毕业设计心电检测仪

1、长春工业大学学士论文摘要本课题主要设计一个基于 Atmega16的家用心电监测仪的研究设计。 根据人体心电信 号的特征，设计心电信号采集系统，完成实时心电监测的功能。本系统通过硬件电路实现了对心电信号实时的采集和处理，并将模拟的心电信号转 换成数字信号送入主控单元，从而实现了心电信息的实时显示、存储、打印、报警等功 能。本设计选用具有低功耗的 16 位单片机 Atmega16作为中央处理系统，通过心电传感 器，从人体连续取得心电信号， 经过专门的信号处理电路进行处理后送入中央处理系统， 中央处理系统通过分析、处理，检测出病人的心电信号，并与正常的心电信号比较，对 采集的心电信号进行实时分析、检

2、测及记录，并选取大容量 Flash 存储器对采集处理后 的心电信号进行存储。同时，监测仪带有液晶显示器，能实时显示所检测的心电信号。 当病人出现紧急的心电症状时，其特有的报警功能可以及时的发出报警，便于及时的对 病人进行救治。该系统还可以打印出心电波形供医务人员分析病情时参考，及时准确的 采取治疗措施，制定治疗方案。该监测仪能长期、连续、可靠、稳定的工作，同时还具有体积小、存储容量大、功 耗低、实时显示等特点，便于随身携带，使用方便，操作简单。关键词 心电监测 心电监测仪 心电传感器 信号处理电路长春工业大学学士论文Title: The design of household ECG moni

3、torAbstractThe topics mainly based Atmega16 household ECG monitor research and design. According to the characteristics of the human ECG, design ECG acquisition system,in real-time ECG monitoring function.This system has realized through the hardware circuit to heart signal real-time gathering and p

4、rocessing, and will simulate the heart signal transforms the digital signal to send in the master control unit, thus has realized the function of heart informations real time display, memory, printing, alarming, etc.This design uses a low-power 16-bit microcontroller Atmega16 as the central processi

5、ng system, through ECG sensor, from the human body to obtain a continuous ECG signal, by a dedicated signal processing circuit after being fed into the central processing system, the central system analysis, processing to detect the patients ECG signal, by comparison with a normal ECG, to achieve re

6、al-time detection, analysis, selected records, select a high-capacity Flash memory to store the acquisition of the ECG. At the same time, the monitors with a LCD monitor, be able to real-time display ECG signal. When a patient have a emergency ECG symptoms, its unique alarm function can trigger a ti

7、mely warning and treatment of patients timely. The system can also print out ECG waveform to provide reference for medical personnel, and timely and accurate implementation of therapeutic measures to establish treatment programs. Not only that ,the key of system design make operation simple and fast

8、er.The monitor can long-term, continuous, reliable, stable job, and has a small size, large storage capacity, low power consumption, real-time display and other features, easy to carry, easy to use, easy to operate.Keywords ECG monitoring ECG monitor ECG sensor Signal processing circuitII长春工业大学学士论文目

9、录摘 要 IAbstractI.I第一章 绪论 1本课题提出的意义和目的 1本课题提出的意义 11.1.2本课题提出的目的 2心电监测仪的国内外发展现状 3人体心电信号的特点 5本课题的设计要求及研究内容 5本课题的设计要求 5本课题的研究内容 6第二章 整体方案设计 72.1系统整体方案的确定 7各模块方案的确定 7 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 第三章 硬件电路的设计 10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1 中央处理系统的设计 10 HYPERLINK

10、 l bookmark32 o Current Document 3.2信号采集电路的设计 12 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.2.1心电传感器的设计 12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.2.2右腿驱动电路的设计 13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.3前置放大电路的设计 14 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.3.1前置放大电路的要求 14 HYPERLINK l bo

11、okmark42 o Current Document 3.3.2前置放大器的设计 15 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.4高通滤波电路的设计 17 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 3.5低通滤波电路的设计 18 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.6 50Hz陷波电路的设计 19 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.7后置放大电路的设计 21 HYPERLINK l bookmark

12、52 o Current Document 3.8 A/D转换电路的设计 22 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.9打印电路的设计 25 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.10存储器的设计 27 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.11 显示电路的设计 28 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.12键盘电路的设计 29 HYPERLINK l bookmark62 o Current

13、Document 3.12.1按键开关的抖动问题 30 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.12.2键盘与单片机的连接 30 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3.13报警电路的设计 32 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3.14 稳压电源电路的设计 32 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.14.1稳压电源的组成 32 HYPERLINK l bookmark72 o Current Do

