心电信号采集与心电波形实时显示模块的设计

1、摘要本课程设计心电信号采集和心电波形显示，采用AT89C51作为控制器，通 过对人体标准三导联信号的采集以及放大滤波等处理/专至控制器实现数据的处 理，进而在液晶屏上显示波形以及实现计算心率等功能，设计容分为硬件部分和 软件部分。硬件部分由模拟采集部分和数字处理部分组成。模拟采集部分由前置放大 级、二阶高低通滤波器、光耦隔离、一级放大、50Hz陷波电路、増益可调二级 放大组成,数字处理部分有AT89C51控制器、A/D转换、LCD160128液晶显 示、按键处理模块、阈值报警等构成并且前置级浮地,数字电源和模拟电源分开 供电Z减少相应的干扰。软件部分需要将单片机与ADC转化部分相连，在8位的A

2、DC进行系统的 配置后,进行数据的转化。进行数模的转化。通过建立坐标的方法进行波形的实 时显示。另外可以构建心率算法实现其他心率计算等其他功能。设计完成后进行仿真Z制作样机,软硬联调后测试预期的性能指标。关键词:心电信号 AT89C51心电波形目录1基本原理11.1心电信号的特点11.2心电检测的原理12.系统总体耐12.1系统总体框图12.2系统功能描述22.2.1前置放大22.2.2保护电路22.2.3屏蔽驱动22.2.4高通滤波22.2.5 级放大22.2.6光电隔离2寸4磁盟K盘屁I:Tm 寸寸m番 Qy Wfxl：rnIZZ :SQ/W0 ：Km mz slss OnZ is ZHO

3、S 6fxlzSm- 8csjZ 签XI60 卜 ZZZJ- Il 9-l曩浙曲 匕型田躍率寸 SH蛊檢 寸 T44ffl養 CDl 0CM& H鯉+s豆養 Q、< H¼sn * 铝1 US STm 二ss 寸 Tm 6啬K嘗 Ht專 H& 94磁器怒駅 ZHOS ZIHW1基本原理1.1心电信号的特点心电信号频率低'幅值微弱,常常混杂其它的生理信号。心电信号的电压围 为O54W ,频率围为OO51OOHZ°测量系统有较高的敏感度Z易引入干扰。 5OHz工频干扰在测量频率围。人体是电的良导体,其它电生理信号也会进入测 量系统。人体运动伪差带来电

4、极接触的位置改变影响测量系统。1.2心电检测的原理本心电检测装置根据爰氏标准双极性肢体导联（I、口、In）方法”使用三 个不锈钢电极，其中一个电极安装在人的右脚，另外两个电极根据爰氏三角形， 可连接左手（+ 右手（-）或右手（-左脚（+）或左手（-左脚（+ 通过后两电极之间的电压差采集心电信号,然后再通过信号的分析处理得到心电 波形。2系统总体设计2.1系统总体框图LCD屏 显示图1 系统总体框图2.2系统功能描述2.2.1前置放大用两个集成运放和仪用放大器构成前置级放大,增益为G=IO,提高输入阻 抗。2.2.2保护电踣对于心电信号0.54mv ,可以使用反向并联的硅二极管Z低压情况下工频

5、电压干扰BOOmV左右，可使电压钳制在30OmVo2.2.3屏蔽驱动由于测量电极和测量系统有大于Im距离时,会使共模电压不等量衰减,降 低共模抑制能力，将屏蔽层接入共模输入信号的等电位点以消除分布电容的影响。2.2.4高通滤波滤除频率低于0.05HZ的电信号。2.2.5 一级放大使用集成运放，使得运放增益为G二20。2.2.6光电隔离对信号采用光电隔离,使或部分的信号处理电路不会因干扰的弓I入影响前置 级信号采集的安全性和准确性。2.2.7 DODC 转换将信号采集电路和信号处理电路的电源进行隔离，保证安全。2.2.8右腿驱动电路降低50Hz的工频干扰电压。2.2.9 50HN陷波器去除50H

