毕业设计心电检测仪

1、长春工业大学学士论文摘要本课题主要设计一个基于 Atmega16的家用心电监测仪的研究设计。根据人体心电信号的特征，设计心电信号采集系统，完成实时心电监测的功能。本系统通过硬件电路实现了对心电信号实时的采集和处理，并将模拟的心电信号转换成数字信号送入主控单元，从而实现了心电信息的实时显示、存储、打印、报警等功能。本设计选用具有低功耗的 16 位单片机 Atmega16作为中央处理系统，通过心电传感器，从人体连续取得心电信号，经过专门的信号处理电路进行处理后送入中央处理系统，中央处理系统通过分析、处理，检测出病人的心电信号，并与正常的心电信号比较，对采集的心电信号进行实时分析、检测及记录，并选取

2、大容量 Flash 存储器对采集处理后的心电信号进行存储。同时，监测仪带有液晶显示器，能实时显示所检测的心电信号。当病人出现紧急的心电症状时，其特有的报警功能可以及时的发出报警，便于及时的对病人进行救治。该系统还可以打印出心电波形供医务人员分析病情时参考，及时准确的采取治疗措施，制定治疗方案。该监测仪能长期、连续、可靠、稳定的工作，同时还具有体积小、存储容量大、功耗低、实时显示等特点，便于随身携带，使用方便，操作简单。关键词心电监测心电监测仪心电传感器信号处理电路I长春工业大学学士论文Title: The design of household ECG monitorAbstractThe t

3、opics mainly based Atmega16 household ECG monitor research and design.According to the characteristics of the human ECG, design ECG acquisition system,in real-timeECG monitoring function.This system has realized through the hardware circuit to heart signal real-time gathering and processing, and wil

4、l simulate the heart signal transforms the digital signal to send in the master control unit, thus has realized the function of heart informations real time display, memory, printing, alarming, etc.This design uses a low-power 16-bit microcontroller Atmega16 as the central processing system, through

5、 ECG sensor, from the human body to obtain a continuous ECG signal, by a dedicated signal processing circuit after being fed into the central processing system, the central system analysis, processing to detect the patients ECG signal, by comparison with a normal ECG, to achieve real-time detection,

6、 analysis, selected records,select a high-capacity Flash memory to store the acquisition of the ECG. At the same time, the monitors with a LCD monitor, be able to real-time display ECG signal. When a patient have a emergencyECG symptoms, its unique alarm function can trigger a timely warning and tre

7、atment of patients timely. The system can also print out ECG waveform to provide reference for medical personnel, and timely and accurate implementation of therapeutic measures to establish treatment programs. Not only that ,the key of system design make operation simple and faster.The monitor can l

8、ong-term, continuous,reliable, stable job, and has a small size, large storage capacity, low power consumption, real-time display and other features, easy to carry, easy to use, easy to operate.Keywords ECG monitoring ECG monitorECG sensor Signal processing circuitII长春工业大学学士论文目录摘要.IAbstract.II第一章 绪论

9、 .11.1本课题提出的意义和目的 .11.1.1 本课题提出的意义 .11.1.2本课题提出的目的 .21.2心电监测仪的国内外发展现状 .31.3人体心电信号的特点 .51.4本课题的设计要求及研究内容 .51.4.1 本课题的设计要求 .51.4.2 本课题的研究内容 .6第二章 整体方案设计 .72.1系统整体方案的确定 .72.2各模块方案的确定 .7第三章 硬件电路的设计 .103.1中央处理系统的设计 .103.2信号采集电路的设计 .123.2.1心电传感器的设计 .123.2.2右腿驱动电路的设计 .133.3前置放大电路的设计 .143.3.1前置放大电路的要求 .143.

10、3.2前置放大器的设计 .153.4高通滤波电路的设计 .173.5低通滤波电路的设计 .183.650Hz陷波电路的设计 .193.7后置放大电路的设计 .213.8A/D 转换电路的设计 .223.9打印电路的设计 .253.10 存储器的设计 .273.11 显示电路的设计 .283.12 键盘电路的设计 .293.12.1按键开关的抖动问题 .303.12.2键盘与单片机的连接 .303.13 报警电路的设计 .323.14 稳压电源电路的设计 .323.14.1稳压电源的组成 .323.14.2电源电路的设计 .33第四章 软件设计 .354.1软件设计的要点 .35III长春工业大

