勞動強度，提高了工作效率。1.2.2動態(tài)心電監(jiān)測動態(tài)心電圖是用一個磁帶或固態(tài)式記錄器24小時連續(xù)不斷的記錄病人在日?；顒訝顟B(tài)下的心電信息，然后通過計算機回放、分析和編輯打印2。動態(tài)心電圖記錄了不同體位、不同狀態(tài)、不同時間的心電變化，一次獲得的信息長達2.16km，十余萬次心搏和十余萬次心動周期，現(xiàn)已成為診斷心率失常、心肌缺血、評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)測電話傳送心電監(jiān)護是指通過電話傳送患者的心電信息到監(jiān)護/接收中心進行計算機處理，醫(yī)護人員根據(jù)

5、患者的癥狀及傳送的心電圖對其分析判斷后實施電話診斷、護理、處置而進行的監(jiān)護，具有使用方便、不受時間、空間和地域限制等特點。它是心血管領域心電監(jiān)護系統(tǒng)的一個突破和進展，它的應用對院外心臟病急救護理、心臟病家庭電話遙控診治、護理有著非常重要的意義。ttm作為臨床心電監(jiān)護向院外延伸的一種新的手段，對心律失常、心肌缺血和心肌梗死等有可靠的監(jiān)護效果，對有癥狀，偶發(fā)、短暫的心律失常和一過性心肌缺血有獨到的監(jiān)測作用。對嚴重心律失常、心肌梗死和心絞痛，它較心電圖(ecg)診斷更準確，對院外心臟病的急救處理、護理指導具有很大的價值。它大大地縮短了醫(yī)患、護患之間的距離，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擔，減少了心臟病的誘發(fā)因素。作為長期監(jiān)護的患者，則在不斷得到急救、護理指導的同時，提高了自救、自護能力。ttm系統(tǒng)在國內(nèi)的應用處在起步階段，院外急救護理也是一個新的課題，需更進一步探討、總結(jié)和提高，以更好地造福于全社會的心臟病患者。但是，如今有很多心電監(jiān)測儀還沒有得到普及，還存在一些問題：（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)生對疾病診斷的正確率。（b）一般都采用了數(shù)字信號處理器作為心電數(shù)據(jù)分析的核心器件，而數(shù)據(jù)通信、液晶顯示、實時時鐘、程序存儲器等都需要外擴專門的功能器件，因此結(jié)構(gòu)比較復雜，體積比較大，同時功耗也比較大，價格

7、比較昂貴，一般患者難以承受。（c）與之配套的監(jiān)護網(wǎng)絡和心電數(shù)據(jù)處理中心尚不完善。13心電監(jiān)測系統(tǒng)的未來發(fā)展方向和展望傳統(tǒng)的基于pc機平臺的心電監(jiān)測儀價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院而無法實時監(jiān)測患者的病情，給醫(yī)生和患者帶來了很大的不便。近年來，隨著計算機網(wǎng)絡、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸應用到遠程醫(yī)療領域中，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠程保健服務成為可能。未來的心電監(jiān)測系統(tǒng)會具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點，會繼續(xù)向全信息、固態(tài)記錄、多導聯(lián)同步采集等方向發(fā)展，適用于個人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保健和遠程醫(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)設計方案論證21心電監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計要求本課題的題目是基于單片機的心電監(jiān)測系統(tǒng)設計。要求心電監(jiān)測信號經(jīng)采集裝置輸入到前置放大器，信號放大8倍以后，再經(jīng)過濾波電路進行濾波，濾掉0.05hz以下頻率與105hz以上頻率，同時阻止50hz工頻干擾信號的通過。經(jīng)過濾波的信號通過后級放大電路將其放大到伏特級別，再經(jīng)過加法器電路將其波形提升到0v以上，便于單片機a/d轉(zhuǎn)化電路直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。經(jīng)過處理的心電信號最終由簡易的示波器顯示到液晶屏上，以便使用者能夠?qū)崟r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單片機進行數(shù)據(jù)的處理并驅(qū)動顯示屏顯