14、cument 3.14.2电源电路的设计 33 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 第四章 软件设计 35 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.1软件设计的要点 35III长春工业大学学士论文 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4.1.1相邻两个心电波间隔时间的取得 35 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 4.1.2瞬时心率值的存储方式 35 HYPERLINK l b

15、ookmark82 o Current Document 4.1.3心率值的显示方式 35 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 4.1.4报警的处理方法 35 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 4.1.5打印的波形和数据 36 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 4.2系统部分程序设计 36 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4.2.1主程序的设计 36 HYPERLINK l bookmark92

16、o Current Document 4.2.2数据采集子程序的设计 37 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 4.2.3数据显示子程序的设计 38 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 4.2.4打印子程序的设计 39 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 4.2.5存储子程序的设计 40结 论 42致 谢 43 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 参考文献 44IV长春工业大学学士论文第一章 绪论1.1

17、本课题提出的意义和目1.1.1 本课题提出的意义生物电现象是生命活动的基本属性， 它几乎在机体的一切生命过程中都伴随 生物电的产生。 人体的各种生物电的研记录已经成为了解人体各器官的功能、 临 床诊断、治疗的可靠依据。心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液， 反映到身体表面上 来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。 将测量电极 放置在人体表面的一定部位记录出来的心电变化曲线， 就是目前临床上常规记录 的心电图 （用 ECG表示） 。也就是说，心电图是从体表记录的心脏电位随时间变化 而变化的曲线 , 它可以反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变 化28

18、。心血管疾病是一种较为普遍的疾病， 随着生活节奏的加快， 生活水平和健康 意识的提高，人们需要随时对心脏进行健康监护并且能在比较危急的情况下进行 及时的诊治； 同时，如果长期住在医院里进行监护和治疗， 那样花费高而且也给 医院带来了不小的门诊压力。 心电监测仪是诊断心脏病的重要仪器之一， 目前市 场上有多种心电监测仪，但是这些心电监测仪都不太适合在家庭中使用。为此， 一种能够在家庭中应用、 操作简单、 价格便宜的家用心电监测仪的设计方案应运 而生。心电监测分为心律（节律）监测和心率（速率）监测。所谓心律，是指心跳 的规律性，即每一次心跳与下一次心跳的周期间隔是否相等； 所谓心率， 是指心 脏每

19、分钟跳动的次数，心律和心率是两个完全不同的概念。危重病人ECG监测，是对心脏节律监测最有效的手段。 通过监测， 可发现心脏节律异常， 各种心律紊 乱，如房性、室性早搏，心肌供血情况、电解质紊乱等 2 。目前，国内外的心电检测产品， 大多是应用于大型医院的、 价格昂贵的大型 检测设备。而 Holter 虽然体积小，但价格不菲，并且必须到指定医院才能看到 心电图形。 甚至一些卫生站也无法负担这些复杂昂贵的医疗设备。 出于人们对医长春工业大学学士论文疗保健的需求日益提高， 心脏保健也越来越体现出其重要性。 由于心电信号的分 析有其经验性的本质特点， 一般人群无法对心电信号进行分析， 必须要有有经验

20、的医生来诊断。 因此， 心电监护在临床诊断和治疗上不可或缺， 而家用心电监护 仪的研究不仅解决了以上的问题， 也使心电监护更方便快捷准确， 便于普及， 降 低突发性心脏病带来的危险，也使心脏病人更放心健康的生活。本课题所研究的仪器具有便于携带、 低功耗等特点， 可以长时间工作， 非常 适合家庭医疗保健。医生可以读取，并在 PC上显示心电波形，进一步对患者的 病情进行诊断， 使得医院之外监护成为可能， 解决了大型心电监护仪在家庭医疗 保健中存在的价格、缺少实时性分析等问题，缓解了医院监护的压力。总之，该便携式、低功耗心电信号处理仪可为我国的家庭医疗保健做出重要1.1.2本课题提出的目的临床心电监

21、测的直接目的是及时发现、识别和确诊各种心律失常，最终的目的 是对各种致命性心律失常进行及时有效的处理，减低心律失常猝死率。具体说来， 临床心电监测具有以下目的：1、及时发现和诊断致命性心律失常这是设立心电监测的主要目的，也正是因为开始了心电监测时代，才使得近年 来急性心肌梗死和其他危重心脏病人的心律失常猝死率明显下降。2、及时发现和指示致命性心律失常的先兆通过动态观察心律失常的发展趋势和规律，可预示致命性心律失常的发生。例 如，当急性器质性心脏病人出现进行性增加的高危险性室性早搏时，应警惕和预防 随后可能出现的致命性恶性心律失常。3、指导临床抗心律失常治疗通过心电监测可确定心律失常的类型和程度

