心電信號采集與心電波形實時顯示模塊的設計

1、摘要本課程設計心電信號采集和心電波形顯示，采用AT89C51作為控制器，通 過對人體標準三導聯信號的采集以及放大濾波等處理/專至控制器實現數據的處 理，進而在液晶屏上顯示波形以及實現計算心率等功能，設計容分為硬件部分和 軟件部分。硬件部分由模擬采集部分和數字處理部分組成。模擬采集部分由前置放大 級、二階高低通濾波器、光耦隔離、一級放大、50Hz陷波電路、増益可調二級 放大組成,數字處理部分有AT89C51控制器、A/D轉換、LCD160128液晶顯 示、按鍵處理模塊、閾值報警等構成并且前置級浮地,數字電源和模擬電源分開 供電Z減少相應的干擾。軟件部分需要將單片機與ADC轉化部分相連，在8位的A

2、DC進行系統(tǒng)的 配置后,進行數據的轉化。進行數模的轉化。通過建立坐標的方法進行波形的實 時顯示。另外可以構建心率算法實現其他心率計算等其他功能。設計完成后進行仿真Z制作樣機,軟硬聯調后測試預期的性能指標。關鍵詞:心電信號 AT89C51心電波形目錄1基本原理11.1心電信號的特點11.2心電檢測的原理12.系統(tǒng)總體耐12.1系統(tǒng)總體框圖12.2系統(tǒng)功能描述22.2.1前置放大22.2.2保護電路22.2.3屏蔽驅動22.2.4高通濾波22.2.5 級放大22.2.6光電隔離2寸4磁盟K盤屁I:Tm 寸寸m番 Qy Wfxl：rnIZZ :SQ/W0 ：Km mz slss OnZ is ZHO

3、S 6fxlzSm- 8csjZ 簽XI60 卜 ZZZJ- Il 9-l曩浙曲 匕型田躍率寸 SH蠱檢 寸 T44ffl養(yǎng) CDl 0CM& H鯉+s豆養(yǎng) Q、< H¼sn * 鋁1 US STm 二ss 寸 Tm 6嗇K嘗 Ht專 H& 94磁器怒駅 ZHOS ZIHW1基本原理1.1心電信號的特點心電信號頻率低'幅值微弱,常?；祀s其它的生理信號。心電信號的電壓圍 為O54W ,頻率圍為OO51OOHZ°測量系統(tǒng)有較高的敏感度Z易引入干擾。 5OHz工頻干擾在測量頻率圍。人體是電的良導體,其它電生理信號也會進入測 量系統(tǒng)。人體運動偽差帶來電

4、極接觸的位置改變影響測量系統(tǒng)。1.2心電檢測的原理本心電檢測裝置根據爰氏標準雙極性肢體導聯（I、口、In）方法”使用三 個不銹鋼電極，其中一個電極安裝在人的右腳，另外兩個電極根據爰氏三角形， 可連接左手（+ 右手（-）或右手（-左腳（+）或左手（-左腳（+ 通過后兩電極之間的電壓差采集心電信號,然后再通過信號的分析處理得到心電 波形。2系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)總體框圖LCD屏 顯示圖1 系統(tǒng)總體框圖2.2系統(tǒng)功能描述2.2.1前置放大用兩個集成運放和儀用放大器構成前置級放大,增益為G=IO,提高輸入阻 抗。2.2.2保護電踣對于心電信號0.54mv ,可以使用反向并聯的硅二極管Z低壓情況下工頻

5、電壓干擾BOOmV左右，可使電壓鉗制在30OmVo2.2.3屏蔽驅動由于測量電極和測量系統(tǒng)有大于Im距離時,會使共模電壓不等量衰減,降 低共模抑制能力，將屏蔽層接入共模輸入信號的等電位點以消除分布電容的影響。2.2.4高通濾波濾除頻率低于0.05HZ的電信號。2.2.5 一級放大使用集成運放，使得運放增益為G二20。2.2.6光電隔離對信號采用光電隔離,使或部分的信號處理電路不會因干擾的弓I入影響前置 級信號采集的安全性和準確性。2.2.7 DODC 轉換將信號采集電路和信號處理電路的電源進行隔離，保證安全。2.2.8右腿驅動電路降低50Hz的工頻干擾電壓。2.2.9 50HN陷波器去除50H

6、z工頻干擾信號。2.2.10低通濾波器濾除高于IOOHZ的的電信號。2.2.11二級放大提高信號的電壓增益，可調電壓增益為G=l20,獲得合適的波形。2.2.12 A/D 轉換將心電模擬信號信號轉化成數字信號,送給單片機處理。2.2.13閾值報警當干擾電壓過高或電極脫落報警。2.2.14 LCD 顯示顯示出心電信號的波形Z已檢查心臟的情況。2.2.15按鍵控制調整波形基線的位置和顯示屏的顯示及保持。M系統(tǒng)模塊設計3-1模擬電路設計3.1.1前置放大器設計前置放大電路的電路圖如圖2所示,由輸入跟隨器、儀用放大器、右腿屏蔽 驅動和屏蔽層驅動4部分組成。（D輸入跟隨器。提供高輸入阻抗，獲取更強的心電

