【word】 家用心电图测量仪的电路设计
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分析和治疗提供
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
图如图1所示:
图l系统流程图
心电信号是一种微弱体
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:在第一次检测到有键按下时,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
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