11、学学士论文4.1.1相邻两个心电波间隔时间的取得 .354.1.2瞬时心率值的存储方式 .354.1.3心率值的显示方式 .354.1.4报警的处理方法 .354.1.5打印的波形和数据 .364.2 系统部分程序设计 .364.2.1主程序的设计 .364.2.2数据采集子程序的设计 .374.2.3数据显示子程序的设计 .384.2.4打印子程序的设计 .394.2.5存储子程序的设计 .40结论 .42致谢 .43参考文献 .44IV长春工业大学学士论文第一章 绪论1.1 本课题提出的意义和目1.1.1 本课题提出的意义生物电现象是生命活动的基本属性， 它几乎在机体的一切生命过程中都伴随

12、生物电的产生。 人体的各种生物电的研记录已经成为了解人体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液， 反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。 将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心电变化曲线， 就是目前临床上常规记录的心电图 ( 用 ECG表示 ) 。也就是说， 心电图是从体表记录的心脏电位随时间变化而变化的曲线 , 它可以反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化 28 。心血管疾病是一种较为普遍的疾病， 随着生活节奏的加快， 生活水平和健康意识的提高，人们需要随时对心脏进行健康监护并且能在

13、比较危急的情况下进行及时的诊治； 同时，如果长期住在医院里进行监护和治疗， 那样花费高而且也给医院带来了不小的门诊压力。 心电监测仪是诊断心脏病的重要仪器之一， 目前市场上有多种心电监测仪，但是这些心电监测仪都不太适合在家庭中使用。为此，一种能够在家庭中应用、 操作简单、价格便宜的家用心电监测仪的设计方案应运而生。心电监测分为心律（节律）监测和心率（速率）监测。所谓心律，是指心跳的规律性，即每一次心跳与下一次心跳的周期间隔是否相等；所谓心率， 是指心脏每分钟跳动的次数，心律和心率是两个完全不同的概念。危重病人 ECG监测，是对心脏节律监测最有效的手段。 通过监测，可发现心脏节律异常， 各种心律

14、紊乱，如房性、室性早搏，心肌供血情况、电解质紊乱等 2 。目前，国内外的心电检测产品， 大多是应用于大型医院的、 价格昂贵的大型检测设备。而 Holter 虽然体积小，但价格不菲，并且必须到指定医院才能看到心电图形。甚至一些卫生站也无法负担这些复杂昂贵的医疗设备。 出于人们对医1长春工业大学学士论文疗保健的需求日益提高， 心脏保健也越来越体现出其重要性。 由于心电信号的分析有其经验性的本质特点， 一般人群无法对心电信号进行分析， 必须要有有经验的医生来诊断。 因此，心电监护在临床诊断和治疗上不可或缺， 而家用心电监护仪的研究不仅解决了以上的问题， 也使心电监护更方便快捷准确， 便于普及，降低突

15、发性心脏病带来的危险，也使心脏病人更放心健康的生活。本课题所研究的仪器具有便于携带、 低功耗等特点， 可以长时间工作， 非常适合家庭医疗保健。医生可以读取，并在 PC上显示心电波形，进一步对患者的病情进行诊断， 使得医院之外监护成为可能， 解决了大型心电监护仪在家庭医疗保健中存在的价格、缺少实时性分析等问题，缓解了医院监护的压力。总之，该便携式、低功耗心电信号处理仪可为我国的家庭医疗保健做出重要贡献。1.1.2 本课题提出的目的临床心电监测的直接目的是及时发现、识别和确诊各种心律失常，最终的目的是对各种致命性心律失常进行及时有效的处理，减低心律失常猝死率。具体说来，临床心电监测具有以下目的：1

16、、及时发现和诊断致命性心律失常这是设立心电监测的主要目的，也正是因为开始了心电监测时代，才使得近年来急性心肌梗死和其他危重心脏病人的心律失常猝死率明显下降。2、及时发现和指示致命性心律失常的先兆通过动态观察心律失常的发展趋势和规律，可预示致命性心律失常的发生。例如，当急性器质性心脏病人出现进行性增加的高危险性室性早搏时，应警惕和预防随后可能出现的致命性恶性心律失常。3、指导临床抗心律失常治疗通过心电监测可确定心律失常的类型和程度，有助于选择抗心律失常治疗的方法和时机，同时，还能有效评价这些治疗措施的疗效和副作用。4、指导其他可能影响心电活动的治疗当其它非心律失常治疗措施有可能影响到病人的心电活

