摘要心臟病已成為危害人類健康的主要疾病之一。據(jù)統(tǒng)計，心血管疾病是威脅人類生命的主要疾病，世界上心臟病的死亡率仍占首位。因此，對心血管疾病的診斷、治療一直被世界各國醫(yī)學(xué)界所重視，準(zhǔn)確地進(jìn)行心電信號提取，為醫(yī)生提供有效的輔助分析手段是重要而有意義的課題。隨著電子技術(shù)的迅速開展，醫(yī)用電子監(jiān)護(hù)系統(tǒng)近年來己在臨床診斷中逐漸應(yīng)用。針對心電信號的特點進(jìn)行心電信號的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與開發(fā)。設(shè)計一種用于心電信號采集的電路，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使得心電信號的頻率到達(dá)采樣要求。人體的心電信號是一種低頻率的微弱信號，由于心電信號直接取自人體，所以在心電采集的過程中不可防止會混入各種干擾信號。為獲得含有較小噪聲的心電信號，需要對采集到的心電信號做降噪處理。首先，設(shè)計心電采集模塊，包括心電前置放大器、帶通濾波電路、線性光耦放大電路、50Hz陷波電路、35Hz陷波電路及電平抬升電路，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出顯示電路等。其次，由于越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)心電圖中變化與大多數(shù)心血管疾病都有著緊密的聯(lián)系，因此，本課題設(shè)計了心電信號檢測方法，包括心電信號的采集，放大以及波形的液晶顯示。在論文當(dāng)中，設(shè)計的電路能夠有效的抑制了各種干擾，檢測出良好的心電信號。論文的研究工作根本上到達(dá)了設(shè)計的要求，為進(jìn)一步的產(chǎn)品開發(fā)打下了良好的根底。關(guān)鍵詞：心電信號采集，降噪，A/D轉(zhuǎn)換放大，電源電路，單片機(jī)ABSTRACTHeartdiseasehasbecometheoneofmajordisease，whichdoesharmtohumanhealth．Accordingtostatistics，cardiovasculardiseaseisthemajordiseaseofthreateninghumanlife．Thedeathrateofheartdiseasestilltakesthefirstplacearoundtheworld，sothediagnoseandtreatmentforcardiovasculardiseaseispaidmuchattentionbythemedicalcirclearoundtheworld．AccuratelyextractingECGsignalandprovidingeffectivemethodofauxiliaryanalysesisaverymeaningfultask．Alongwithquickdevelopmentofelectronicstechnique，Medicalelectronmonitoringsystemhasbeenappliedtotheclinicaldiagnosisintherecentyears．ECGsignalacquisition,dataconversionmoduledesignanddevelopmentbeyondtheECGcharacteristics.DesignacircuitforECGacquisition,andthendotheA/Dconversion,makethefrequencyofECGsamplingrequirementstoachieve.ECGsignalisalowfrequencysignal,becauseECGistakendirectlyfromthehumanbody,sotheprocessofECGacquisitioninevitablymixedwithavarietyofinterferencesignals.InordertoobtainLownoiseECGsignal,weneedtodonoisereductionofthecollectedECGsignal.Now,therearemanywaystodothenoisereductionoftheECGsignal,thisarticleintroducehowtoseparatenoisefromsignalusingthefilter.KEYWORDS:ECGsignalacquisition,noisereduction,A/Dconversion,powercircuit目錄TOC\o"1-2"\h\u3443摘要 119401ABSTRACT 229673目錄3270911緒論 4138631．1心電監(jiān)測系統(tǒng)的開展背景及意義 472001．2心電監(jiān)測系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀4188851．3心電監(jiān)測系統(tǒng)的未來開展方向和展望584062系統(tǒng)設(shè)計方案論證5162752．