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1、巫锡鸿：基于PC机的心电监控设计毕业设计(论文)题 目： 基于PC机的心电监控设计 目录题 目： 基于PC机的心电监控设计1目录2基于PC机的心电监控设计3第一章 绪论11.1 远程心电监护的意义11.2历史背景及国内外研究现状11.3具体要解决的关键问题2第二章 心电信号的特点及设计系统的整体构架22.1 心电信号的特点22.2 系统的整体设计3第三章 硬件和软件部分设计43.1心电信号处理放大模块设计43.1.1放大电路的要求43.1.2前端信号采集的设计43.1.3 前置放大部分53.1.4信号滤波处理63.1.5 后级放大部分及电平抬升83.2 A/D转换的实现93.3无线发送与接收以
2、及PC接收信号103.3.1 无线传输模块103.3.2 射频模块的简介11第四章 心电信号的显示14第五章 硬件测试和软件的调试155.1 硬件测试155.2软件调试15第六章 全文总结17参考文献18致谢18摘要19承诺书和授权书20附录211基于PC机的心电监控设计 巫锡鸿三明学院 2009级 电子科学与技术专业 福建三明 365401摘要 本设计是集信号采集、信号处理、传输和显示于一体的。采集部分用心电5导联的方式来采集心电信号。信号处理部分，根据大多数的ECG的设计要求，运用信号放大、滤波、抗干扰等一系列的处理电路来处理信号。传输部分选用51系列的单片机作为主MCU来控制A/D转换和
3、无线传输。再将A/D转换后的信号运用无线传输给PC机。最后运用matlab软件编辑程序及窗口界面显示出心电信号的图形。文中对每个电路的设计都有详细的依据，能够让人理解起来简明易懂。关键字 心电 信号放大 滤波 ADC器件 无线 matlab巫锡鸿：基于PC机的心电监控设计第一章 绪论1.1 远程心电监护的意义时代的发展带来了人们生活水平的提高，同时导致心血管类疾病的病发数量的增加。根据从约1 / 3的心脏病死亡人口统计，在中国心血管病死亡人数约为44%。可见医疗保健的重要地位。它具有隐蔽性的特点，疾病和高风险，发展缓慢。在科技发达的今天，心电监测市场的主流设备：实时心电监测系统，心电图和血压，
4、心电图，但问题是最大限度地应用和推广的范围。由于很难发现一些突发的心电异常波形，实时心电监控是必须的。病患需要长期、连续的观察心电参数，来捕捉那些短暂的突发异常，而往往这些异常都是问题的关键。11基于上述问题，一种便携的、可移动的心电监护设备的问世，已经成为当前医疗市场发展的一种需求。1.2历史背景及国内外研究现状 在上世纪三四十年代，美国的理学博士Norman J.Ho1ter成功研制出了遥测心电图装置。 一种集收发于一体的心电监护系统于60年代问世，这成为检测心律失常、心肌缺血的一种 有效的诊断方法。这一系统成为家庭心电监护系统的重要基础，推动了心脏病的早期诊断和治疗。9基于Interne
5、t的远程心电监控：在病人的家庭心电信号的采集，然后采集信号传输到医疗中心通过互联网，医护人员根据接收到的数据进行适当的诊断。因特网有PSTN、以太网、ISDN、MODEM拨号等不同的接入方式，也就有不同的设计方案。运用这个技术把病房和家庭连接起来，数据互通，使医务人员能够及时分析数据而做出诊断和及时治疗。无线心电监控：即数据通讯是用无线通信技术来实现的，具有体积小、可实时监控携带方便等特点。有GSM，GPRS，蓝牙和其他无线移动通信技术等。大多是利用无线射频收发芯片来进行心电无线遥测的。例如一种心电无线遥测是由射频无线收发模和单片机为核心组成的；利用ADuC8121主控芯片和nRF401无线收