22、，有助于选择抗心律失常治疗的方 法和时机，同时，还能有效评价这些治疗措施的疗效和副作用。4、指导其他可能影响心电活动的治疗当其它非心律失常治疗措施有可能影响到病人的心电活动时，可采用心电监测 方法加以指导。5、协助涉及临床心电活动的研究工作 包括评价各种心血管疾病和治疗对病人心电活动的影响等。长春工业大学学士论文1.2心电监测仪的国内外发展现状经过近 50 年的发展，动态心电图仪已经成为临床上一种不可缺少的医用电子仪 器，它的主要价值是用以发现并记录在通常短暂心电检查是不易发现的、日常活动 时发生的心电图异常，为临床诊断提供依据。具有可以随身携带，不受检测距离影 响，不受体位变化及活动的限制的

23、特点。目前，国内外临床应用的主要是 3 导联和 12导联心电图仪。近年来，第 5-6代3导联心电仪和第 2-3代12导联心电仪，不 仅硬件先进，软件设计合理，而且自动分析功能越来越强大、全面。除具有心率变 异性、Q-T间期、Q-T离散度心室晚电位分析外，还具有 T波分析、动态血压同步检 测、心电监护和起搏分析等功能。如 Mortar 公司的 12导联心电图仪， ST段分析精 确达到 V级，独有的 ST与HRV相关分析与动态血压同步测定等，美国 DMS公司的 第二代高性能 12联心电图仪，除具有各种心律失常软件外，独有 P波分析功能，12 导联ST段维彩色超视图，率先在 Q-T间期离散度分析上提

24、出具有实用性很高的色谱 理论、高性能起搏分析功能，将心率变异性的时域、频率分析用于阻塞性睡呼吸暂 停综合征的筛选和诊断；美国 Preideal Instrument 公司生产的 3 通心电图仪，能 准确地对起搏信号加以识别，并能分析各种心率失常、 ST-T改。率变异性、 Q-Td 等7。近年来,心脏病的发病率和致死率都有不断增高的趋势。 由于其具有突发性、短 暂性和危险性的特点 ,要防治心脏病就必须对患者的心电进行长时间实时检测 , 而远 程医疗、社区护理正是解决这一问题的有效办法。最早出现的是基于 PSTN（ 公共电话交换网）的远程心电监护系统 ,利用 modem进 行“点对点”方式的心电数

25、据传输。这种方式虽然可靠性较高 , 但是对每一个患者需 要提供一条电话线 ,在患者较多时就可能无法及时进行监护 ,存在着一定的安全隐 患。为解决这一问题,后来又出现了基于以太网接口 ,利用 Internet 进行数据传输的 系统，由于采用了 TCP/IP协议, 实现了监护中心对多个患者数据的同时接收和监护。 但是,由于固定电话终端和互联网接口都并非随处可见 ,为了保证监护的效果 ,就必 须限制患者的活动范围 , 给患者的生活带来很多不便。随着移动通讯产业的迅速发展,各种无线远程监护系统相继出现 ,终于使患者可 以不再受时间、地域的限制, 随时随地得到监护。早期出现了利用卫星电话传输心电 信息的

26、系统,但是价格过于昂贵。 2000年前后, 又出现了使用 GSMm odem或带红外接长春工业大学学士论文口的手机作为通讯载体的监护系统。但由于 GSM方式的最大数据传输速度只有 9600bps,这些系统大都采用压缩或者选择性发送的方式来传输心电数据 , 功能受到 一定的限制, 而且同样存在着监护中心不能同时接收多个患者数据的问题。同时 ,由 于患者可以随意移动 ,就要求在危急情况下能够马上确定患者的位置 , 而现有的无线 监护系统都没有定位功能。此外, 大多数现有的远程心电监护系统还有一个共同的不足 ,就是没有独立的自 动判病和报警的功能 ,需要患者在感觉不适时手动记录或者发送心电数据 ,

27、再由医生 诊断后做出处置。但是 , 有些心律失常并不伴随明显的身体不适 ,患者可能因疏忽而 贻误救治的时机。患者最需要的就是在发生心律失常时能立刻得到提醒 , 根据病情采 取相应的措施, 及时控制病情的发展，因此具有实时报警功能的家用心电监测仪的研 制将解决现有系统的不足。近年来国内医疗仪器公司也纷纷转向 12 导联动态心电图仪分为以下几种类型：1、国产化（自主研制开发）12 导联 AECG仪：西安蓝港公司研制出具有自主知识 产权的第一代 3 导联心电图以后，有心电图仪，记录器具有显示屏，可以观察心率 失常及 ST-T 改变等情况。2、与著名国外厂家共同研制：美高仪公司和美国 DMS导联心电图