7、信號，采用高輸出驅動 運算放大器TLC084,具有最大失調電壓1.9mV,超低失調偏移1.2VoCo（2）儀用放大器。根據系統(tǒng)設計要求采用高精度儀用放大器AD620,具有 高精度（最大非線性度40 PPm）S低失調電壓（最大50 PV）和低失調漂移（最大 0.6 pV°C）持性。該儀用放大器的增益圍為1-10 000,由其放大增益關系式:G=1+ 50 KRg,取 G=IOf 則算出 Rg 為 5.556 kf 取近似值 5.6 ko（3）右腿屏蔽驅動。采用高精度運算放大器TLCo84把混雜于原始心電信號 中的共模噪聲提取出來，經過一級倒相放大后,再返回到人體，使它們相互喬加， 從而

8、減小人體共模干擾的絕對值，提高信噪比。（4）屏蔽層驅動。盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體，但由于元器件不 可能完全對稱,電路板又存在一些分布參數（如寄生電容），結果使少部分以共模 形式存在的干擾噪聲以差模信號的方式進入放大器，而放大器對差模信號的放 大能力很強撮終導致信號發(fā)生畸變。因此，采用高精度運算放大器TLC084,通過 屏蔽層驅動電路，用共模電壓本身驅動屏蔽層給予中和，以便將跨接在其上的共 模波動減小到零。圖2 前置級放大前置放大級通過施加一個幅值為4nw、頻率為60Hz正弦信號源Zmultisium仿真結果如圖3所示：示波務Xsel4I >T2®T2-T1時目 9OC

9、O2 ms 104.166 ms 14.164 ms通道-A 乙 3TmV 4.0COmV 1.65ImV通道衛(wèi) 23.49 mV 39.636 mV 16.2C7mVI. ¾ II 保存 I k旳基通道A通道B標度：IomSIbV刻昧IO mVQ”刻度：如EVQiV邊沿：國囤通邑畫X軸位移（格” 0V 移（格DY軸位移（格” O水平：OVl> oJbaabI交流01交流ILO Ii正常i自動I無圖3前置級放大仿真結果3丄2高通和低通濾波器、50Hz陷波器設計由于心電信號屬于頁信號，為了去掉高頻的干擾，還須通過低通濾波。低 通濾波器（LPF）如圖4所示采用歸一化設計的BUTTE

10、RWORTH二階低通濾波, 截止頻率fH為100 H乙在頻率轉折處有足夠的陡度。放大器的溫漂、皮膚電阻的變化、呼吸和人體運動，都會造成匕、電信號出現 所謂的”基線漂移”現象，即輸出端的心電信號會在某條水平線上緩慢地上下移 動。從頻譜上說，這些影響都可以歸結為一個低頻噪聲干擾。文獻指出,這些噪聲 主要集中于0.03 2 H乙但是，心電信號中的ST段和Q波頻率分量集中于 0.052 H乙與上述但瀕噪聲分量很接近。因此,不可簡單地把高通截止頻率定 為2 H乙否則將使心電信號的波形出現較大失真。根據美國心臟協會（AHA）的 建議”去除C'電信號中的直流成分的帶通濾波器（BPF）截止頻率不得超過

11、0.05 H乙高通濾波器（HPF ）如圖5所示截止頻率設計為0.05H乙采用低功耗低噪 聲的運算放大器TLC084,每通道供電電流為2.5mA,噪聲8.5nVHz（ IkHz 時）,適合便攜式設備。雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但部分工頻干擾是以 差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之，加上電極和輸入回路 不穩(wěn)定等因素，經過前面的前置放大，低通濾波和一級放大后，輸出仍然存在較 強的工頻干擾，所以我們采用"雙T帶阻濾波"電路來濾除工頻干擾。50Hz工 頻陷波電路如圖6所示，放大器采用低功耗低噪聲的運算放大器TLC084offlHdHG.ZCH=06

12、 一22-ZCXLmr is 丨點za寸 8§.LS 二00AQZf- Jll2 =O-TITIS4ffl-更醫(yī) L IS 呂M(W E.snujZHO9 >E00 寸els4g5ls!BZHOup9 H圖7-LPF仿真結果高通濾波器施加一個幅值40nw、頻率為60Hz的正弦電壓信號,multisium 仿真結果如圖8所示:圖8-HPF仿真結果雙T陷波器施加一個幅值40OmV、頻率為60HZ的正弦電壓信號ImUltiSiUm 仿真結果如圖9所示:圖9-5OHZ陷波器仿真結果3.1.3 一級放大和二SS放大設計由于經過前置級放大得到的信號依然微弱,所以一級放大如圖10所示采用 低

