心电监护仪设计实验报告

心电监护仪的设计实验报告

一、设计任务与要求

1、设计一个标准导联的心电信号采集、处理和显示系统。

2、能记忆当前时刻前若干秒的数据，由设计者确定参数。

3、数据回放功能。

4、软件数字滤波，计算瞬时心率，并在LED数码管上显示出来。

5、报警参数设计，通过软件实现当心率输入大于某个固定值时，报警装置工作。

二、总体方案论证

采集到的心电信号有如下特点：信号弱、信噪比低、信号源阻抗大、电磁干扰大、信号频率低等特点，然后经过放大滤波电路，放大滤波电路由前置放大电路、后级放大电路、滤波及功率放大电路组成，此时得到的是放大的模拟信号，需要转换成数字信号，因此要再经过A/D转换，得到数字信号，再经单片机系统处理，最终在LED液晶屏上显示。总体方案设计流程如图所示

三、硬件电路设计

（1）前置放大电路

前置放大电路是心电信号采集的关键环节，由于人体心电信号十分微弱，噪声强且信号源阻抗较大，加之电极引入的极化电压差值较大，因此，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。为达到心电放大器的上述技术要求，本设计选用了AD公司的仪表放大器AD620作为前置放大器的核心器件，并且采用了差动输入的方式。同时考虑到心电信号中混杂着比其幅度大得多的直流信号，太大的前置放大器增益会影响电路的直流稳定性，为了保证前置放大器不工作在截

止区或饱和区，因此设计的第一级放大倍数为10倍，如下图所示

（2））右腿驱动电路抗干扰

电路的共模抑制比主要由心电前置放大器决定，而AD620的140dB（G＝10）的共模抑制比符合我们的设计要求。为了进一步提高前置放大器的共模抑制比同时抑制50HZ工频干扰，设计了由ＴＬ０８４以及Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５和Ｃ１构成激励系统电路。人体的共模电压被两个阻值相等的电阻Ｒ２、Ｒ３检测出，经过ＴＬ０８４将其倒相、放大并反馈到人体上。这是个负反馈，其使共模电压降低。人体的位移电流不流到地，而是流到运放输出电路。就心电放大器来说，这样就减小了共模电压的拾取，并且有效地使病人接地。

(3) 高通滤波电路

由于电极极化电压的不平衡、前置放大器的失调漂移以及人体动作等因素，前置放大器输出的心电信号中除了夹杂不少工频干扰外，还有很大的直流或低频分

量，这不仅会引起心电信号的基线漂移，也不利于后续电路的处理，因此设计了一个二阶巴特沃斯高通滤波器来滤除这些直流和低频分量，如下图所示。由于心电信号频率下限为0.05Hz，为了不损失其低频分量，高通滤波器的截止频率设定为0.05Hz。具体参数设计为：fc＝０．０５Ｈｚ，AV ＝１，C2 ＝C3 ＝20uＦ，R14 ＝112.5ＫΩ，R6 ＝225.1ＫΩ。

(3)50Hz陷波器设计

50Hz工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模千扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。为了去除人体或测试系统中产生的工频干扰，需用带阻滤波器加以抑制。本电路采用的是二阶巴特沃斯带阻滤波器，其电路如下图所示。具体参数设计为：fc＝50Ｈｚ，C1 ＝C2 ＝1uF，C5=C6 ＝２μＦ，R7 ＝0.318ＫΩ，Ｒ8 ＝31.83ＫΩ，R9 ＝0.316ＫΩ。

(4) 主放大器设计

心电信号的幅度一般在１ｍＶ左右，而Ａ／Ｄ转换器的输入范围为０～５Ｖ，所

以在５０Ｈｚ陷波之后采用了一级同相比例放大电路来提高增益，其电路如图５所示。图中主放大器的增益为１０１倍，又前置放大有１０倍的放大，所以最终放大倍数约为１０００倍，满足１ｍＶ信号到１Ｖ的转换要求。下图为主放大原理图

（5）低通滤波器设计

经放大后的心电信号中除了混有较高频率的肌电干扰外还有开关电容滤波带来的开关噪声。为了得到较好的输出信号，在主放大级后设计一个低通滤波器。由前面可知，心电信号的大部分有用信息在0.05Hz～10Hz之间，所以截止频率取fc＝100Hz。理想低通滤波器的巴特沃思近似是根据假定：零频处的响应平坦度比其它频率处的更重要。其归一化传递函数是全极点型的，它的全部根都在单位圆上，在１频率处的衰减为３ｄＢ。根据巴特沃思二阶低通滤波的特点，设计的低通滤波电路如图所示。具体参数设计为fc=100Hz,C7=0.1Mｆ，AV＝１，C8＝0.033uF，R14＝14.22ＫΩ，R13＝53.99KΩ。

(6) +5V电源电路

对于电源来说，由于单片机和其他许多集成芯片都需要5V供电，而我们常用的是220V的市电，所以我们要将220V的市电转换为5V。下图次设计采用的+5v 电源电路

（7）AD转换

A/D转换器的种类繁多，性能各异，只要满足设计要求都可以选。本次设计我们采用了AD1674。AD1674是美国AD公司推出的完整的12位并行模数转换电路，有集成度高，性能良好的优点，因而降低成本，提高系统可靠性。下图本设计连接的AD1674。

（8）单片机最小系统及拓展存储器

对于单片机的选择没有特别的要求，我们采用了8031单片机的最小系统。如下图

（9）LCD液晶屏

考虑到本设计的要求，我们选用LCD12864带中文字库的LCD12864 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4 行16×16 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。如下图所示

（10）键盘

在组成人机通道时用了可编程键盘、显示接口芯片8279。8279是一种通用的可编程的键盘/显示器接口器件，可对64个开关组成的键盘矩阵进行自动扫描，接收键盘上的输入信息，并在有键输入时向单片机请求中断，还能对8位或16位LED自动扫描，使显示缓冲器的内容在LED上显示出来。利用8279对键盘/显示器的自动扫描，可以减轻CPU负担，具有显示稳定、程序简单、不会出现误动作等特点。

四、PCB的设计

能力有限，尚未完成。