9、示波形。22心電監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計對于心電信號的采集，采用標準導聯(lián)方式進行采集。心電信號是一種微弱的電信號，要先利用前置放大電路將信號放大8倍。由于人體信號源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設計一個補償電路。對于放大以后的信號，讓它通過濾波電路進行濾波。心電信號中存在0.05hz以下的頻率信號、105hz以上的頻率信號和50hz的工頻干擾信號，需要讓心電信號依次通過低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，經(jīng)過濾波電路以后的信號變的比較干凈。然后為將心電信號放大到伏特級別，讓其通過一個主放大電路。同時，為了便于單片機和adc0808的信號采集和處理，可以讓心電信號通過一個加法器電路，將

10、波形提升到0v以上。然后通過顯示電路讓經(jīng)過單片機處理的信號顯示在液晶屏上。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。補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單片機心電信號采集顯示電路圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23心電監(jiān)測系統(tǒng)設計的可行性論證在所學的知識中，對于心電信號采集，可以利用特定的傳感器進行心電信號的采集；對于前置放大電路，可以采用集成儀表放大器ad620進行信號的前置放大；對于補償電路，可以用運算放大器和反饋電阻組成補償電路；對于濾波電路，可以利用有源濾波器電路通過計算設計出符合要求的低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器；對于主放大電路，可以利用集成運算放大器對信號進行再次放

11、大；對于加法器電路，可以利用集成運算放大器來進行加法器的設計；對于心電信號的數(shù)字化以及分析處理，可以利用單片機和adc0808來設計硬件電路；對于顯示電路，可以讓心電信號在液晶上顯示。a/d轉(zhuǎn)換電路，顯示電路以及單片機對心電信號的分析處理需要進行軟件的編寫。通過論證，上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方案可行，可以達到心電監(jiān)測系統(tǒng)的設計要求。3硬件電路設計31心電信號采集電路的設計臨床上心電信號主要從體表收集，檢測時將測量電極安放在體表相隔一定距離的兩點，電極通過多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監(jiān)護儀的放大器相連，測量出電極在體表的電位差就是心電信號，描成曲線就是心電圖。在測定心電信號波形時，電極安放的位置以及

12、導線與放大器連接的方式，稱為心電儀的“導聯(lián)”。將電極捆綁在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過較長的屏蔽導線與心電儀連接的方式稱為“標準導聯(lián)”。習慣上對這些電極規(guī)定了表示符號和連接導線的顏色，如表3.1所示。表3.1導聯(lián)標記電極的部位右臂左臂左腿右腿表示符號ralallrl導線顏色紅黃藍（綠）黑標準導聯(lián)直接把兩個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電位差的變化。標準導聯(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。標準導聯(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。標準導聯(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。本課題采用標準導聯(lián)方式，右腿（rl）的參考電極連接補償電路3。圖3.1信號采集電路輸入端示意圖在本次的設計中，采用標準導聯(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前置放大電路的設計本設計中的前置放大電路采用集成儀表放大器ad620。因為本次設計所要處理的電信號比較微弱，而且對其波形質(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。所以在本次設計中可以選用集成儀表

14、放大器ad620來進行前置放大電路的設計。3.2.1ad620芯片簡介ad620內(nèi)部由三個放大器共同組成，其引腳圖如圖3.2所示。在使用中，芯片1、8腳接rx,4、7腳接正負相等的工作電壓，2、3接輸入的弱電壓信號，6腳為輸出引腳，5腳為參考基準。圖3.2 ad620管腳圖本設計可以通過調(diào)整rx的大小來調(diào)整ad620的增益值，其增益可以通過公式(3.1)進行計算。 (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。該芯片可提供的最大電流為1.3ma的電流。適用于ecg測量、醫(yī)療器件、壓力測量、信

15、號采集等場合。3.2.2 前置放大電路設計如圖3.3所示，差分輸入端io2、io3分別接標準導聯(lián)的正負輸入端，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，因為心電信號比較微弱，所以要求放大1000倍左右。但是，根據(jù)小信號放大器的設計原則，前級的增益不能設置太高，因為前級增益過高將不利于后續(xù)電路對噪聲的處理，在本次設計中，可以要求前級電路放大8倍以便于后面對心電信號進行處理。圖3.3前置放大電路3.2.3元器件參數(shù)計算表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控制增益的電阻rx，由公式（3.1）計算可以得出