28、仪，具有透明 视窗装置，以液晶屏显示动态心电警和录取功能，即把动态心电图与监护心电图有 机的结合成显示 12个导联的心电图。可分别显示 3 个导联的动态心电图。3、经销国外名牌产品：这些产品都结合我国的国情， 改和汉化处理，开发出中 英文双界面，为基层医院提供了方便。4、进口器件改进仪器：长春时代数码有限公司，首家推出 SDD系列心电图仪， 使用 windows2003，分析用 1.5V 中央处理器、最新电子 U盘记录盒、USB2.0三大最 新技术，仅用一节五号电池就能记录 48乃至 72h心电图29 。此外，一些研发能力雄厚的公司，已经研制出功能齐全的第二代 12 导联心电图 仪并应用与临床

29、，成为诊断冠心病、分析心率失常最为实用的无创性检测方法。基 于嵌入式系用了当今的网络、 电话线、GPR、S蓝牙等通信技术,使医院之外的心电监 护变得更加方便和快捷。总之，随着电子技术、软件技术和通信技术的飞速发展，心电图仪的研发必定 会结合最新技术，不断更新功能和提高自动分析能力，朝着长时间、大容量、高精长春工业大学学士论文度、多功能(HRV、RDV、心电监护、动态血压同步检测等 ) 、小型化和低成本的方向 发展。1.3人体心电信号的特点心电信号属生物医学信号，具有如下特点：信号具有近场检测的特点，离开体表微小的距离，就基本上检测不到信号。心电信号通常比较微弱，一般只有 5mV。属低频信号，频

30、谱范围为 0.05 100Hz，且能量主要集中在 0.5 20Hz。干扰特别强。干扰既来自生物体内， 如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来干扰等 5 。干扰信号与心电信号本身频带重叠 ( 如工频干扰等) 。不稳定性，人体与外界有密切的联系，且内部各器官间存在相互影响， 所以， 无论来自外部或内部的刺激，都会使人体心电信号发生相应的变化。随机性，人体心电信号是反映人体机能的信号， 它是整个人体系统信息的一 部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信号易随外界干扰而变化，从 而使心电信号表现出随机性 6 。1.4本课题的设计要求及研究内容1

31、.4.1 本课题的设计要求为了实现心脏的健康监护和家庭门诊，家用心电监测仪应实现以下基本功能： 抗干扰能力强，由于人体的心电信号具有随机性、不稳定性等特点，又有 来自各方面的干扰，因此，心电监测仪要具有很强的抗干扰能力，能正确 的采集到心电信号，完成后续的处理； 操作简单，体积小，重量轻，携带方便； 利用外部存储器将需要存储的心电信息保存，便于患者在就医时回顾病情， 作为诊断的参考；利用液晶显示系统实时显示心电波形； 利用打印机将心电图打印存档，心电监测仪不仅可以利用外部存储器对心 电信息进行存储，也可以在数据回顾时打印患者的心电波形，便于直观的 了解心电信息；重病报警，当病人发生心律失常或其

32、他危重病情时，监测仪会自动发出报 警，便于及时的对病人采取抢救措施。长春工业大学学士论文1.4.2本课题的研究内容信号采集电路的设计，选取心电传感器提取人体的心电信号； 信号处理电路的设计，对采集的心电信号进行放大和滤波等操作； 模-数转换电路的设计，将模拟的心电信号转换成数字信号送入主控单元； 存储电路的设计，完成对心电信息的存储及数据回顾； 打印机的选择及其驱动电路的设计，实现对心电波形和信息的打印功能； 主控芯片的选择和设计，主控芯片要对采集的心电信息进行处理和判断， 从而完成实时显示、存储、打印和报警等功能； 电源驱动电路的设计，设计稳压电源，提供 15V、12V和 5V电源； 重病报

33、警电路的设计，当病人发生心律失常时能立刻得到提醒。长春工业大学学士论文第二章 整体方案设计2.1系统整体方案的确定家用心电监测系统总体上说是一个智能化的信号采集处理系统，其结构上主要由完成人体心电信号采集、滤波放大的前端硬件电路部分和完成数据分析和诊断的中央处理系统构成，这两部分协调配合工作完成整个系统功能。系统的整体框图如 图 2.1 所示。存报储警微处 理器信前高低号置通通采放滤滤集大波波陷 波 电 路后置放大图 2.1 系统整体设计框图由图可知，该系统的前端硬件电路由信号采集电路、信号处理电路，以及系统 电源部分组成。信号采集电路通过心电传感器采集心电信号；信号处理电路包括前 置放大电路