6、发模块设计的无线心电信号收发系统等。收发间距问题认为，一般的设定范围是10米 100米，它是适用于数据传输范围小，具有组网灵活，没有电缆，传输的声音。1.3具体要解决的关键问题硬件的设计利用目前较先进的芯片，制造、设计出一种体积小、用电省、便于携带、放大性能好、干扰小、信号真实、数据丢失少、成本低廉的用户端。心电信号的传输处理心电信号到相应的状态，掌握心电信号A/D转换的条件。选择较适当的数据传输方式，同时要保证传输时信号的真实性。PC机上的显示界面设计能够正确的显示出采集到的心电信号。要求界面友好、简单易懂，用户一眼便能够明了其用法和操作方式。第二章 心电信号的特点及设计系统的整体构架2.1
7、 心电信号的特点心电信号是心脏的周期性的电活动。在每个周期中，皮表产生电位变化急剧，在不同的部位形成一次有规律的电位变化。心电图就是把不同时期的电信号采集并经过放大、滤波等处理后，实时显示而来的。心电信号具有的特点如下：（1） 心电信号是微弱信号，幅度小到毫伏级别，一般大小范围为0.055mv。只有将其放大1000倍以上才能很好的显示出来。由于信噪比低，心电信号的放大将是一个难题。（2） 人体的表面皮肤的阻抗约为100K欧姆，即信号源阻抗大，由人体表面采集心电信号时，要使信号放大后失真小、误差小到忽略不计，则放大器的输入阻抗必须很高。（3） 人体周围存在极大的电磁干扰。这些干扰信号都比心电信号
8、强，采集时候容易遮盖了想要的信号。因此，在信号主放大电路前，要把这些干扰滤除，才能保证采集到理想的心电信号。（4） 人体电信号频率主要集中在0.05100Hz。根据美国美国心电图信号能量的确定标准，最集中的是在0.05 40Hz。大概90%的ECG频谱选在0.2535Hz之间。故在采集信号时候要选择好正确的信号频率段。2.2 系统的整体设计本设计主要分为信号采集、信号处理、远程通信、软件显示四部分。采集心电信号部分采用5导联的方式，把5个电极片贴到相应的位置上，来采集表皮的电信号。采集信号通过前置放大电路，然后就是高通滤波器、低通滤波器和50Hz陷波电路滤除干扰信号。再利用二级放大电路把滤波后
9、的信号放大，保证心电信号能够放大到足够大。用A/D转换把放大后的模拟信号转换成数字信号。转换后的信号采用nRF905无线模块传输到PC机，PC机通过串口接收数据，并利用软件数据显示心电图。框图如下所示。 图 1 系统整体设计框图本设计系统的可扩展性： 对象的集合，除了心电图，脑电图，还可以有脉冲，温度，血压，呼吸，血氧饱和度等。越多的采集信号,越能全面反映患者的生理状况，诊断治疗的效果就越好。因此本设计可以增加些功能，如心电信号记录、分析以及报警功能等。第三章 硬件和软件部分设计3.1心电信号处理放大模块设计3.1.1放大电路的要求根据心电的特点，为了采集到理想的心电信号，放大电路必须具有以下
10、基本要求。（1） 介于心电信号幅度在毫伏级且最高不高于5mV，所以要能够AD转换，必须对其放大，且放大器的总倍数应该在1000倍以上。故要保证电路有高增益。增益既是放大器的放大倍数。（2） 因为心电信号源具有很强的阻抗，一般在100K以上。使放大器的总输入阻抗大于1M，才能忽略不计信号源内阻上的电压降。这样在信号源内阻上消耗的功率就可以忽略。所以设计的电路要具有很高输入阻抗。（3） 因为心电信号都是差模信号，而大部分的干扰信号都是共模信号，为了抑制人体所带的各种干扰，放大器必须选用高共模抑制比的。一般选用为80100的放大器，也就是高共模抑制比。（4） 低输入失调电压。（5） 低输入失调电流。