16、此處的增益： （3.2）通過計算，從中可以看出前置放大電路的增益約為8倍，符合設計要求。因此本設計可以選用表3.2中的元器件來搭建放大電路，保證設計的前置電路符號設計的要求。33補償電路的設計為了抵消人體信號源中的各種噪聲干擾，包括工頻干擾。在本次設計中可以引入補償電路3。運算放大器ad705j、r2、r3、c1共同組成補償電路，io1連接人體信號源參考端。引入補償電路的方法是在前級放大電路的反饋端與信號源地端建立共模負反饋，為提高反饋深度，將反饋信號放大后接人體信號源參考端，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補償電路電路圖34濾波電路的設計3.4.1低通濾波器電路的

17、設計為了濾除105hz以上的干擾信號，需要設計一個截止頻率為105hz的低通濾波器。本設計可以采用有源低通濾波器，根據(jù)學過的濾波器知識，先確定低通濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為105hz。在這次設計中，可以采用的運算放大器為op07，設計的電路圖如圖3.5所示。圖3.5低通濾波器電路圖根據(jù)設計要求，,由公式（3.3） (3.3)可以計算出若，則。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因為公式（3.4） (3.4)可以計算得出。表3.3元器件參數(shù)組件名r1r2r3r4c1c2參數(shù)值10k10k10k20k318nf71nf通過計算，設計的低通濾波器滿足截止頻

18、率為105hz的設計要求。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計為了濾除0.05hz以下的干擾信號，需要設計一個截止頻率為0.05hz的高通濾波器。本設計可以采用有源高通濾波器，根據(jù)學過的濾波器知識，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為0.05hz。在這次設計中，可以采用的運算放大器為op07，設計的電路圖如圖3.6所示。圖3.6高通濾波器電路圖根據(jù)設計要求，,由公式（3.5） (3.5)可以計算出若，則。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因為公式（3.6） (3.6)可以計算得出。表3.4元器件參數(shù)組件名r1r2c1c2參

19、數(shù)值450k225k27nf27nf通過計算，設計的高通濾波器滿足截止頻率為0.05hz的設計要求。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計為了濾除50hz的工頻干擾信號，需要設計一個50hz工頻的帶阻濾波器，盡可能的消除工頻干擾3。本設計可以采用有源帶阻濾波器，根據(jù)學過的濾波器知識，先確定帶阻濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定阻帶頻率為50hz。在這次設計中，可以采用的運算放大器為op07，設計的電路圖如圖3.7所示。圖3.7帶阻濾波器電路圖根據(jù)設計要求，,由公式（3.7） （3.7）可以計算出若，則。將參數(shù)值輸入到電路，仿真時發(fā)現(xiàn)衰減3

20、db時的帶寬為4357hz,但衰減深度僅為7.43db，需要調(diào)整器件參數(shù)值。經(jīng)反復調(diào)整，最終選定所以通過計算得出： （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通過計算，設計的帶阻濾波器滿足截止頻率為50hz的設計要求。各元器件的參數(shù)值如表3.5所示。35主放大電路的設計人體輸出的心電信號大約是毫伏級別的，為了便于單片機采集，本設計需要將心電信號放大到伏特級別。在前

21、置放大電路中，為了便于濾波，已經(jīng)將心電信號放大了8倍。理論上需要將心電信號放大1000倍。所以，本設計需要再設計一個主放大電路，繼續(xù)將信號放大125倍。在電路設計上，可以采用運算放大器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，前一個運算放大器組成電壓跟隨器電路，后一個運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計經(jīng)過主放大電路的處理，已經(jīng)把心電信號放大到了伏特級別，但是，心電信號可能存在負電壓，不方便單片機和adc0808的采

22、集，需要設計一個加法器電路，把心電信號提升到0v以上，最后在程序編寫時再將檢測到的信號減去信號相加的直流電壓即可以得到實際的電壓值。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)換電路的設計3.7.1adc0808芯片簡介adc0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個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，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行a/d轉(zhuǎn)換。一般在硬件仿真時采用adc0808進行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，輸入，高電平有效。 6（start）： a/d轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動a/d轉(zhuǎn)換）。 7（eoc）： a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此