17、动时，可采用心电监测方法加以指导。5、协助涉及临床心电活动的研究工作包括评价各种心血管疾病和治疗对病人心电活动的影响等。2长春工业大学学士论文1.2 心电监测仪的国内外发展现状经过近 50 年的发展，动态心电图仪已经成为临床上一种不可缺少的医用电子仪器，它的主要价值是用以发现并记录在通常短暂心电检查是不易发现的、日常活动时发生的心电图异常，为临床诊断提供依据。具有可以随身携带，不受检测距离影响，不受体位变化及活动的限制的特点。目前，国内外临床应用的主要是3 导联和12 导联心电图仪。近年来，第 5-6 代 3 导联心电仪和第 2-3 代 12 导联心电仪，不仅硬件先进，软件设计合理，而且自动分

18、析功能越来越强大、全面。除具有心率变异性、Q-T间期、Q-T离散度心室晚电位分析外， 还具有 T 波分析、动态血压同步检测、心电监护和起搏分析等功能。如 Mortar 公司的 12 导联心电图仪， ST段分析精确达到 V 级，独有的 ST与 HRV相关分析与动态血压同步测定等，美国 DMS公司的第二代高性能 12 联心电图仪，除具有各种心律失常软件外，独有 P 波分析功能，12导联 ST段维彩色超视图，率先在 Q-T 间期离散度分析上提出具有实用性很高的色谱理论、高性能起搏分析功能，将心率变异性的时域、频率分析用于阻塞性睡呼吸暂停综合征的筛选和诊断；美国 Preideal Instrument

19、公司生产的 3 通心电图仪，能准确地对起搏信号加以识别，并能分析各种心率失常、 ST-T改。率变异性、 Q-Td等 7。近年来 , 心脏病的发病率和致死率都有不断增高的趋势。 由于其具有突发性、短暂性和危险性的特点 , 要防治心脏病就必须对患者的心电进行长时间实时检测 , 而远程医疗、社区护理正是解决这一问题的有效办法。最早出现的是基于 PSTN( 公共电话交换网 ) 的远程心电监护系统 , 利用 modem进行“点对点”方式的心电数据传输。这种方式虽然可靠性较高 , 但是对每一个患者需要提供一条电话线 , 在患者较多时就可能无法及时进行监护 , 存在着一定的安全隐患。为解决这一问题 , 后来

20、又出现了基于以太网接口 , 利用 Internet 进行数据传输的系统，由于采用了 TCP/IP 协议 , 实现了监护中心对多个患者数据的同时接收和监护。但是, 由于固定电话终端和互联网接口都并非随处可见 , 为了保证监护的效果 , 就必须限制患者的活动范围 , 给患者的生活带来很多不便。随着移动通讯产业的迅速发展 , 各种无线远程监护系统相继出现 , 终于使患者可以不再受时间、地域的限制 , 随时随地得到监护。早期出现了利用卫星电话传输心电信息的系统 , 但是价格过于昂贵。 2000年前后, 又出现了使用 GSMmodem或带红外接3长春工业大学学士论文口的手机作为通讯载体的监护系统。但由于

21、 GSM方式的最大数据传输速度只有9600bps,这些系统大都采用压缩或者选择性发送的方式来传输心电数据 , 功能受到一定的限制 , 而且同样存在着监护中心不能同时接收多个患者数据的问题。同时 , 由于患者可以随意移动 , 就要求在危急情况下能够马上确定患者的位置 , 而现有的无线监护系统都没有定位功能。此外, 大多数现有的远程心电监护系统还有一个共同的不足 , 就是没有独立的自动判病和报警的功能 , 需要患者在感觉不适时手动记录或者发送心电数据 , 再由医生诊断后做出处置。但是 , 有些心律失常并不伴随明显的身体不适 , 患者可能因疏忽而贻误救治的时机。患者最需要的就是在发生心律失常时能立刻

22、得到提醒 , 根据病情采取相应的措施 , 及时控制病情的发展，因此具有实时报警功能的家用心电监测仪的研制将解决现有系统的不足。近年来国内医疗仪器公司也纷纷转向 12 导联动态心电图仪分为以下几种类型：1、国产化( 自主研制开发 )12 导联 AECG仪：西安蓝港公司研制出具有自主知识产权的第一代 3 导联心电图以后，有心电图仪，记录器具有显示屏，可以观察心率失常及 ST-T 改变等情况。2、与著名国外厂家共同研制：美高仪公司和美国 DMS导联心电图仪，具有透明视窗装置，以液晶屏显示动态心电警和录取功能，即把动态心电图与监护心电图有机的结合成显示 12 个导联的心电图。可分别显示 3 个导联的动