1心電監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計要求5275822．2心電監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計6126792．3心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的可行性論證758863硬件電路設(shè)計7166563．1心電信號采集電路的設(shè)計7303753．2前置放大電路的設(shè)計8125303．3補(bǔ)償電路的設(shè)計9198583．4濾波電路的設(shè)計10161563．5主放大電路的設(shè)計13221263．6同相加法器電路的設(shè)計14179433．7ADC0808轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計14107293．8顯示電路的設(shè)計15110074程序的設(shè)計1849424．1程序編譯環(huán)境1810544．2程序設(shè)計思想19120665仿真軟件的應(yīng)用與調(diào)試分析2214545．1Proteus仿真軟件22193195．2前置放大電路調(diào)試與分析22279715．3濾波電路調(diào)試與分析23215．4主放大電路調(diào)試與分析27107355．5同相加法器電路調(diào)試與分析28257665．6顯示電路調(diào)試與分析2911807結(jié)論 3315752致謝 34446參考文獻(xiàn) 3531736附錄：系統(tǒng)總電路圖361緒論當(dāng)今心血管疾病已成為威脅人類健康和生命的主要疾病之一，心臟病的死亡率仍居首位。據(jù)統(tǒng)計，世界上平均每年約幾百萬人死于此類疾病，我國因心血管疾病死亡人數(shù)約占總死亡人數(shù)的44％，很多心臟病人是由于未及時發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而最終導(dǎo)致死亡[1]。因此，對心血管疾病的診斷、預(yù)防是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問題。盡早地發(fā)現(xiàn)心血管系統(tǒng)疾病征兆，及時地了解心臟病狀況，對疾病的預(yù)防和及時診治具有重要的意義。1．1心電監(jiān)測系統(tǒng)的開展背景及意義心臟對于人體來說至關(guān)重要。心臟是人體血液循環(huán)的動力泵，心臟搏動是生命存在的重要標(biāo)志，心臟搏動的節(jié)律也是人體生理狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。心臟的根本活動包括電活動和機(jī)械活動，每個心動周期都是電活動在前，機(jī)械活動在后。心電信號是心臟電活動的一種客觀表示方式，是一種典型的生物電信號，具有頻率、振幅、相位、時間差等特征要素，比其他生物電信號更易于檢測，并具有一定的規(guī)律性。由于心電信號從不同方面和層次上反映了心臟的工作狀態(tài)，因此在心臟疾病的臨床診斷和治療過程中具有非常重要的參考價值。對心電信號的采集和分析一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的一個熱點，是一項復(fù)雜的工程，涉及到降低噪聲和抗干擾技術(shù)，信號分析和處理技術(shù)等不同領(lǐng)域，也依賴于生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)展[1]。自1903年心電圖引入醫(yī)學(xué)臨床以來，無論是在生物醫(yī)學(xué)方面，還是在工程學(xué)方面，心電信號的記錄、處理與診斷技術(shù)均得到了飛速的開展，并積累了相當(dāng)豐富的資料。當(dāng)前，心電信號的檢測、處理仍然是生物醫(yī)學(xué)工程界的重要研究對象之一。1．2心電監(jiān)測系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)各大醫(yī)療器械廠以及科研單位都對心電監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)上極度關(guān)注，并且都研發(fā)出了具有特色的心電監(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、心電監(jiān)測和天線心電監(jiān)測等。床邊心電監(jiān)測從1962年創(chuàng)立了冠心病監(jiān)護(hù)病房以來，國內(nèi)外均先后開展了床邊心電監(jiān)護(hù)。目前，心電監(jiān)護(hù)已廣泛應(yīng)用到臨床各種危重病和非危重病的監(jiān)護(hù)，各種手術(shù)、特殊檢查與治療的監(jiān)護(hù)。由于床邊心電監(jiān)護(hù)的開展，提高了臨床診斷水平與醫(yī)療質(zhì)量，極大地改善危重病人的搶救，起到預(yù)防和減少醫(yī)療事故或醫(yī)療糾紛的作用，也減輕了醫(yī)護(hù)人員勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。