24、端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（oe）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10（clk）：時鐘脈沖輸入端，要求時鐘頻率不高于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 信號采集電路的設計把adc0808的輸出口分別依次與單片機的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，心電信號由此端輸入。給adc08

25、08芯片連接電源，時鐘信號。如圖3.11所示。該圖為心電信號的采集電路。圖3.11信號采集電路38顯示電路的設計3.8.1單片機芯片at89c51簡介at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器（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。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu

26、和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。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8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須接上拉電阻。圖3.12at89c51管腳圖p1口：p1口是

27、一個內(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為低八位地址接收。p2口：p2口為一個內(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ttl門電流，當p2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢

28、，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當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（記時器0

29、外部輸入）p3.5t1（記時器1外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，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，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0

30、。此時， 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，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。3.8.2 單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)是指最少的組件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)5。對于at89c51單片機而言，最下系統(tǒng)應該包括單片機、晶振電路和復位電路。如圖3.13所示。圖3.13單片機最小系統(tǒng)電路圖3.8.3 鍵盤電路的設計為了能夠更好的觀察液晶顯示的心電信號波形，本設計需要對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，不會出現(xiàn)波形的失真。為此，需要設計一個鍵盤電路，控制波形顯示的周期和幅度。對此，通過定義單片機的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。通過程序的編寫，本設計可以使得每按下一次按鍵，就可以得到相應的波形的改變，方便對心電信號的觀察。鍵盤電路圖如圖3.14所示。圖3.14鍵盤電路圖3.8.4 顯示電路的設計12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，是業(yè)界約定俗成的簡稱。該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域。其管腳圖如圖3.15所示。圖3.15液晶管腳圖12864內(nèi)部存儲器ddram與顯示屏上的顯示內(nèi)容具有一一對應的關(guān)系，只需將顯示的內(nèi)容寫入到12864內(nèi)部顯示存儲器ddram中，就能實現(xiàn)正確顯示。12864液晶顯示屏橫向有128個點，縱向有64個點，分為

33、左半屏和右半屏。每屏可顯示4行8列共32個16 x 16點陣的漢字，每個顯示ram可顯示1個中文宇符或2個16 x 8點陣全高ascii碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個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)。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示ram實現(xiàn)的。繪圖顯示ram提供64x32個位組的記憶空間(由擴充指令設定繪圖ram地址)，在更改繪圖ram時，由擴充指令設定gdram地址先設置垂直地址，再設置水平地址(連續(xù)寫入兩個位組的資料來完成垂直與水平的坐標地址)，再寫入兩個8位的資料到繪圖ram，而地址計數(shù)器(ac)會自動加一

34、，整個寫入繪圖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。在本次設計要求中，要求通過12864點陣圖形液晶顯示模塊顯示單片機處理后的心電圖形。12864點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點陣圖型液晶顯示模塊的引腳功能引腳符號功能11：選擇左邊64*46點21：選擇右邊64*46點3gnd地4vcc+5v電源5v0顯示驅(qū)動電源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，負跳變有效916db0db7數(shù)據(jù)信號17復位，低電平有效18-voutlcd驅(qū)動負電源在本次設計中，既在液晶上顯示了漢字，也將實時顯示心電信號的波形。顯示電路電路圖如圖3.16所示。由單片機驅(qū)動顯示屏進行顯示。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程序的設計41程序編譯環(huán)境本次設計采用的單片機是at89c51，其編譯環(huán)境就是熟悉的51單片機的編譯環(huán)境keil 2。首先創(chuàng)建一個工程文件，然后新建文件編寫程序，通過編譯生成hex文件。把生成的hex文件加載到protues仿真軟件的單片機中就可以進行相應的仿真調(diào)試。

36、42程序設計思想4.2.1程序設計思想本次設計中，程序的主要功能是進行a/d轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，驅(qū)動12864lcd顯示信號的波形和相關(guān)信息。本次設計的電路實際上就是一個具有專用性質(zhì)的示波器，可以進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通過adc0808轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換后的信號保存在一個數(shù)組中，再對得到的數(shù)據(jù)進行相應的計算和處理得出波形的參數(shù)值，最后再驅(qū)動顯示器將數(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，從而完成實時顯示功能。當鍵盤電路有輸入時，對數(shù)據(jù)進行相應的處理，在