6、z工频干扰信号。2.2.10低通滤波器滤除高于IOOHZ的的电信号。2.2.11二级放大提高信号的电压增益，可调电压增益为G=l20,获得合适的波形。2.2.12 A/D 转换将心电模拟信号信号转化成数字信号,送给单片机处理。2.2.13阈值报警当干扰电压过高或电极脱落报警。2.2.14 LCD 显示显示出心电信号的波形Z已检查心脏的情况。2.2.15按键控制调整波形基线的位置和显示屏的显示及保持。M系统模块设计3-1模拟电路设计3.1.1前置放大器设计前置放大电路的电路图如图2所示,由输入跟随器、仪用放大器、右腿屏蔽 驱动和屏蔽层驱动4部分组成。（D输入跟随器。提供高输入阻抗，获取更强的心电

7、信号，采用高输出驱动 运算放大器TLC084,具有最大失调电压1.9mV,超低失调偏移1.2VoCo（2）仪用放大器。根据系统设计要求采用高精度仪用放大器AD620,具有 高精度（最大非线性度40 PPm）S低失调电压（最大50 PV）和低失调漂移（最大 0.6 pV°C）持性。该仪用放大器的增益围为1-10 000,由其放大增益关系式:G=1+ 50 KRg,取 G=IOf 则算出 Rg 为 5.556 kf 取近似值 5.6 ko（3）右腿屏蔽驱动。采用高精度运算放大器TLCo84把混杂于原始心电信号 中的共模噪声提取出来，经过一级倒相放大后,再返回到人体，使它们相互喬加， 从而

8、减小人体共模干扰的绝对值，提高信噪比。（4）屏蔽层驱动。尽管大部分噪声以共模形式存在于人体，但由于元器件不 可能完全对称,电路板又存在一些分布参数（如寄生电容），结果使少部分以共模 形式存在的干扰噪声以差模信号的方式进入放大器，而放大器对差模信号的放 大能力很强撮终导致信号发生畸变。因此，采用高精度运算放大器TLC084,通过 屏蔽层驱动电路，用共模电压本身驱动屏蔽层给予中和，以便将跨接在其上的共 模波动减小到零。图2 前置级放大前置放大级通过施加一个幅值为4nw、频率为60Hz正弦信号源Zmultisium仿真结果如图3所示：示波务Xsel4I >T2®T2-T1时目 9OC

9、O2 ms 104.166 ms 14.164 ms通道-A 乙 3TmV 4.0COmV 1.65ImV通道卫 23.49 mV 39.636 mV 16.2C7mVI. ¾ II 保存 I k旳基通道A通道B标度：IomSIbV刻昧IO mVQ”刻度：如EVQiV边沿：国囤通邑画X轴位移（格” 0V 移（格DY轴位移（格” O水平：OVl> oJbaabI交流01交流ILO Ii正常i自动I无图3前置级放大仿真结果3丄2高通和低通滤波器、50Hz陷波器设计由于心电信号属于页信号，为了去掉高频的干扰，还须通过低通滤波。低 通滤波器（LPF）如图4所示采用归一化设计的BUTTE

10、RWORTH二阶低通滤波, 截止频率fH为100 H乙在频率转折处有足够的陡度。放大器的温漂、皮肤电阻的变化、呼吸和人体运动，都会造成匕、电信号出现 所谓的”基线漂移”现象，即输出端的心电信号会在某条水平线上缓慢地上下移 动。从频谱上说，这些影响都可以归结为一个低频噪声干扰。文献指出,这些噪声 主要集中于0.03 2 H乙但是，心电信号中的ST段和Q波频率分量集中于 0.052 H乙与上述但濒噪声分量很接近。因此,不可简单地把高通截止频率定 为2 H乙否则将使心电信号的波形出现较大失真。根据美国心脏协会（AHA）的 建议”去除C'电信号中的直流成分的带通滤波器（BPF）截止频率不得超过

11、0.05 H乙高通滤波器（HPF ）如图5所示截止频率设计为0.05H乙采用低功耗低噪 声的运算放大器TLC084,每通道供电电流为2.5mA,噪声8.5nVHz（ IkHz 时）,适合便携式设备。虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但部分工频干扰是以 差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之，加上电极和输入回路 不稳定等因素，经过前面的前置放大，低通滤波和一级放大后，输出仍然存在较 强的工频干扰，所以我们采用"双T带阻滤波"电路来滤除工频干扰。50Hz工 频陷波电路如图6所示，放大器采用低功耗低噪声的运算放大器TLC084offlHdHG.ZCH=06