動態(tài)心電監(jiān)測動態(tài)心電圖記錄了不同體位、不同狀態(tài)、不同時間的心電變化，一次獲得的信息長達(dá)2.16Km，十余萬次心搏和十余萬次心動周期，現(xiàn)已成為診斷心率失常、心肌缺血、評估起搏功能和藥物療效的高新技術(shù)。心電監(jiān)測傳送心電監(jiān)護(hù)是極大地縮短了醫(yī)患、護(hù)患之間的距離，給患者一種平安感，從而穩(wěn)定了患者不安的心理狀態(tài)，消除了心理壓力和負(fù)擔(dān)，減少了心臟病的誘發(fā)因素。作為長期監(jiān)護(hù)的患者，那么在不斷得到急救、護(hù)理指導(dǎo)的同時，提高了自救、自護(hù)能力。TTM系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用處在起步階段，院外急救護(hù)理也是一個新的課題，需更進(jìn)一步探討、總結(jié)和提高，以更好地造福于全社會的心臟病患者。但是，如今有很多心電監(jiān)測儀還沒有得到普及，還存在一些問題：〔a〕提供的心電處理功能和記錄的心電信息有限，醫(yī)生從中難以得到全面的電信息，降低了醫(yī)生對疾病診斷的準(zhǔn)確率。〔b〕通常都選用了數(shù)字信號處理器作為心電數(shù)據(jù)分析的核心器件，而數(shù)據(jù)通信、實時時鐘、液晶顯示、程序存儲器等都需要外擴(kuò)專門的功能器件，致使結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜，體積比龐大，同時功耗也比擬嚴(yán)重，價格比擬昂貴，一般患者難以承受。〔c〕與之配套的監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)和心電數(shù)據(jù)處理中心尚不完善。1．3心電監(jiān)測系統(tǒng)的未來開展方向和展望傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺的心電監(jiān)測儀價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院而無法實時監(jiān)測患者的病情，給醫(yī)生和患者帶來了很大的不便。近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速開展，心電監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠(yuǎn)程保健效勞成為可能。未來的心電監(jiān)測系統(tǒng)會具有本錢低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點，會繼續(xù)向全信息、固態(tài)記錄、多導(dǎo)聯(lián)同步采集等方向開展，適用于個人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興的醫(yī)療途徑提供良好的幫助和支持。系統(tǒng)設(shè)計方案論證2．1心電監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計要求本課題的題目是基于單片機(jī)的心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。需要心電監(jiān)測信號經(jīng)采集裝置上傳到前置放大器，信號先進(jìn)行放大8倍，再通過濾波電路進(jìn)行濾波，濾掉0.05Hz以下頻率以及105Hz以上頻率，又阻止50Hz工頻干擾信號。已經(jīng)濾波的信號經(jīng)過后級放大電路將其放大至伏特級別，再經(jīng)過加法器電路將其波形提升到0V以上，便于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)化電路直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。經(jīng)過處理的心電信號最終由簡易的示波器顯示到液晶屏上，以便使用者能夠?qū)崟r方便的觀察到心電波的頻譜與波形。液晶屏選用具有KS0108控制器的12864LCM,采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并驅(qū)動顯示屏顯示波形。2．2心電監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計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擬干凈。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2.1所示。補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路儀表放大器前置電路濾波器電路主放大電路同相加法器ADC0808單片機(jī)心電信號采集顯示電路圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2．