37、顯示在屏幕上。4.2.2程序設計的端口定義在程序編寫之前，首先需要對單片機初始化，定義其各個管腳的功能。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程序設計流程圖在程序編寫之前首先確定確定程序編寫的流程圖。通過流程圖，可以很方便的編寫程序。把軟件程序分成幾個模塊，然后按模塊編寫對應的程序。本次設計對應的流程圖分別如圖4.1和圖4.2所示。其中，圖4.1為主程序流程圖，圖4.2為實時顯示程序圖。在主流程圖中

38、，首先對單片機初始化，定義單片機各個端口的功能，方便以后編程時直接使用。然后對adc0808芯片初始化，定義輸入端口。然后對lcd初始化，在對定時器初始化，設置其參數(shù)，接著lcd清屏，方便顯示。然后單片機進入延時，當單片機監(jiān)測到液晶空閑時，輸出數(shù)據(jù)，通過液晶顯示在屏幕上。主流程流程圖如圖4.1所示。圖4.2為實時顯示流程圖。當單片機檢測到賦值位為1時，啟動adc0808,讓adc0808進行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后顯示在液晶屏幕上。通過鍵盤電路，可以控制實時顯示的波形。當單片機檢測到x軸按鍵增加鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其周期變大，當單片機檢測到x軸按鍵減少鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其周

39、期變小，當單片機檢測到y(tǒng)軸按鍵增加鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其幅度變大，當單片機檢測到y(tǒng)軸按鍵減少鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其幅度變小，當檢測到循環(huán)標志位變?yōu)?時，停止采樣，停止輸出波形。開始端口初始化adc初始化lcd初始化定時器1初始化lcd清屏延時實時掃描顯示圖4.1主程序流程圖x軸增加鍵按下？循環(huán)標志賦值1循環(huán)標志為1？ad實時采樣實時電壓顯示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)標志復位運行狀態(tài)標志置位圖4.2實時顯示程序流程圖5仿真軟件的應用與調(diào)試分析51multisim 仿真軟件簡介multisim是加拿大圖像交互

40、技術(shù)公司（interactive image technoligics簡稱iit公司)推出的以windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，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，并對電路進行仿真。multisim提煉了spice仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設計工程師和電子學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計和測試這樣一

41、個完整的綜合設計流程。52keil uvision2 仿真軟件簡介keil c51是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用c來開發(fā)，體會更加深刻。keil c51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到keil c51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。開發(fā)人員可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿

42、真等整個開發(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文件(.obj)。目標文件可由lib51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)l51連接定位生成絕對目標文件(.abs)。abs文件由oh51轉(zhuǎn)換成標準的hex文件，以供調(diào)試器dscope51或tscope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如eprom中。53proteus 仿真軟件簡介proteus軟件是由英國lab center electronics公司開發(fā)的eda工具軟件，它又可以分為isis和ares兩個軟件，其中isi

43、s是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟件，ares是一款高級的布線編輯軟件，它集成了高級原理布線圖、混合模式spice電路仿真、pcb設計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子系統(tǒng)設計16。隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應用中proteus也能茯得愈來愈廣泛的應用。通過proteus isis軟件的vsm（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對模擬電路、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；包含強大的調(diào)試工具，可對寄存器、存儲器進行實時監(jiān)測；具有斷點調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外部設備進行交互可視化仿真的功能。此外，proteus可對iar c-spy、keil uvision2等開發(fā)工具的源程序進行調(diào)試，也可與keil實現(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、i2c調(diào)試器等，便于測量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。該軟件的特點：（a）實現(xiàn)了單片機仿真和spice電路仿真相結(jié)合。（b）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。（c）提供軟件調(diào)試功能。（d）具有強大的原理圖繪制功能。54

45、前置放大電路調(diào)試與分析在對前置放大電路進行仿真時，可以將方波作為輸入信號，幅度為-2+2mv，設定頻率為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，可以計算出放大倍數(shù)為： （5.1）通過計算，可以認為仿真結(jié)果與設計要求基本符合，從圖5.1可以看出，前置放大電路的效果比較理想，滿足設計要求。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對低通濾波器進行通頻帶仿真。如圖5.2所示，通過波特儀可以看到，當衰減為-3db時，截止頻

