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)的突飛猛進以及臨床醫(yī)學的相互促進,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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368965.htm對于心電信號的采集,采用標準導聯(lián)方式進行采集。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)計一個補償電路。對于放大以后的信號,讓它通過濾波電路進行濾波。 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線與放大器連接的方式,稱為心電儀的“導聯(lián)”。
標準導聯(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。
標準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。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(shè)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(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(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(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行 A/D 轉(zhuǎn)換。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進行 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~IN7):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 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 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。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。 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 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 FIASH進行校驗時,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 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 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時, 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,當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,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 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)計一個補償電路。對于放大以后的信號,讓它通過濾波電路進行濾波。
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