3心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的可行性論證在所學(xué)的知識中，對于心電信號采集，可以利用特定的傳感器進(jìn)行心電信號的采集；對于前置放大電路，可以采用集成儀表放大器AD620進(jìn)行信號的前置放大；對于補(bǔ)償電路，可以用運算放大器和反應(yīng)電阻組成補(bǔ)償電路；對于濾波電路，可以利用有源濾波器電路通過計算設(shè)計出符合要求的低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器；對于主放大電路，可以利用集成運算放大器對信號進(jìn)行再次放大；對于加法器電路，可以利用集成運算放大器來進(jìn)行加法器的設(shè)計；對于心電信號的數(shù)字化以及分析處理，可以利用單片機(jī)和ADC0808來設(shè)計硬件電路；對于顯示電路，可以讓心電信號在液晶上顯示。A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路以及單片機(jī)對心電信號的分析處理需要進(jìn)行軟件的編寫。通過論證，上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可行，可以到達(dá)心電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。3硬件電路設(shè)計3．1心電信號采集電路的設(shè)計心電信號是一種典型的人體生理信號，具有生物電信號的普遍特征，如幅度小、頻率低并且易受外界環(huán)境干擾，為采集和測量帶來了難度。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運算，所以對處理器的數(shù)據(jù)處理能力和速度也有很高的要求。如果選用處理速度很快的處理器，那么相應(yīng)的外設(shè)也要有與之相適應(yīng)的性能指標(biāo)[16]。綜合各個方面因素，電路設(shè)計要求：(1)對微弱的心電心電信號進(jìn)行放大和濾波等必要的信號調(diào)理a)設(shè)計合理的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，選擇適宜的傳感器。b)設(shè)計合理的有源濾波器，能夠進(jìn)行0．05-100Hz的帶通濾波，50Hz陷波。c)實現(xiàn)1000倍的信號放大。d)實現(xiàn)信號電壓抬高。(2)進(jìn)行符合要求的A／D轉(zhuǎn)換根據(jù)采樣定理，采樣頻率要是心電頻率的2倍以上，所以A/D的采樣頻率至少要到達(dá)200Hz以上。(3)設(shè)計電源電路3．2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。由于所要處理的電信號比擬微弱，況且其波形質(zhì)量要求偏高，須具有高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲以及低漂移。因此在本次設(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3.2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3.2AD620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(3.1)進(jìn)行計算。(3.1)AD620增益范圍是1～1000。它具有低耗電，溫度穩(wěn)定性好，精確度高，低噪聲，放大頻帶寬，具有較高的共模抑制比，噪聲系數(shù)小，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)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，因為心電信號比擬微弱，須放大1000倍左右。但是，依據(jù)小信號放大器的設(shè)計原那么，前級的增益不能設(shè)置太高，所以前級增益過高將不便于后續(xù)電路對噪聲的處理，故在本次設(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3.3前置放大電路元器件參數(shù)計算表3.2元器件參數(shù)元器件R1R4R5C1參數(shù)8.25kΩ24.9kΩ24.9kΩ4.7μFAD620的外圍電路僅為一個控制增益的電阻Rx，由公式〔3.1〕計算可以得出此處的增益：〔3.2〕通過計算，從中可以看出前置放大電路的增益約為8倍，符合設(shè)計要求。因此本設(shè)計可以選用表3.2中的元器件來搭建放大電路，保證設(shè)計的前置電路符號設(shè)計的要求。3．3補(bǔ)償電路的設(shè)計在本次設(shè)計中可以引入補(bǔ)償電路[3]。是為了能夠抵消人體信號源中的各種噪聲干擾，也包括工頻干擾。引入補(bǔ)償電路是通過在前級放大電路的反應(yīng)端與信號源地端建立共模負(fù)反應(yīng)，為提高反應(yīng)深度，將反應(yīng)信號放大后接人體信號源參考端，這樣能夠有效的抵消工頻干擾。運算放大器AD705J、R2、R3、C1共同組成補(bǔ)償電路，IO1連接人體信號源參考端。