46、率約為102.56hz，基本滿足設計要求。圖5.2低通濾波器頻帶仿真在對低通濾波電路進行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設置其幅度為-2+2mv，設定頻率為10hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.3所示。可以看到，輸入幅度為-2+2mv的方波信號時，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來講，信號通過低通濾波器后，可以認為沒有產(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)，可以認為信號通過該低通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設計要求。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)試與分析在對高通濾波電路進

47、行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設置其幅度為-2+2mv，設定其頻率為10hz，利用雙通道示波器觀察其輸入輸出波形。如圖5.4所示?？梢钥吹剑斎敕葹?2+2mv的方波信號時，輸出的波形比輸入的波形略有向上的移動，其中，信道a為輸入信道，信道b為輸出信道?？傮w來講，信號通過高通濾波器后，可以認為沒有產(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)，本次設計可以認為信號通過該高通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設計要求。圖5.4高通濾波電路輸入輸出波形仿真用波特儀對高通濾波器進行通頻帶仿真。如圖5.5所示，通過波特儀可以看到，當衰減為-3db時，截止頻率約為0.065592

48、hz，基本滿足設計要求。圖5.5高通濾波器頻帶仿真5.5.3 帶阻濾波器調(diào)試與分析在對帶阻濾波電路進行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設置其幅度為-2+2mv，設定頻率為10hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.6所示?？梢钥吹?，輸入幅度為-2+2mv的方波信號時，輸出的波形在方波的上下出現(xiàn)略微的浮動，波動很小，其中，信道a為輸入信道，信道b為輸出信道?？傮w來講，信號通過帶阻濾波器后，可以認為沒有產(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)，可以認為信號通過該帶阻濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設計要求。圖5.6帶阻濾波電路輸入輸出波形仿真可以用波特儀對帶阻濾波器進行

49、通頻帶仿真。如圖5.7和圖5.8所示，通過波特儀可以看到，當衰減為-3db時，截止頻率分別為46hz和54hz，通過計算，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，當頻率為50 hz左右時，電路衰減值最大，衰減深度約為19.18db,基本符合設計要求。圖5.9衰減深度仿真至此，通過分析，可以認為設計的帶阻濾波電路符合設計要求。56主放大電路調(diào)試與分析在對主放大電路進行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設置其幅度為-16+16mv，設定頻率為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

50、波信號時，輸出的波形為-2+2v的方波信號，通過計算，可以得到： （5.2）可見主放大電路的設計與設計要求相符。前置放大電路實現(xiàn)了將信號放大8倍，主放大電路實現(xiàn)了將信號放大125倍，一共將信號放大了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)試與分析在對同相加法器電路進行仿真時，可以將方波作為輸入信號，在信號發(fā)生器中設置其幅度為-2.5+2.5v，設定頻率為10hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.11所示?？梢钥吹?，信道a為輸入信道，當輸入幅度為-2.5+2.5v的方波信號時，輸出通道b輸出的波形為0+5v的方波信號?？梢?，同相加法器的設計基本符合設計要求。 圖5.1

51、1同相加法器電路輸入輸出波形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，得到心電信號的波形。由于條件有限，在本次設計中，并沒有采集真正的心電信號，可以采用proteus軟件中的信號源作為輸入端，讓信號源分別輸出正弦波、方波、三角波和鋸齒波，通過adc0808的采集經(jīng)過單片機處理和分析最后顯示在液晶屏上。圖5.12為在仿真時顯示的正弦信號。通過鍵盤電路，在仿真中可以看到信號的幅度和周期都可以相應的增加和減少。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，也可以恢復到圖5.12所示波形，說明鍵盤電路的y軸控制也是成功可行的。通過選擇信號發(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。至此有理由認為，如果輸入的是心電信號，也可以再液晶屏上顯示出來?？梢?，本次設計的顯示電路是可行的，軟硬件的調(diào)試都可以通過，可以認為滿足設計要求。圖5.12顯示正弦信號圖5.13按下x軸減少后的正弦信號圖5.14按