34、、高通滤波电路、低通滤波电路、 50Hz陷波电路和后置放大电路，主要 完成心电信号的放大和滤除干扰等功能； 系统电源部分为系统提供 15V、12V和 5V直流电源。同时，完成数据分析和诊断分析的中央处理系统由单片机实现，单片 机对采集到的数字信号进行压缩以及显示、存储、打印等处理，使整个系统具有智 能化的特点，并且，当病人心律发生异常时具有报警功能。2.2各模块方案的确定信号采集电路 信号采集电路主要由心电传感器组成，本设计通过电极片和导联线提取人体心 电信号，即生物电引导电极。生物电引导电极是完成人体和测量系统之间的界面作 用。用电极引导生物电接地 , 与电极直接接触的是电解质溶液 , 如导

35、电膏, 人体汗液或 组织液。因而形成一个金属 -电解质溶液界面, 产生一定的电位差。通过取得的电位 差提取人体的心电信号。信号处理电路长春工业大学学士论文由于人体心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在 0.05 100Hz之间，能量 主要集中在 17Hz附近，幅度小于 5mV。同时，在检测心电信号的同时存在强大的干 扰，主要有电极极化电压引起的基线漂移， 电源工频干扰（50Hz），肌电干扰（ 几百赫 兹以上） 。电源工频干扰主要是以共模形式存在， 幅值可达几伏甚至几十伏，所以心 电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极极化电压引起基线漂移是由于测量电极 与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压

36、，最大可达 300mV，因此心电放大 器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的 RC常数电路。由于信号源内阻可达 几十千欧、乃至几百千欧，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上，而且 CMRR也要在 60dB以上。由此可知，心电前置放大电路应具有高共模抑制比、高输入阻抗、高输出阻抗 等特点。大部分心电信号都要输入单片机进行处理，一般要求幅值约为 5V，即放大 器的放大倍数约为 1000 倍。因此信号处理电路由前置放大器、 高通滤波电路、低通 滤波电路、 50Hz陷波器和后置放大电路组成，实现对心电信号的放大和滤波。模-数转换电路本系统中, 需要将心电信号进行存储 ,然而微处理器无法对模拟

37、信号进行处理 , 必须把模拟量转换成数字量 , 然后再送到微处理器进行数据处理。能够变模拟量为数 字量的器件称作模-数转换器（简称 A/D转换器）。ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的主要是逐 次逼近型和双积分型，还有电压 - 频率变换型（V/F 变换器）。双积分型 ADC的介绍。双积分型 ADC，一般精度高，对周期变化的干扰信号积 分为零，因而具有抗干扰性好、价格便宜等优点，但转换速度慢，速度在几十毫秒 到十几毫秒之间。逐次逼近型 ADC的介绍。逐次逼近型 ADC，转换速度高，精度较高，价格较高 15 。 心电信号的提取过程中最大的干扰就是 50Hz的工频信号，双积

38、分型 ADC对周期 变化的干扰信号有很好的抑制作用，所以双积分型 ADC是一个很好的选择，但是心 电信号的频率范围在 0.05Hz到 100Hz之间，根据采样定理，采样频率至少在 250Hz 以上才能保证信号的不失真，即采样的时间间隔不得大于 5ms，然而双积分型 ADC 的采样间隔最短也只能在十几毫秒的数量级，所以无法满足要求。逐次逼近型 ADC 的转换速度最高能达到几十微妙的数量级，所以完全能够满足要求。因此本设计采 用了逐次逼近型 ADC。存储电路存储器种类比较多，比如：静态 RAM 626。4 6264 的存储容量为 8K字节，与微 处理器的接口形式是并行的，有 13 根地址线、8 根

39、数据线，封装为 DIP28。长春工业大学学士论文存储器 AT24C6。4 AT24C64为 EEPRO，M存储容量达 8K字节，采用 I 2C总线结构， 与微处理器连接需要两个 I/O 口，封装为 DIP811 。两者比较一下，静态 RAM6 264，由于采用了并行接口的形式，使得它的体积与 采用 I 2C总线结构的 AT24C64相比要大很多，出于这方面考虑，选择了体积更小的 AT24C64 EEPR。OM然而 AT24C64还具有其它的优点, 在两个 I/O 口上，可同时接 8 个 I 2C 总线结构的 EEPRO，M可方便的提高系统的存储容量， 最高可到 512K字节。AD 转换每 4m