電路如圖3.4所示。圖3.4補(bǔ)償電路電路圖3．4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，可以采用的運算放大器為OP07，設(shè)計的電路圖如圖3.5所示。圖3.5低通濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計要求，,由公式〔3.3〕(3.3)可以計算出假設(shè)，那么。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因為公式〔3.4〕(3.4)可以計算得出。表3.3元器件參數(shù)組件名R1R2R3R4C1C2參數(shù)值10kΩ10kΩ10kΩ20kΩ318nF71nF通過計算，設(shè)計的低通濾波器滿足截止頻率為105Hz的設(shè)計要求。各元器件的參數(shù)值如表3.3所示。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，可以采用的運算放大器為OP07，設(shè)計的電路圖如圖3.6所示。圖3.6高通濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計要求，,由公式〔3.5〕(3.5)可以計算出假設(shè)，那么。由于采用巴特沃斯濾波器，可知。又因為公式〔3.6〕(3.6)可以計算得出。表3.4元器件參數(shù)組件名R1R2C1C2參數(shù)值450kΩ225kΩ27nF27nF通過計算，設(shè)計的高通濾波器滿足截止頻率為0.05Hz的設(shè)計要求。各元器件的參數(shù)值如表3.4所示。帶阻濾波器電路的設(shè)計為了濾除50Hz的工頻干擾信號，需要設(shè)計一個50Hz工頻的帶阻濾波器，盡可能的消除工頻干擾[3]。本設(shè)計可以采用有源帶阻濾波器，根據(jù)學(xué)過的濾波器知識，先確定帶阻濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定阻帶頻率為50Hz。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3.7所示。圖3.7帶阻濾波器電路圖根據(jù)設(shè)計要求，,由公式〔3.7〕〔3.7〕能夠計算出假設(shè)，那么。令參數(shù)值輸入到電路中發(fā)現(xiàn)，衰減3dB時的帶寬為43～57Hz,但衰減深度僅為7.43dB，需要調(diào)整器件參數(shù)值。經(jīng)屢次調(diào)整，最后選定能通過計算得出：〔3.8〕〔3.9〕為了調(diào)整深度，仿真調(diào)試后選用最正確K值為0.96，取R4、R6電阻初始值為5kΩ,故：〔3.10〕〔3.11〕表3.5元器件參數(shù)元器件R1R2R3R4R6C1C2C3參數(shù)值47kΩ47kΩ23.5kΩ200Ω4.98kΩ68nF68nF136nF通過計算，設(shè)計的帶阻濾波器滿足截止頻率為50Hz的設(shè)計要求。各元器件的參數(shù)值如表3.5所示。3．5主放大電路的設(shè)計人體輸出的心電信號大約是毫伏級別的，為了便于單片機(jī)采集，本設(shè)計需要將心電信號放大到伏特級別。在前置放大電路中，為了便于濾波，已經(jīng)將心電信號放大了8倍。理論上需要將心電信號放大1000倍。所以，本設(shè)計需要再設(shè)計一個主放大電路，繼續(xù)將信號放大125倍。在電路設(shè)計上，可以采用運算放大器OP07完成。為了增加輸入阻抗降低輸出阻抗，可以在主放大電路前加一個電壓跟隨器電路。主放大電路如圖3.8所示。圖3.8主放大電路圖從圖3.8可以看出，前一個運算放大器組成電壓跟隨器電路，后一個運算放大器組成反相放大電路，放大倍數(shù)由R1、R3、R23共同決定，此處增益為125。3．6同相加法器電路的設(shè)計經(jīng)過主放大電路的處理，已經(jīng)把心電信號放大到了伏特級別，但是，心電信號可能存在負(fù)電壓，不方便單片機(jī)和ADC0808的采集，需要設(shè)計一個加法器電路，把心電信號提升到0V以上，最后在程序編寫時再將檢測到的信號減去信號相加的直流電壓即可以得到實際的電壓值。加法器電路如圖3.9所示。圖3.9加法器電路圖同相加法器電路中，存在如下關(guān)系：(3.12)(3.13)(3.14)取，那么根據(jù)上式可以計算出其它元器件的值，如表3.6所示。表3.6元器件參數(shù)元器件R1R2R3R4R5R6R7參數(shù)值50kΩ50kΩ50kΩ50kΩ25kΩ1kΩ10kΩ3．7ADC0808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。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖3.10所示。圖3.10ADC0808管腳圖信號采集電路的設(shè)計把ADC0808的輸出口分別依次與單片機(jī)的P0口連接，3位地址輸入線都接地，選擇IN0路作為模擬輸入端，心電信號由此端輸入。給ADC0808芯片連接電源，時鐘信號。如圖3.11所示。該圖為心電信號的采集電路。圖3.11信號采集電路3．