智能醫療健康監測系統電路設計—電路圖天天讀（294）

　　目前， 國內各大醫療器械廠(chǎng)和科研單位都在心電監測系統的開(kāi)發(fā)上投入了大量的資源，并且都開(kāi)發(fā)了各具特點(diǎn)的心電監測系統產(chǎn)品。電子醫療技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及臨床醫學(xué)的相互促進(jìn)，已經(jīng)出現了各種各樣的心電監測產(chǎn)品，常見(jiàn)的有床邊心電監測、動(dòng)態(tài)心電監測、電話(huà)心電監測和天線(xiàn)心電監測等。

　　對于心電信號的采集，采用標準導聯(lián)方式進(jìn)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(gè)補償電路。對于放大以后的信號，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)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(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(guò)一個(gè)主放大電路。同時(shí)，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(guò)一個(gè)加法器電路，將波形提升到 0V 以上。然后通過(guò)顯示電路讓經(jīng)過(guò)單片機處理的信號顯示在液晶屏上。整個(gè)系統的結構圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

　　硬件電路設計

　　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(shí)將測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(xiàn)絞成的屏蔽線(xiàn)與心電監護儀的放大器相連，測量出電極在體表的電位差就是心電信號，描成曲線(xiàn)就是心電圖。在測定心電信號波形時(shí)，電極安放的位置以及導線(xiàn)與放大器連接的方式，稱(chēng)為心電儀的“導聯(lián)”。

　　標準導聯(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。

　　標準Ⅰ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(diǎn)。

　　標準Ⅱ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（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點(diǎn)。

　　標準Ⅲ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(diǎn)。本課題采用標準Ⅰ導聯(lián)方式，右腿（RL）的參考電極連接補償電路。

圖2 信號采集電路輸入端示意圖

　　在本次的設計中，采用標準Ⅰ導聯(lián)方式，即如圖2所示，IO1 端作為參考電極接右腿，IO2 端接左臂，IO3 端接右臂。

　　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放大器 AD620 來(lái)進(jìn)行前置放大電路的設計。

　　AD620 芯片簡(jiǎn)介

　　AD620 內部由三個(gè)放大器共同組成，其引腳圖如圖 3 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 AD620管腳圖

　　本設計可以通過(guò)調整 Rx 的大小來(lái)調整 AD620 的增益值， 其增益可以通過(guò)公式1進(jìn)行計算。

　　AD620 增益范圍是 1～1000。它具有低耗電，精確度高，低噪聲，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小，具有較高的共模抑制比，調節方便等特點(diǎn)。該芯片可提供的最大電流為 1.3mA 的電流。適用于 ECG 測量、醫療器件、壓力測量、信號采集等場(chǎng)合。

　　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Ⅰ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。

　　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(guò)高將不利于后續電路對噪聲的處理， 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(jìn)行處理。

圖4 前置放大電路

　　濾波電路的設計

　　低通濾波器電路的設計

　　為了濾除 105Hz 以上的干擾信號， 需要設計一個(gè)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，根據學(xué)過(guò)的濾波器知識，先確定低通濾波器的大致形式，然后通過(guò)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5所示。

圖5 低通濾波器電路圖

　　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(gè)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，根據學(xué)過(guò)的濾波器知識，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過(guò)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6所示。

圖6 高通濾波器電路圖

　　ADC0808 轉換電路的設計

　　ADC0808 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/數轉換的器件。 其內部有一個(gè) 8 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉換。一般在硬件仿真時(shí)采用 ADC0808 進(jìn)行 A/D 轉換。ADC0808 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖7所示。

圖7 ADC0808管腳圖

　　ADC0808 各引腳功能如下：

　　1～5 和 26～28（IN0～IN7）：8 路模擬量輸入端。

　　8、14、15 和 17～21：8 位數字量輸出端。

　　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 復位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉換）。

　　7（EOC）： A/D 轉換結束信號，輸出，當 A/D 轉換結束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉換期間一直為低電平）。

　　9（OE）：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A/D 轉換結束時(shí)，此端輸

　　入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數字量。

　　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。

　　23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3 位地址輸入線(xiàn)，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。

　　顯示電路的設計

　　單片機芯片 AT89C51 簡(jiǎn)介

　　AT89C51 是一種帶 4K 字節 FLASH 存儲器（ FPEROM — Flash Programmable andErasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節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 和閃爍存儲器組合在單個(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 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其管腳圖如圖8所示。

圖8 AT89C51管腳圖

　　各引腳功能如下：

　　VCC：供電電壓。

　　GND：接地。

　　P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當 P0口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)， 被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器， 它可以被定義為數據/地址的低八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH進(jìn)行校驗時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須接上拉電阻。

　　P1 口：P1 口是一個(gè)內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時(shí)，P1口作為低八位地址接收。

　　P2 口：P2 口為一個(gè)內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當 P2 口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內部上拉電阻拉高，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 位地址外部數據存儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。

　　P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當 P3 口寫(xiě)入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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。

　　編輯點(diǎn)評：本文簡(jiǎn)單介紹了智能醫療健康監測系統心電信號的采集電路設計，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(gè)補償電路。對于放大以后的信號，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。
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