40、s转换一次，在进行下一次转换前必须将数据存储起来，这就要求存储器 的写时间不能超过 4ms，而 AT24C64的 CLOCK最高频率可达 400kHz，进行一次一个 字节写操作需要 90ns，进行一次一个字节读操作需要 110ns，这完全可以满足系统 的要求。因此本设计采用了 AT24C64存储器对心电信号进行存储。长春工业大学学士论文第三章 硬件电路的设计3.1中央处理系统的设计家用心电监测仪要求智能化、小型化，要实现的功能对控制器提出很高的要求。1速度要快由于心电信号的频率在 0.05 100Hz的范围内，在采样间隔的时间内，单片机 要进行大量的工作，如：采样数据的预处理，数据压缩的实现，

41、各种中断的响应处 理，各种监控的实现等。要在很短的时间内完成如此大量的工作，且要让单片机有 相当多的时间进入低功耗状态，所以对单片机的速度要求比较高。2I/0 接口设置按键，进行人机交互以及对外执行控制功能等都要通过普通 I/0 口与单片 机通讯，所以 I/0 口数目要多。3中断口及其他心电监测仪可响应重病报警、按键两种外部硬件中断，所以单片机的中断口至 少需要 2 个。因为心电监测仪要进行心电数据的实时预处理和自动分析，算法复杂，所以待 选单片机要有较强的指令功能和数据处理能力。庞大的心电数据需要大容量的数据 存储器，所以要求待选单片机的数据区要大， 且容易扩展，还需有 2个以上的定时 /

42、计数器。基于上述的要求，本设计选用 Atmega16作为中央处理系统，实现数据的分析和 诊断等功能。Atmega16单片机是 8 位 AVR系列微处理器，它是 ATMEL公司新推出的 90 系列 单片机，内含高速闪存 FLASH是, 基于增强精简指令 RISC结构的单片机，该系列单 片机在吸收 PIC 及 8051 单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。Atmega16单片机具有如下的特点：速度快Atmega16单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令。Atmega16单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。 其快速存 取RISC寄存器文件由 32个通用工作寄存器组成。 Atme

43、ga16单片机用 32个通用寄 存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周 期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规 CISC 微控制器快十 倍。Atmega16单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就10长春工业大学学士论文取出下一条指令，然后以一个周期执行指令 （与 DSP类似）, 是8 位单片机中第一种真 正的 RISC单片机。性能价格比高Atmega16单片机中既有引脚少的器件 （8 脚）, 也有存储容量较大、引脚较多的器 件，给用户以充分的选择余地。工作电压范围宽（2.7 6V），抗干扰能力强。 Atmega16单片机的

44、引脚如图 3.1 所示。1234567891213141516171819201110VCCAVCCPB0PA0PB1PA1PB2PA2PB3PA3PB4PA4PB5PA5PB6PA6PB7PA7RESE TARE FXTA L2PC7XTA L1PC6PD0PC5PD1PC4PD2PC3PD3PC2PD4PC1PD5PC0PD6PD7GNDGND图 3.1 Atmega16 单片机管脚图3040393837363534333229282726252423222131一、电源引脚 电源引脚接入单片机的工作电源。（1）Vcc （10 引脚）：接+5V电源。（2）GND（11引脚和 31引脚）：接

45、地。（3）AVCC（30引脚） ：AVCC是端口 A与 A/D转换器的电源。不使用 ADC时，该 引脚应直接与 Vcc 连接。使用 ADC时应通过一个低通滤波器与 Vcc 连接。二、时钟引脚2 个时钟引脚 XTAL1、 XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了 1 个振荡器， 它为单片机提供了时钟控制信号。 2 个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。（1）XTAL1 （ 12 引脚）：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。（2）XTAL2 （ 13 引脚）：反向振荡放大器的输出端。11长春工业大学学士论文三、控制引脚(1)RESET 复位输入引脚( 9 引脚)：持续时间超过最小门限时间的低

46、 电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。(2)AREF(32 引脚)：A/D转换的模拟基准输入引脚。四、I/O 口引脚(1) 端口 A(PA7.PA0) ：端口 A 为 A/D 转换器的模拟输入端。 端口 A 为8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的 驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还 未起振，端口 A 处于高阻状态。(2) 端口 B(PB7.PB0) ：端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内 部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的

47、驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电 流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。端口 C(PC7.PC0) ：端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内 部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电 流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果 JTAG接口使能， 即使复位出现引脚 PC5(TDI) 、 PC3(TMS)与 PC2(TCK) 的上 拉电阻被激活。端口 D(PD7.PD0) ：