8顯示電路的設(shè)計單片機(jī)芯AT89C51最小系統(tǒng)電路AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)能夠滿足靈活性高且價廉的設(shè)計。對于AT89C51單片機(jī)而言，最下系統(tǒng)應(yīng)該包括單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。如圖3.13所示。圖3.13單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖鍵盤電路的設(shè)計為了能夠更好的觀察液晶顯示的心電信號波形，本設(shè)計需要對顯示波形的周期和幅度加以控制，使它能夠完整的顯示在液晶屏上，不會出現(xiàn)波形的失真。為此，需要設(shè)計一個鍵盤電路，控制波形顯示的周期和幅度。對此，通過定義單片機(jī)的P3.0為Y軸幅度的減少控制端口，P3.1為Y軸幅度的增加控制端口，P3.3為X軸幅度的減少控制端口，P3.7為X軸幅度的增加控制端口。通過程序的編寫，本設(shè)計可以使得每按下一次按鍵，就可以得到相應(yīng)的波形的改變，方便對心電信號的觀察。鍵盤電路圖如圖3.14所示。圖3.14鍵盤電路圖3.8.3顯示電路的設(shè)計12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，是業(yè)界約定俗成的簡稱。該點陣的屏顯本錢相對較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。其管腳圖如圖3.15所示。圖3.15液晶管腳圖12864內(nèi)部存儲器DDRAM與顯示屏上的顯示內(nèi)容具有一一對應(yīng)的關(guān)系，只需將顯示的內(nèi)容寫入到12864內(nèi)部顯示存儲器DDRAM中，就能實現(xiàn)正確顯示。12864液晶顯示屏橫向有128個點，縱向有64個點，分為左半屏和右半屏。在本次設(shè)計要求中，要求通過12864點陣圖形液晶顯示模塊顯示單片機(jī)處理后的心電圖形。12864點陣圖形液晶顯示模塊的各管腳的功能如表3.8所示。表3.812864點陣圖型液晶顯示模塊的引腳功能引腳符號功能11：選擇左邊64*46點21：選擇右邊64*46點3GND地4VCC+5V電源5V0顯示驅(qū)動電源0～5V6RS1：數(shù)據(jù)輸入，0：命令輸入7R/W1：數(shù)據(jù)讀取，0：命令寫入8E使能信號，負(fù)跳變有效9～16DB0～DB7數(shù)據(jù)信號17復(fù)位，低電平有效18-VoutLCD驅(qū)動負(fù)電源在本次設(shè)計中，既在液晶上顯示了漢字，也將實時顯示心電信號的波形。顯示電路電路圖如圖3.16所示。由單片機(jī)驅(qū)動顯示屏進(jìn)行顯示。其中，P1.0～P1.7為顯示屏數(shù)據(jù)端口D0～D7，P2.0～P2.4為顯示屏控制端口。圖3.16顯示電路4程序的設(shè)計4．1程序編譯環(huán)境該論文選擇的單片機(jī)是AT89C51，他的編譯環(huán)境就是51單片機(jī)下的編譯環(huán)境Keil2。首先創(chuàng)立一個工程文件，然后新建文件編寫程序，通過編譯生成hex文件。把生成的hex文件加載到Protues仿真軟件的單片機(jī)中就可以進(jìn)行相應(yīng)的仿真調(diào)試。4．2程序設(shè)計思想本次設(shè)計中，程序的主要功能是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，后經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，驅(qū)動12864LCD顯示信號的波形和相關(guān)信息。程序設(shè)計思想本次設(shè)計的電路實際上就是一個具有專用性質(zhì)的示波器，可以進(jìn)行波形的顯示以及顯示的周期和幅度的控制。第一須將輸入的心電信號經(jīng)ADC0808轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，且將轉(zhuǎn)換后的信號保存在一個數(shù)組中，再對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理得出波形的參數(shù)值，最后再驅(qū)動顯示器將數(shù)組中的電壓數(shù)值以波形的形式顯示到屏幕上，就這樣不停的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不停的一屏一屏的刷新顯示內(nèi)容，從而完成實時顯示功能。當(dāng)鍵盤電路有輸入時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，在顯示在屏幕上。程序設(shè)計的端口定義在程序編寫之前，首先需要對單片機(jī)初始化，定義其各個管腳的功能。如表4.1所示。表4.1程序的端口定義IN0模擬信號輸入端P3.0Y軸方向幅度減少P3.1Y軸方向幅度增加P3.3X軸方向周期減少P3.7X軸方向周期增加P1.0～P1.7顯示屏數(shù)據(jù)端口D0～D7P2.0～P2.4顯示屏控制端口程序設(shè)計流程圖在程序編寫之前首先確定確定程序編寫的流程圖。