基于AD620芯片的心跳速率检测

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  【摘要】本文首先给出了一种基于AD620芯片心跳速率检测的方案,介绍了组成系统的传感头、信号提取、滤波放大及微处理器等各个部分的电路设计。其次,根据该方案设计的心跳速率检测系统获得了良好的实验结果,表现出低成本、高性能的特性。最后,文章讨论了提高滤波放大及去除噪声的相关技术。

  1.前言

  心跳速率是反映人体健康状况的重要指标,所谓心跳速率通常是指一分钟内心脏搏动的次数。心跳速率的检测可以为临床诊断、病人的护理、运动员训练等工作提供科学依据。近年来,国内外研制生产的许多医疗设备及健身器材都用到心跳速率检测电路,研发低成本、高性能的心跳速率检测电路具有重要的应用价值。

  本文报道了一种基于AD620芯片的心跳速率检测系统。利用AD620芯片良好的低噪声特性,加上合理的滤波及放大电路,结合微处理器处理,我们得到一个高精度的心跳速率检测系统。

  2.电路设计

  2.1原理框图

  人体皮肤表面含有人的心电信号、肌电以及工频信号等,一般情况下包含心跳速率信息的心电信号要远小于工频信号等噪声。为了提取微弱的心电信号,必须采用低噪声的运放并设计合理的滤波放大电路。

  图1是心跳速率检测系统的原理框图。整个心跳速率检测系统包括四个部分:与人体皮肤表面接触的传感头,信号提取电路,滤波放大电路及微处理器电路。传感头一般为容易导电的金属,与人体皮肤表面接触后具有人的心电信号、肌电信号以及工频信号等复杂的电信号。我们采用低噪声的AD620运放作为心跳速率提取电路的核心芯片。在滤波放大电路部分,采用了简单的低通滤波电路,实验结果表明这种滤波电路足够提取心跳速率信号。滤波放大后的信号,用可调的比较器结合三极管电路整形成5伏特的TTL电平信号,最后接到微处理器上,由微机处理心跳信号,计算出心跳速率并显示出来。

 基于AD620芯片的心跳速率检测

  图1心跳速率检测原理框图

  2.2基于AD620的信号提取电路

  AD620运放,通常用于高精度的测试仪器中,40ppm的最大非线性误差,最大50uV电压偏移,最大温漂0.6uV/℃,因其低噪声、低偏流、低功耗的特性在心电图(ECG)、血压监视等医学领域得到广泛应用。

  图2是基于AD620的信号提取电路,其中LEFT_ARM、RIGHT_ARM、LEG三引线接铝片(即传感头)分别接到人体的左右手和右脚,我们的实验研究结果表明,LEFT_ARM、的增益,在我们的实验中R4为1K,相应的AD620运放增益为50。增益太大会削弱最后的信噪比,在实验中要合理的设置R4阻值。LEFT_ARM、RIGHT_ARM引线间接0.1uF的电容是为有效的削弱工频噪声。LEG引线通过TL082A接到AD620,是为LEFT_ARM、RIGHT_ARM的差动信号提供人体的参考电位。

  基于AD620芯片的心跳速率检测

  图2基于AD620的信号提取电路

  2.3滤波放大电路

  图3是滤波放大电路。三个运放构成三级放大,各放大100倍,由于电路损耗特别是隔离电容的损耗,实际信号放大倍数小于100万倍。电路中的R6及R5、R9及R8、R11及R10的阻值之比决定放大倍数,在实际应用中要合理的调节这些阻值。在放大信号的同时要采用低通滤波电路,达到滤除工频噪声的效果。由于工频噪声的频率为50Hz,设计的滤波电路的通频带宽要小于50Hz,即其中电容电阻的RC时间常数要和工频信号周期同一量级,电路中R7、C10组成低通滤波。在各级放大间我们采用1uF的电容隔离,这些电容同时会衰减信号,而三个运放是选择信号放大,因此信噪比得到提高。需要指出的是,隔离电容太大的话,容易引起输出电信号漂移。

  基于AD620芯片的心跳速率检测
图 3 滤波放大电路

  图4是整形电路。2ND_OUT引线的心跳速率信号及信噪比足够大(心跳速率的脉冲1~5V),经过D1的半波整形,然后经过可调比较器,最后经三极管Q1转化为单片机电平。

 基于AD620芯片的心跳速率检测

  图4整形电路

  2.4微处理器电路

  最后信号由AT89C51来处理,并用LED数码管显示心跳速率,以AT89C51为核心的微处理器电路非常成熟,这里不再赘述。

  3.实验结果及讨论

  图5给出了应用上述系统对人的心跳速率进行实际测量的结果。其中图5(a)是信号2ND_OUT经过D1整形后的电压信号,从图中可以看出,这实际上是一个完整的心电信号。在一个周期的信号中,有两个比较明显的脉冲信号,这个脉冲特性因人而异,通过实测不同人的心电信号发现其中至少有一个脉冲信号。图5(b)给出了HEART_PULSE的电信号,它是由图5(a)信号经过比较器及三极管开关后得到的。该信号可以直接输入微处理器的端口,由微处理器计算并输出心跳速率。

  基于AD620芯片的心跳速率检测

  图5心跳速率信号图

  在开发上述心跳速率检测系统的时候,有几个关键的地方要特别注意:
        1)LEFT_ARM、RIGHT_ARM接电容可以大大提高信噪比;在LEFT_ARM、RIGHT_ARM上的心跳速率信号主要能量在1Hz左右的频率上,而电容是低通滤波器,能够起到滤波和抑制噪声的作用;选择大电容消除掉高频噪声,在实验中采用了10uF的无极性电容,效果很好;

  2)低通滤波电路有效削弱工频信号,提高信噪比;采用有源滤波和无源滤波相结合的方法,边放大边滤波,相比于放大后滤波有更好的效果;

  3)电容隔离衰减和多级放大有利于提高信噪比;主要噪声是50Hz的工频信号,多级放大和滤波尽管增加了热噪声,但是对工频噪声抑制很大,当然放大级数不能无限多,最佳的级数是工频噪声和热噪声之和最小。

  4)抑制直流信号漂移应该选用小电容隔离,这是实验结果表明的,其原因有待进一步研究。

  4.结论

  本文设计并演示一种AD620芯片的心跳速率检测系统,详细介绍了系统各个部分的电路设计,给出了提高系统性能的方法。实验表明该系统获得较好的心电信号和准确的心跳速率。本文的心跳速率检测系统抗干扰能力强,结构简单,成本低廉。

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