12、 一22-ZCXLmr is 丨点za寸 8§.LS 二00AQZf- Jll2 =O-TITIS4ffl-更医 L IS 呂M(W E.snujZHO9 >E00 寸els4g5ls!BZHOup9 H图7-LPF仿真结果高通滤波器施加一个幅值40nw、频率为60Hz的正弦电压信号,multisium 仿真结果如图8所示:图8-HPF仿真结果双T陷波器施加一个幅值40OmV、频率为60HZ的正弦电压信号ImUltiSiUm 仿真结果如图9所示:图9-5OHZ陷波器仿真结果3.1.3 一级放大和二SS放大设计由于经过前置级放大得到的信号依然微弱,所以一级放大如图10所示采用 低

13、功耗低噪声的运算放大器TLC084实现增益G=Io Z提高信号的幅值。经过LPF后的信号幅值送入单片机进行处理幅值太低需要使用变阻器R39实现G二120的増益可调二级放大如图11所示，便于单片机处理和显示。VCCI I5VKINDClSIkVLL-15T_U7 TLCo84RI7HHCaPIonE FGNr9K一级放大图10-级放大C8増益可调二级放大图II-增益可调二级放大一级放大施加一个幅值40mv、频率为60HZ的正弓玄电压信号z multisium仿真结果如图12所示：图12-级放大仿真结果二级放大施加一个幅值40OrnV、频率为60HZ的正弦电压信号fmultisium仿真结果如图1

14、3所示:示 SS-XSCIITlH ±±TlTLI2T2-时间S-B112 565 砖 399.331 m4.398V104.189 ms399.936 EY-1.40OV-. 376 ms799.867 mV& 798 VI保存Ia标|g：IO et>/X 铀位 «S)： OPrn >taBAAA 刻 fg：50OmVlIY细位移船)：O通直3: 2 引DW 伽立移紛0边汨；国匡）区）水平：0"VI单次正幸自动匡图13-增益可调二级放大仿真结果3.1.4光电隔离设计从人体的安全角度、信号的防干扰角度出发Z设计了光耦隔离电路如图14

15、所示Z其采用隔离芯片ISO130和TLC084作为主要芯片，可以实现其光耦与放 大的功能。光电耦合隔离放大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图14光电耦合隔离光电耦合施加一个幅值40OmV、频率为60HZ的正弦电压信号,multisium 仿真结果如图15所示:图15-光电耦合隔离仿真结果3.1.5 DODC转换设计光耦隔离前端电源浮地Z采用MC78L0

16、5稳压如图16所示提供5V电源。光耦隔离后端电源接模拟地采用MC78L05稳压如图17所示提供5V电源。NEJV刃幾 AS -z ffiQNDVClNO VGN9Vdnl 0 dn0乙.)二二问二18L.3HSlOryASi *33刃幾 AS W-9T SlCNtHdnOHO=ISOwQNOH-A”八CINE)HClZDHIHA lru6a ZlJ=PIOcSia5l 35V稳压仿真结果如图18所示:图：L8 5 V稳压仿真结果3.2数字电路设计 3.2.1 A/D转换和阈值报警AD0832是8位逐次逼近模数转换器,可支持两个单端输入通道和一个差分 输入通道。电压分辨率为5/256V,约为19

17、.5mVo A/D转换电路如图19所示。阈值报警如图20所示Z当电极脱落或输出电压过高时,红色LED灯发光报 警。图19-A/D转换VCe+5 VALARMR46ALRAMLEDl阈值报警图20-阈值报警32.2 LCD模块显示设计LCD模块采用PG160128A为一个128行160列的点阵液晶屏Z能显示各 种字符、图形、汉字,基于T6963C核控制Z自带字符库，同时用户也可以自 己建立汉字、图形库。LCD显示如图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波形显示图21-LCD显示3.2.3数字电源设计供电电源接数字地,采用MC78L05稳压如图22所示提供5V电源。图22-数字5V稳压3.2.4鯉电路按键电路如图23所示控制波形的显示,1、2控制液晶显示基线的上下移动Z 3控制液晶显示屏上波形的保持和复原。图23-按键电路4软件部倾计AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMoS 8位 微处理器。将ADC0832与AT89C51对应连接,软件部分需要的ADC转化部 分，进行数模的转化。通过建立坐标的方法进行波形的实时显示