1、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
2、平抬升 .83.2 A/D 转换的实现 .93.3 无线发送与接收以及 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 .21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
3、 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1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
4、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，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
5、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 Internet 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
6、，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。2013 届 电子科学与技术专业毕业论文21.3 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
7、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 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。
8、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。巫锡
9、鸿：基于 PC 机的心电监控设计32.2 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
10、，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。2013 届 电子科学与技术专业毕业论文4（2） 因为心电信号源具
11、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。（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
12、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；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，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。A
13、D620 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 图 3 AD620 引脚图图 2 5 导联实物图巫锡鸿：基于 PC 机的心电监控设计5110000 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（可忽略） 。前置放大电路图如下。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
14、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
15、） 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。由下式图 4 前端心电采集电路图2013 届 电子科学与技术专业毕业论文6和 RCf210jwRCjA1又有 ，代入 中，可知滤波电w0路的特征频率大小由 决定。即当 =0 时0=0，电路的增益为零；当 W= 时，jA=1/2，电路达到截止频率；当 时， =1，电路没有衰减。故要使高ww0jwA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 5.1200fHzf08.20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。可由式子 和 wjwA00212wjw012arctn2图 5 高通滤波电路图 6 低通滤波电路
