智能医疗健康监测系统电路设计—电路图天天读（294）

　　目前， 国内各大医疗器械厂和科研单位都在心电监测系统的开发上投入了大量的资源，并且都开发了各具特点的心电监测系统产品。电子医疗技术的突飞猛进以及临床医学的相互促进，已经出现了各种各样的心电监测产品，常见的有床边心电监测、动态心电监测、电话心电监测和天线心电监测等。

　　对于心电信号的采集，采用标准导联方式进行采集。心电信号是一种微弱的电信号，要先利用前置放大电路将信号放大 8 倍。由于人体信号源中存在各种噪声干扰，为了抵消这些干扰，可以设计一个补偿电路。对于放大以后的信号，让它通过滤波电路进行滤波。 心电信号中存在 0.05Hz 以下的频率信号、 105Hz 以上的频率信号和 50Hz的工频干扰信号，需要让心电信号依次通过低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器，经过滤波电路以后的信号变的比较干净。然后为将心电信号放大到伏特级别，让其通过一个主放大电路。同时，为了便于单片机和ADC0808 的信号采集和处理，可以让心电信号通过一个加法器电路，将波形提升到 0V 以上。然后通过显示电路让经过单片机处理的信号显示在液晶屏上。整个系统的结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

　　硬件电路设计

　　心电信号采集电路的设计

　　临床上心电信号主要从体表收集， 检测时将测量电极安放在体表相隔一定距离的两点，电极通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与心电监护仪的放大器相连，测量出电极在体表的电位差就是心电信号，描成曲线就是心电图。在测定心电信号波形时，电极安放的位置以及导线与放大器连接的方式，称为心电仪的“导联”。

　　标准导联直接把两个肢体的电位加到心电放大器的输入端， 所描述的波形即为两点电位差的变化。

　　标准Ⅰ导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-） ，左臂（LA）接放大器同相输入端（+） ，右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。

　　标准Ⅱ导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-） ，左腿（LL）接放大器同相输入端（+） ，右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。

　　标准Ⅲ导联：左臂（LA）接放大器反相输入端（-） ，左腿（LL）接放大器同相输入端（+） ，右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。本课题采用标准Ⅰ导联方式，右腿（RL）的参考电极连接补偿电路。

图2 信号采集电路输入端示意图

　　在本次的设计中，采用标准Ⅰ导联方式，即如图2所示，IO1 端作为参考电极接右腿，IO2 端接左臂，IO3 端接右臂。

　　前置放大电路的设计

　　本设计中的前置放大电路采用集成仪表放大器 AD620。因为本次设计所要处理的电信号比较微弱， 而且对其波形质量要求较高， 要求具有高输入阻抗， 高共模抑制比，低噪声和低漂移。 所以在本次设计中可以选用集成仪表放大器 AD620 来进行前置放大电路的设计。

　　AD620 芯片简介

　　AD620 内部由三个放大器共同组成，其引脚图如图 3 所示。在使用中，芯片 1、8 脚接 Rx，4、7 脚接正负相等的工作电压，2、3 接输入的弱电压信号，6 脚为输出引脚，5 脚为参考基准。

图3    AD620管脚图

　　本设计可以通过调整 Rx 的大小来调整 AD620 的增益值， 其增益可以通过公式1进行计算。

                                                                                                     

　　AD620 增益范围是 1～1000。它具有低耗电，精确度高，低噪声，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，具有较高的共模抑制比，调节方便等特点。该芯片可提供的最大电流为 1.3mA 的电流。适用于 ECG 测量、医疗器件、压力测量、信号采集等场合。

　　前置放大电路设计

　　如图 3.3 所示，差分输入端 IO2、IO3 分别接标准Ⅰ导联的正负输入端，R1、R4 、R5 共同决定放大电路的放大倍数。

　　在整体的电路工作中，因为心电信号比较微弱，所以要求放大 1000 倍左右。但是，根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理， 在本次设计中， 可以要求前级电路放大 8 倍以便于后面对心电信号进行处理。

图4  前置放大电路

　　滤波电路的设计

　　低通滤波器电路的设计

　　为了滤除 105Hz 以上的干扰信号， 需要设计一个截止频率为 105Hz 的低通滤波器。本设计可以采用有源低通滤波器，根据学过的滤波器知识，先确定低通滤波器的大致形式，然后通过计算确定滤波器选用的电阻、电容值，确定截止频率为 105Hz。在这次设计中，可以采用的运算放大器为 OP07，设计的电路图如图5所示。

图5  低通滤波器电路图

　　高通滤波器电路的设计

　　为了滤除 0.05Hz 以下的干扰信号， 需要设计一个截止频率为 0.05Hz 的高通滤波器。本设计可以采用有源高通滤波器，根据学过的滤波器知识，先确定高通滤波器的大致形式，然后通过计算确定滤波器选用的电阻、电容值，确定截止频率为 0.05Hz。在这次设计中，可以采用的运算放大器为 OP07，设计的电路图如图6所示。

图6  高通滤波器电路图

　　ADC0808 转换电路的设计

　　ADC0808 芯片简介

　　ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、 以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。一般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D 转换。ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，其管脚图如图7所示。

图7  ADC0808管脚图

　　ADC0808 各引脚功能如下：

　　1～5 和 26～28（IN0～IN7）：8 路模拟量输入端。

　　8、14、15 和 17～21：8 位数字量输出端。

　　22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　6（START）： A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换）。

　　7（EOC）： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输

　　入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　10（CLK）：时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于 640KHZ。

　　12（VREF（+））和 16（VREF（-））：参考电压输入端。

　　11（Vcc）：主电源输入端。

　　13（GND）：地。

　　23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。

　　显示电路的设计

　　单片机芯片 AT89C51 简介

　　AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（ FPEROM — Flash Programmable andErasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其管脚图如图8所示。

图8  AT89C51管脚图

　　各引脚功能如下：

　　VCC：供电电压。

　　GND：接地。

　　P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0口的管脚第一次写 1 时， 被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。

　　P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

　　P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低， 将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　编辑点评：本文简单介绍了智能医疗健康监测系统心电信号的采集电路设计，心电信号是一种微弱的电信号，要先利用前置放大电路将信号放大8倍。由于人体信号源中存在各种噪声干扰，为了抵消这些干扰，可以设计一个补偿电路。对于放大以后的信号，让它通过滤波电路进行滤波。
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