11、（6） 低温漂。3.1.2前端信号采集的设计心电是由心脏内部的电势连续变化而产生的，在人体的适当部位贴上电极，再把这些变化的电势整合、处理在一起就可以形成心电波形。心电导联的方式有很多种，本设计中我采用的是单极肢体5导联，不同的导联方式得到的波形会有所不同。效果最好的位置如下： 黑线（LA) ：黏在第2肋骨与左锁骨中线的交点；图 2 5导联实物图白线（RA）：黏在右锁骨中线与第2肋间之交点； 红线（LL）：黏在左下腹部位； 绿线（RL）：黏在右下腹部位； 棕线（V）： 黏在胸骨右缘第4肋之间(当然可以贴别的类似部位)。 如果保证白色电极（RA）和红色电极（LL）对角按放，就可以获得最佳呼吸波，
12、也就可以减少心脏搏动和脉动产生的伪差，这需避免把肝区和心室置于呼吸电极的连线上。3.1.3 前置放大部分仪表放大器AD620具有高共模抑制比、精度高等。事实上，该芯片也是专门为便携式生理放大器而设计的。图 3 AD620引脚图AD620是一款价格低廉、性能优良的仪表放大器。芯片的引脚如下图所示。其增益相当高，且可以根据1、8脚所接的电阻来改变，取值范围为 110000倍。有如下关系式：G= 1+49.4 k / Rg 或 Rg=49.4k/(G-1)其共模抑制比也非常高，一般在100dB。由此可知，如果是0.01mV的信号源输入，差模信号部分就可以放大至1V。而共模信号部分却依旧为0.01Mv
13、（可忽略）。前置放大电路图如下。图 4 前端心电采集电路图 图中1和8脚接的是增益反馈电阻，即放大器放大倍数的判定电阻。把+2.5V看做参考地，因此，7和4脚就相对成了+2.5V和-2.5V了，这电路就是双电源供电电路了。放大器采用双电源供电，才能保证双极性的心电信号的负半周信号不被削波。经过考虑决定设计的前端放大增益定为50倍，即增益电阻为1K。图中选择的放大器是TLC2274。这款运算放大器除了性能优良、价格低廉外，还有一个突出的优点，也是本设计需要的，就是其具有“轨道轨”的特性。既电压，即使在电源电压的上限和下限，该放大器不饱和和倒装。3.1.4信号滤波处理 尽管AD620部分的放大电路
14、具有很好的共模抑制比，但是人体及周围环境等因素，对采集到信号电路有很大干扰，所以采集信号时还应该添加一些滤波电路。（1） 高通滤波部分根据心电信号的频率成分都大于0.05Hz，这里添加一个高通滤波电路滤除低频干扰。如图所示，电路中由C1和R5组成的高通滤波器。其作用有两个：1.除去直流信号，将被放大的交流信号部分保留下来；2.由C1和R5组成高通滤波网络，其时间常数是2s，使放大器的下限频率为0.08Hz。由下式 和 图 5 高通滤波电路又有，代入中，可知滤波电路的特征频率大小由决定。即当=0时=0，电路的增益为零；当W=时，=1/2，电路达到截止频率；当时，=1，电路没有衰减。故要使高通滤波器工作，设计中取C为1uF。R取值为2M，由此可计算出特征角频率为： 或 由此可知信号经过这个电路后的带宽为0.08Hz 。（2）低通滤波部分心电信号的频率成分为0.05100Hz，所以除了高通滤波电路限制最低频率的下限，还需要一个低通滤波电路来限制上限频率。滤除高频成分的干扰。本设计采用的是二阶低通有源滤波器。如下图所示。图 6 低通滤波电路可由式子 和 来计算上限频率。判定方式和高通滤波电路的类似，这里就不多说。电路中取C为0.01uF，R为150K，计算出的特征角频率为：