通過流程圖，可以很方便的編寫程序。把軟件程序分成幾個模塊，然后按模塊編寫對應(yīng)的程序。本次設(shè)計對應(yīng)的流程圖分別如圖4.1和圖4.2所示。在主流程圖中，首先對單片機(jī)初始化，定義單片機(jī)各個端口的功能，方便以后編程時直接使用。然后對ADC0808芯片初始化，定義輸入端口。然后對LCD初始化，在對定時器初始化，設(shè)置其參數(shù)，接著LCD清屏，方便顯示。然后單片機(jī)進(jìn)入延時，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測到液晶空閑時，輸出數(shù)據(jù)，通過液晶顯示在屏幕上。主流程流程圖如圖4.1所示。圖4.2為實時顯示流程圖。當(dāng)單片機(jī)檢測到賦值位為1時，啟動ADC0808,讓ADC0808進(jìn)行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后顯示在液晶屏幕上。通過鍵盤電路，可以控制實時顯示的波形。當(dāng)單片機(jī)檢測到X軸按鍵增加鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其周期變大，當(dāng)單片機(jī)檢測到X軸按鍵減少鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其周期變小，當(dāng)單片機(jī)檢測到Y(jié)軸按鍵增加鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其幅度變大，當(dāng)單片機(jī)檢測到Y(jié)軸按鍵減少鍵按下時，調(diào)整顯示圖形使其幅度變小，當(dāng)檢測到循環(huán)標(biāo)志位變?yōu)?時，停止采樣，停止輸出波形。開始開始端口初始化ADC初始化LCD初始化定時器1初始化LCD清屏延時實時掃描顯示圖4.1主程序流程圖X軸增加鍵按下？循環(huán)標(biāo)志賦值1X軸增加鍵按下？循環(huán)標(biāo)志賦值1循環(huán)標(biāo)志為1？AD實時采樣實時電壓顯示X軸減少鍵按下？Y軸增加鍵按下？Y軸減少鍵按下？調(diào)整周期調(diào)整周期調(diào)整幅度調(diào)整幅度YYYYYNNNNN返回循環(huán)標(biāo)志復(fù)位運行狀態(tài)標(biāo)志置位5仿真軟件的應(yīng)用與調(diào)試分析5．1Proteus仿真軟件該軟件的特點：〔a〕實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。〔b〕支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。〔c〕提供軟件調(diào)試功能。〔d〕具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。5．2前置放大電路調(diào)試與分析在對前置放大電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，幅度為-2～+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，將差分輸入端一端接地，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.1所示。從圖5.1可以看到，信道B為輸入信道，信道A為輸出信道。輸出通道的幅值為15.64mV，可以計算出放大倍數(shù)為：〔5.1〕通過計算，可以認(rèn)為仿真結(jié)果與設(shè)計要求根本符合，從圖5.1可以看出，前置放大電路的效果比擬理想，滿足設(shè)計要求。圖5.1前置放大電路輸入輸出波形5．3濾波電路調(diào)試與分析5.3.1低通濾波器調(diào)試與分析首先用波特儀來對低通濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。如圖5.2所示，通過波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時，截止頻率約為102.56Hz，根本滿足設(shè)計要求。圖5.2低通濾波器頻帶仿真在對低通濾波電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設(shè)置其幅度為-2～+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.3所示。可以看到，輸入幅度為-2～+2mV的方波信號時，輸出的波形在方波的開始端出現(xiàn)略微的失真，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道。總體來講，信號通過低通濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為信號通過該低通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計要求。