48、端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内 部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出 电流。复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态 7 。Atmega16单片机在一个芯片内将增强性能的 RISC 8位 CPU与可下载的 FLASH 相结合使其成为适合许多要求，具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。Atmega16单片机强大的功能使其广泛应用于空调控制板、打印机控制板、 智能电表、智能手电、 LED 控制屏、医疗设备、 GPS等领域。3.2信号采集电路的设计3.2.1心电

49、传感器的设计心脏在每一次搏动之前，心肌首先发生激动，同时产生弱电流，这些电流从心脏向身体各个部分传导，引起人体皮肤表层的电位变化，这就形成了心电信号。12长春工业大学学士论文生物电引导电极是完成人体和测量系统之间的界面作用。用电极引导生物电信 号时，与电极直接接触的是电解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液（针电极插 入皮下时）。因而形成一个金属 -电解质溶液界面。由电化学知识可知，金属与水溶 液之间形成电荷分布双电层， 产生一定的电位差。若金属片不是浸在水溶液中， 而是浸在它的盐溶液中，也会发生这种现象。电极的极化是指电极与电解质溶液界 面形成双电层以及在有电流通过时，电极-电解质溶液界面电位

50、发生的变化。 有些电 极是高度极化的，而有一类电极，如 Ag-AgCL电极只有低微的极化，称之为不极化 电极512 。本次设计中选用的是不极化电极： Ag-AgCL电极。本设计心电传感器的结构框图如图 3.1 所示。人体体表导电膏银-氯化银导联线后续的信号电极处理电路图 3.1 心电传感器的结构图心电电极是从人体体表提取心电信号的特殊导电电极，在使用时要对人体的皮 肤进行处理，并在电极和皮肤间涂上导电膏，此时的心电信号非常微弱，易受到各 方面因素的干扰，甚至检测不出心电信号。因此，电极的特性对心电信号的提取质 量有很大影响。选择电极主要考虑的因素有： 灵敏度、噪声、极化电压、稳定性等。 本设计

51、使用的电极为银 -氯化银电极，它由银粉和氯化银粉压制而成， 具有灵敏度高、 噪声低、极化电压小、稳定性好的特点，是一种较为理想的体表心电信号检测电极。导联线是将电极提取的心电信号传输到后续电路的导线，由于心电信号在传输 过程中会受到多种因素的干扰。因此，选择性能好的导联线具有非常重要的意义。 在导联线的使用过程中，导联线的抖动、牵扯都会使传输的心电信号受到干扰，造 成心电波形杂乱，导致心电数据错误。所以，在使用导联线时，还要注意保持导联 线的稳定。本次设计中选用三个心电传感器，分别接到左手、右手和右腿上。左手和右手 电极是整个电路的心电信号输入端，采集心电信号，其中右手电极接到前置放大器 的

52、IN- 上，左手电极接到前置放大器的 IN+上，具体电路如图 3.4 所示。右腿电极是 右腿驱动电路的输入端。3.2.2右腿驱动电路的设计在生物电前置级设置一种电路，用于将人体的共模信号反馈给人体以抵消共模 干扰的影响，称此电路为共模驱动，或右腿驱动电路。共模驱动电路是在放大器前置缓冲级用一组等值电阻取出共模电压，然后经过 一个高增益反相放大器将倒相的共模信号反馈给人体来抵消共模干扰的影响，这是 一种有效的共模反馈抵消法 68 。13长春工业大学学士论文本设计中，选用右腿驱动电路去除人体携带的交流共模干扰、减少位移电流、 保护人体安全。电路如图 3.2 所示。图 3.2 右腿驱动电路由图可知，

53、右腿驱动电路实际上可以看成是以人体为相加点的共模电压并联负 反馈电路。其输入为前置放大器的输入端，输出接右腿电极，限流电阻 R1 1M , 取值较大，限制电流为毫安级的水平，增加了安全保护性能，防止病人受到可能的 伤害。3.3 前置放大电路的设计心电信号是反映人体生理状态的一种重要信息，是人体电子测量中的主要信息 源，心电信号是一种低频微弱信号，对干扰很敏感，对体表电极测量而言，信号幅 B度在 10V到4mV之间，典型值为 1mV，频率范围在 0.05Hz到 100Hz。由于心电信 号检测的信号源是人体本身，而人体又处在各种纷繁复杂的电磁环境中，所以心电 信号中不可避免地会混有各种高强度的干扰

