智能醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計—電路圖天天讀（294）

　　目前， 國內(nèi)各大醫(yī)療器械廠和科研單位都在心電監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)上投入了大量的資源，并且都開發(fā)了各具特點的心電監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品。電子醫(yī)療技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及臨床醫(yī)學(xué)的相互促進(jìn)，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的心電監(jiān)測產(chǎn)品，常見的有床邊心電監(jiān)測、動態(tài)心電監(jiān)測、電話心電監(jiān)測和天線心電監(jiān)測等。

　　對于心電信號的采集，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(shè)計一個補(bǔ)償電路。對于放大以后的信號，讓它通過濾波電路進(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低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，經(jīng)過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，讓其通過一個主放大電路。同時，為了便于單片機(jī)和ADC0808 的信號采集和處理，可以讓心電信號通過一個加法器電路，將波形提升到 0V 以上。然后通過顯示電路讓經(jīng)過單片機(jī)處理的信號顯示在液晶屏上。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　硬件電路設(shè)計

　　心電信號采集電路的設(shè)計

　　臨床上心電信號主要從體表收集， 檢測時將測量電極安放在體表相隔一定距離的兩點，電極通過多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監(jiān)護(hù)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，描成曲線就是心電圖。在測定心電信號波形時，電極安放的位置以及導(dǎo)線與放大器連接的方式，稱為心電儀的“導(dǎo)聯(lián)”。

　　標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)直接把兩個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電位差的變化。

　　標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)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。

　　標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?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。

　　標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ導(dǎo)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。本課題采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)方式，右腿（RL）的參考電極連接補(bǔ)償電路。

圖2 信號采集電路輸入端示意圖

　　在本次的設(shè)計中，采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)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(shè)計

　　本設(shè)計中的前置放大電路采用集成儀表放大器 AD620。因為本次設(shè)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(shè)計中可以選用集成儀表放大器 AD620 來進(jìn)行前置放大電路的設(shè)計。

　　AD620 芯片簡介

　　AD620 內(nèi)部由三個放大器共同組成，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(fù)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(zhǔn)。

圖3 AD620管腳圖

　　本設(shè)計可以通過調(diào)整 Rx 的大小來調(diào)整 AD620 的增益值， 其增益可以通過公式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(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小，具有較高的共模抑制比，調(diào)節(jié)方便等特點。該芯片可提供的最大電流為 1.3mA 的電流。適用于 ECG 測量、醫(yī)療器件、壓力測量、信號采集等場合。

　　前置放大電路設(shè)計

　　如圖 3.3 所示，差分輸入端 IO2、IO3 分別接標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)的正負(fù)輸入端，R1、R4 、R5 共同決定放大電路的放大倍數(shù)。

　　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(jù)小信號放大器的設(shè)計原則，前級的增益不能設(shè)置太高，因為前級增益過高將不利于后續(xù)電路對噪聲的處理， 在本次設(shè)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(shè)計

　　低通濾波器電路的設(shè)計

　　為了濾除 105Hz 以上的干擾信號， 需要設(shè)計一個截止頻率為 105Hz 的低通濾波器。本設(shè)計可以采用有源低通濾波器，根據(jù)學(xué)過的濾波器知識，先確定低通濾波器的大致形式，然后通過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(shè)計中，可以采用的運(yùn)算放大器為 OP07，設(shè)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(shè)計

　　為了濾除 0.05Hz 以下的干擾信號， 需要設(shè)計一個截止頻率為 0.05Hz 的高通濾波器。本設(shè)計可以采用有源高通濾波器，根據(jù)學(xué)過的濾波器知識，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過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(shè)計中，可以采用的運(yùn)算放大器為 OP07，設(shè)計的電路圖如圖6所示。

圖6 高通濾波器電路圖

　　ADC0808 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

　　ADC0808 芯片簡介

　　ADC0808 是采樣分辨率為 8 位的、 以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)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進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)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～I(xiàn)N7）：8 路模擬量輸入端。

　　8、14、15 和 17～21：8 位數(shù)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(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換）。

　　7（EOC）： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。

　　9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸

　　入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

　　10（CLK）：時鐘脈沖輸入端，要求時鐘頻率不高于 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，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。

　　顯示電路的設(shè)計

　　單片機(jī)芯片 AT89C51 簡介

　　AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) 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，俗稱單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。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 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1 時， 被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器， 它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻。

　　P1 口：P1 口是一個內(nèi)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 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。

　　P2 口：P2 口為一個內(nèi)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 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低， 將輸出電流。 這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

　　P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)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。

　　編輯點評：本文簡單介紹了智能醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)心電信號的采集電路設(shè)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(shè)計一個補(bǔ)償電路。對于放大以后的信號，讓它通過濾波電路進(jìn)行濾波。
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