13、功耗低噪聲的運算放大器TLC084實現增益G=Io Z提高信號的幅值。經過LPF后的信號幅值送入單片機進行處理幅值太低需要使用變阻器R39實現G二120的増益可調二級放大如圖11所示，便于單片機處理和顯示。VCCI I5VKINDClSIkVLL-15T_U7 TLCo84RI7HHCaPIonE FGNr9K一級放大圖10-級放大C8増益可調二級放大圖II-增益可調二級放大一級放大施加一個幅值40mv、頻率為60HZ的正弓玄電壓信號z multisium仿真結果如圖12所示：圖12-級放大仿真結果二級放大施加一個幅值40OrnV、頻率為60HZ的正弦電壓信號fmultisium仿真結果如圖1

14、3所示:示 SS-XSCIITlH ±±TlTLI2T2-時間S-B112 565 磚 399.331 m4.398V104.189 ms399.936 EY-1.40OV-. 376 ms799.867 mV& 798 VI保存Ia標|g：IO et>/X 鈾位 «S)： OPrn >taBAAA 刻 fg：50OmVlIY細位移船)：O通直3: 2 引DW 伽立移紛0邊汨；國匡）區(qū)）水平：0"VI單次正幸自動匡圖13-增益可調二級放大仿真結果3.1.4光電隔離設計從人體的安全角度、信號的防干擾角度出發(fā)Z設計了光耦隔離電路如圖14

15、所示Z其采用隔離芯片ISO130和TLC084作為主要芯片，可以實現其光耦與放 大的功能。光電耦合隔離放大I R22_E=I MK IQJ口 P4e1 C22IHVEH-ISV1"TVMVS2IN÷OUT+I¾U I GNDiJND2ISoIMJTlS-4打24卜40KR26'C=JIOKC24仁U)IF CDVCcjLI 5MLl C23GL圖14光電耦合隔離光電耦合施加一個幅值40OmV、頻率為60HZ的正弦電壓信號,multisium 仿真結果如圖15所示:圖15-光電耦合隔離仿真結果3.1.5 DODC轉換設計光耦隔離前端電源浮地Z采用MC78L0

16、5穩(wěn)壓如圖16所示提供5V電源。光耦隔離后端電源接模擬地采用MC78L05穩(wěn)壓如圖17所示提供5V電源。NEJV刃幾 AS -z ffiQNDVClNO VGN9Vdnl 0 dn0乙.)二二問二18L.3HSlOryASi *33刃幾 AS W-9T SlCNtHdnOHO=ISOwQNOH-A”八CINE)HClZDHIHA lru6a ZlJ=PIOcSia5l 35V穩(wěn)壓仿真結果如圖18所示:圖：L8 5 V穩(wěn)壓仿真結果3.2數字電路設計 3.2.1 A/D轉換和閾值報警AD0832是8位逐次逼近模數轉換器,可支持兩個單端輸入通道和一個差分 輸入通道。電壓分辨率為5/256V,約為19

17、.5mVo A/D轉換電路如圖19所示。閾值報警如圖20所示Z當電極脫落或輸出電壓過高時,紅色LED燈發(fā)光報 警。圖19-A/D轉換VCe+5 VALARMR46ALRAMLEDl閾值報警圖20-閾值報警32.2 LCD模塊顯示設計LCD模塊采用PG160128A為一個128行160列的點陣液晶屏Z能顯示各 種字符、圖形、漢字,基于T6963C核控制Z自帶字符庫，同時用戶也可以自 己建立漢字、圖形庫。LCD顯示如圖21所示。P3,6 P17 P2.0 POOPOJP0.2WRD3RDIMCDD5DOD6Dl07D2CEPloP0.3P04PoJ7o7POJP2.71FGNDDBOn 111DO

18、212DlVCoSV313D24V UU1L>DEn¼>114D3WR5V L WR -RD -tE151)4>tHRD6DB5 rr><16D5CEF717D6/CD8L CUL50 r¼mIX1)79LZJ- U NCD CTVL5/KSm,1974HCO41020INVPG160128A波形顯示圖21-LCD顯示3.2.3數字電源設計供電電源接數字地,采用MC78L05穩(wěn)壓如圖22所示提供5V電源。圖22-數字5V穩(wěn)壓3.2.4鯉電路按鍵電路如圖23所示控制波形的顯示,1、2控制液晶顯示基線的上下移動Z 3控制液晶顯示屏上波形的保持和復原。圖23-按鍵電路4軟件部傾計AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMoS 8位 微處理器。將ADC0832與AT89C51對應連接,軟件部分需要的ADC轉化部 分，進行數模的轉化。通過建立坐標的方法進行波形的實時顯示