圖5.3低通濾波電路輸入輸出波形仿真5.3.2高通濾波器調(diào)試與分析在對高通濾波電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設(shè)置其幅度為-2～+2mV，設(shè)定其頻率為10Hz，利用雙通道示波器觀察其輸入輸出波形。如圖5.4所示。可以看到，輸入幅度為-2～+2mV的方波信號時，輸出的波形比輸入的波形略有向上的移動，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道。總體來講，信號通過高通濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，本次設(shè)計可以認(rèn)為信號通過該高通濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計要求。圖5.4高通濾波電路輸入輸出波形仿真用波特儀對高通濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。如圖5.5所示，通過波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時，截止頻率約為0.065592Hz，根本滿足設(shè)計要求。圖5.5高通濾波器頻帶仿真5.3.3帶阻濾波器調(diào)試與分析在對帶阻濾波電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設(shè)置其幅度為-2～+2mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.6所示。可以看到，輸入幅度為-2～+2mV的方波信號時，輸出的波形在方波的上下出現(xiàn)略微的浮動，波動很小，其中，信道A為輸入信道，信道B為輸出信道。總體來講，信號通過帶阻濾波器后，可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生失真。波形的幅度也沒有發(fā)生較大的放大或減小，在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為信號通過該帶阻濾波器后，波形、幅度沒有發(fā)生變化，符合設(shè)計要求。圖5.6帶阻濾波電路輸入輸出波形仿真可以用波特儀對帶阻濾波器進(jìn)行通頻帶仿真。如圖5.7和圖5.8所示，通過波特儀可以看到，當(dāng)衰減為-3dB時，截止頻率分別為46Hz和54Hz，通過計算，可以得出帶阻寬。圖5.7帶阻濾波電路阻帶截止頻率圖5.8帶阻濾波電路阻帶截止頻率從圖5.9中，可以看出，當(dāng)頻率為50Hz左右時，電路衰減值最大，衰減深度約為19.18dB,根本符合設(shè)計要求。圖5.9衰減深度仿真至此，通過分析，可以認(rèn)為設(shè)計的帶阻濾波電路符合設(shè)計要求。5．4主放大電路調(diào)試與分析在對主放大電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，設(shè)置其幅度為-16～+16mV，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.10所示。可以看到，輸入幅度為-16～+16mV的方波信號時，輸出的波形為-2～+2V的方波信號，通過計算，可以得到：〔5.2〕可見主放大電路的設(shè)計與設(shè)計要求相符。前置放大電路實現(xiàn)了將信號放大8倍，主放大電路實現(xiàn)了將信號放大125倍，一共將信號放大了1000倍。圖5.10主放大電路輸入輸出波形5．5同相加法器電路調(diào)試與分析在對同相加法器電路進(jìn)行仿真時，可以將方波作為輸入信號，在信號發(fā)生器中設(shè)置其幅度為-2.5～+2.5V，設(shè)定頻率為10Hz，利用示波器觀察輸入輸出波形。如圖5.11所示。可以看到，信道A為輸入信道，當(dāng)輸入幅度為-2.5～+2.5V的方波信號時，輸出通道B輸出的波形為0～+5V的方波信號。可見，同相加法器的設(shè)計根本符合設(shè)計要求。圖5.11同相加法器電路輸入輸出波形5．6顯示電路調(diào)試與分析結(jié)合軟件，可以在PROTEUS軟件中仿真，得到心電信號的波形。由于條件有限，在本次設(shè)計中，并沒有采集真正的心電信號，可以采用PROTEUS軟件中的信號源作為輸入端，讓信號源分別輸出正弦波、方波、三角波和鋸齒波，通過ADC0808的采集經(jīng)過單片機(jī)處理和分析最后顯示在液晶屏上。圖5.12為在仿真時顯示的正弦信號。通過鍵盤電路，在仿真中可以看到信號的幅度和周期都可以相應(yīng)的增加和減少。按下X軸減少鍵后，顯示的波形如圖5.13所示，說明鍵盤電路的X軸控制是成功的，再按下X軸增加鍵，可以恢復(fù)到圖5.12所示波形。按下Y軸減少鍵，顯示的波形如圖5.14所示，再按下Y軸增加鍵，也可以恢復(fù)到圖5.12所示波形，說明鍵盤電路的Y軸控制也是成功可行的。通過選擇信號發(fā)生器上輸出的波形，可以輸出如圖5.15所示的三角波，如圖5.16所示的鋸齒波和如圖5.17所示的方波。至此有理由認(rèn)為，如果輸入的是心電信號，也可以再液晶屏上顯示出來。可見，本次設(shè)計的顯示電路是可行的，軟硬件的調(diào)試都可以通過，可以認(rèn)