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

　　目前， 國(guó)內(nèi)各大醫(yī)療器械廠和科研單位都在心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(jiān)測(cè)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(cè)產(chǎn)品，常見(jiàn)的有床邊心電監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)、電話心電監(jiān)測(cè)和天線心電監(jiān)測(cè)等。

　　對(duì)于心電信號(hào)的采集，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行采集。心電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào)，要先利用前置放大電路將信號(hào)放大 8 倍。由于人體信號(hào)源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償電路。對(duì)于放大以后的信號(hào)，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。 心電信號(hào)中存在 0.05Hz 以下的頻率信號(hào)、 105Hz 以上的頻率信號(hào)和 50Hz的工頻干擾信號(hào)，需要讓心電信號(hào)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(hào)變的比較干凈。然后為將心電信號(hào)放大到伏特級(jí)別，讓其通過(guò)一個(gè)主放大電路。同時(shí)，為了便于單片機(jī)和ADC0808 的信號(hào)采集和處理，可以讓心電信號(hào)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(jī)處理的信號(hào)顯示在液晶屏上。整個(gè)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(jì)

　　心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

　　臨床上心電信號(hào)主要從體表收集， 檢測(cè)時(shí)將測(cè)量電極安放在體表相隔一定距離的兩點(diǎn)，電極通過(guò)多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監(jiān)護(hù)儀的放大器相連，測(cè)量出電極在體表的電位差就是心電信號(hào)，描成曲線就是心電圖。在測(cè)定心電信號(hào)波形時(shí)，電極安放的位置以及導(dǎo)線與放大器連接的方式，稱(chēng)為心電儀的“導(dǎo)聯(lián)”。

　　標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(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(diǎn)。

　　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(diǎn)。

　　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(diǎn)。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(hào)采集電路輸入端示意圖

　　在本次的設(shè)計(jì)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(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用集成儀表放大器 AD620。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所要處理的電信號(hào)比較微弱， 而且對(duì)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(jì)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(shè)計(jì)。

　　AD620 芯片簡(jiǎn)介

　　AD620 內(nèi)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(fù)相等的工作電壓，2、3 接輸入的弱電壓信號(hào)，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(jì)可以通過(guò)調(diào)整 Rx 的大小來(lái)調(diào)整 AD620 的增益值， 其增益可以通過(guò)公式1進(jìn)行計(jì)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(diǎn)。該芯片可提供的最大電流為 1.3mA 的電流。適用于 ECG 測(cè)量、醫(yī)療器件、壓力測(cè)量、信號(hào)采集等場(chǎng)合。

　　前置放大電路設(shè)計(jì)

　　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?yàn)樾碾娦盘?hào)比較微弱，所以要求放大 1000 倍左右。但是，根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則，前級(jí)的增益不能設(shè)置太高，因?yàn)榍凹?jí)增益過(guò)高將不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理， 在本次設(shè)計(jì)中， 可以要求前級(jí)電路放大 8 倍以便于后面對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理。

圖4 前置放大電路

　　濾波電路的設(shè)計(jì)

　　低通濾波器電路的設(shè)計(jì)

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

　　為了濾除 0.05Hz 以下的干擾信號(hào)， 需要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為 0.05Hz 的高通濾波器。本設(shè)計(jì)可以采用有源高通濾波器，根據(jù)學(xué)過(guò)的濾波器知識(shí)，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過(guò)計(jì)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(jì)中，可以采用的運(yùn)算放大器為 OP07，設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。一般在硬件仿真時(shí)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(hào)，輸入，高電平有效。

　　6（START）： A/D 轉(zhuǎn)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(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換）。

　　7（EOC）： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)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(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)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，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。

　　顯示電路的設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)芯片 AT89C51 簡(jiǎn)介

　　AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)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(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)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(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) 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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)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(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(mén)電流。P1 口管腳寫(xiě)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。

　　P2 口：P2 口為一個(gè)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(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“1”時(shí)，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(shí)， 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(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

　　P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)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(dāng) P3 口寫(xiě)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(diǎn)評(píng)：本文簡(jiǎn)單介紹了智能醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)心電信號(hào)的采集電路設(shè)計(jì)，心電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào)，要先利用前置放大電路將信號(hào)放大8倍。由于人體信號(hào)源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償電路。對(duì)于放大以后的信號(hào)，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。
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