54、。要监测心电信号首先必须正确获取心 电信号，才能对心电信号进行分析和处理，因此，信号处理电路成为设计关键，尤 其是心电信号的放大。3.3.1前置放大电路的要求根据心电信号的特点，对心电信号前置放大器提出的要求包括高输入阻抗、高 共模抑制比、低噪声、低漂移和设置保护电路等。高输入阻抗心电信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取的心电信号又呈现出不 稳定的高内阻特性。信号源的信号、阻抗大小不仅因人而异、因生理状态而异，而14长春工业大学学士论文且在测量时，与传感器的安放位置、安放的力度、电极本身的物理状态以及人当时 的生理状态都有密切关系。以上这些变化对微弱的心电信号将产生极大的干扰。消 除高

55、输入阻抗影响的最好办法就是采用更高输入阻抗的放大器。高共模抑制比（ CMR）R 为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量参数外的其它生理作用的干扰，需 采用差动放大形式，所以共模抑制比（ CMR）R是放大器的主要指标。生物电放大器 的 CMRR值一般要求达到 60dB到 80dB，对脑电、心电等特别微弱的信号， 要求 CMRR 值达到 120dB。低噪声、低漂移 相对于幅度仅在微伏、毫伏级的低频生物电信号而言，放大器前置级的这一项 要求也是很重要的。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声， 输入信号的质量很差。 所以，为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理 想的生物电放大

56、器，能够抑制外界干扰使其减弱到与放大器的固有噪声为同一数量 级。这样，放大器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号电平有一个下限，也 就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。除了肌电和神经动作电位外，绝大多数的生物电信号都有很低的频率成分，如 心电、自发脑电、胃电、眼电、细胞内、外电位等都具有 1Hz以下的频率分量。但 通常采用的直流放大器的零点漂移现象限制了直流放大器的输入范围，使得微弱的 缓变信号无法被放大，尤其在进行较长时间的记录、观察、监护时，基线漂移对测 量带来严重的影响，常常使测量不能正常进行。因此应当采取措施抑制放大器的零 点漂移812 。3.3.2前置放大器的设计AD

57、620仪表放大器能直接实现同相并联差动放大电路的功能，使用方便，因此，本设计选用它作为前置放大器，其结构原理如图 3.3 所示。15长春工业大学学士论文5/REF6/V 0RG图 3.3 AD620 集成芯片结构原理图AD620是高性能单片集成的仪表放大器，它在同相并联差动放大的基础上，采 用激光晶片校准技术，使用户仅用一个外接电阻就能对增益进行准确的确定，无需 调节，易于使用。使用时只需在 1脚和8脚接入一电阻RG以设置所需要的增益 G。由图 3.3 可知，集成的仪表放大器的电压增益为：A0 149.4kRG3.1)当电阻 RG 取不同值时，可以得到 11000 倍的电压增益。AD620的突

58、出优点是低频噪声小，从 0.1 10Hz的噪声电压 p-p（峰- 峰）值为 0.28V，失调电压、温漂都很小，共模抑制比为 110dB,宽带 120kHz（ G=100）。使 用时应注意，引线端 REF通常接地，确保其良好接地是保持高共模抑制比所必需的。 电阻RG 的稳定性、温漂将影响放大器增益的稳定，在外接电阻 RG 很小时（即高增 益设置时）应选用精密绕组电阻。电源端通常外接 0.1F 电容，是为了去除电源的 耦合干扰，应用时电容要就近接地 8 。AD620的高输入阻抗、高共模抑制比以及其他优越的性能，使其可以用于 ECG 测量电路中。 AD620作为前置放大器，其增益为 10左右，加上后

59、级放大，总增益可 以达到 1000 倍，满足 ECG信号放大的要求。本设计的前置放大电路如图 3.4 所示。16长春工业大学学士论文-15VR6+15VR7右手电极300C10.1uF0.1uF300C2接右腿驱动电路左手电极R410KR510KD11RG5K83D22-IN-VsRG1+VsRG2OUT+INREF4765AD620输出图 3.4 前置放大电路由图可知，前置放大器加入了右腿驱动电路，以减少共模干扰的影响。 前置放大器的增益为：49.4kCA0 1 1 9.88 10.88（ 3.2）5k共模驱动电路由对称电阻 R4和 R5取出人体共模电压，经运算放大器组成反向驱 动放大器施加

60、给人体的右腿，抵消共模干扰。3.4高通滤波电路的设计前置放大器输出的信号并不是纯粹的心电信号，其中除了夹杂着不少的工频干 扰外，还有可观的低频分量。这些干扰来自心电传感器和皮肤的摩擦音、呼吸的噪 音、人体的干扰信号和记录仪所产生的干扰等，还可能来自于电极极化电压的不平 衡、前置放大器的失调漂移以及人体的活动等因素。 这不仅会导致心电信号被淹没， 也不利于后续电路的处理。有源滤波器一般由集成运放与 RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点， 同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼 有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制