23、态心电图。3、经销国外名牌产品：这些产品都结合我国的国情，改和汉化处理，开发出中英文双界面，为基层医院提供了方便。4、进口器件改进仪器：长春时代数码有限公司，首家推出 SDD系列心电图仪，使用 windows2003，分析用 1.5V 中央处理器、最新电子 U盘记录盒、USB2.0三大最新技术，仅用一节五号电池就能记录 48 乃至 72h 心电图 29 。此外，一些研发能力雄厚的公司，已经研制出功能齐全的第二代 12 导联心电图仪并应用与临床，成为诊断冠心病、分析心率失常最为实用的无创性检测方法。基于嵌入式系用了当今的网络、电话线、GPRS、蓝牙等通信技术 , 使医院之外的心电监护变得更加方便

24、和快捷。总之，随着电子技术、软件技术和通信技术的飞速发展，心电图仪的研发必定会结合最新技术，不断更新功能和提高自动分析能力，朝着长时间、大容量、高精4长春工业大学学士论文度、多功能 (HRV、RDV、心电监护、动态血压同步检测等 ) 、小型化和低成本的方向发展。1.3 人体心电信号的特点心电信号属生物医学信号，具有如下特点：(1) 信号具有近场检测的特点，离开体表微小的距离，就基本上检测不到信号。(2) 心电信号通常比较微弱，一般只有 5mV。(3) 属低频信号，频谱范围为 0.05 100Hz，且能量主要集中在 0.5 20Hz。(4) 干扰特别强。干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等

25、；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来干扰等 5 。(5) 干扰信号与心电信号本身频带重叠 ( 如工频干扰等 ) 。(6) 不稳定性，人体与外界有密切的联系，且内部各器官间存在相互影响，所以，无论来自外部或内部的刺激，都会使人体心电信号发生相应的变化。(7) 随机性，人体心电信号是反映人体机能的信号， 它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信号易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性 6 。1.4 本课题的设计要求及研究内容1.4.1 本课题的设计要求为了实现心脏的健康监护和家庭门诊，家用心电监测仪应实现以下基本功能：抗干扰能力

26、强，由于人体的心电信号具有随机性、不稳定性等特点，又有来自各方面的干扰，因此，心电监测仪要具有很强的抗干扰能力，能正确的采集到心电信号，完成后续的处理；操作简单，体积小，重量轻，携带方便；利用外部存储器将需要存储的心电信息保存，便于患者在就医时回顾病情，作为诊断的参考；利用液晶显示系统实时显示心电波形；利用打印机将心电图打印存档，心电监测仪不仅可以利用外部存储器对心电信息进行存储，也可以在数据回顾时打印患者的心电波形，便于直观的了解心电信息；重病报警，当病人发生心律失常或其他危重病情时，监测仪会自动发出报警，便于及时的对病人采取抢救措施。5长春工业大学学士论文1.4.2 本课题的研究内容信号采

27、集电路的设计，选取心电传感器提取人体的心电信号；信号处理电路的设计，对采集的心电信号进行放大和滤波等操作；模- 数转换电路的设计，将模拟的心电信号转换成数字信号送入主控单元；存储电路的设计，完成对心电信息的存储及数据回顾；打印机的选择及其驱动电路的设计，实现对心电波形和信息的打印功能；主控芯片的选择和设计，主控芯片要对采集的心电信息进行处理和判断，从而完成实时显示、存储、打印和报警等功能；电源驱动电路的设计，设计稳压电源，提供 15V、12V和 5V电源；重病报警电路的设计，当病人发生心律失常时能立刻得到提醒。6长春工业大学学士论文第二章 整体方案设计2.1 系统整体方案的确定家用心电监测系统

28、总体上说是一个智能化的信号采集处理系统，其结构上主要由完成人体心电信号采集、滤波放大的前端硬件电路部分和完成数据分析和诊断的中央处理系统构成，这两部分协调配合工作完成整个系统功能。系统的整体框图如图 2.1 所示。存报储警信前高低陷后A键/号置通通波置微处盘D采放滤滤电放理器控转集大波波路大制换显打示印图 2.1 系统整体设计框图由图可知，该系统的前端硬件电路由信号采集电路、信号处理电路，以及系统电源部分组成。信号采集电路通过心电传感器采集心电信号；信号处理电路包括前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、 50Hz陷波电路和后置放大电路，主要完成心电信号的放大和滤除干扰等功能； 系统电源部分

29、为系统提供 15V、12V和5V直流电源。同时，完成数据分析和诊断分析的中央处理系统由单片机实现，单片机对采集到的数字信号进行压缩以及显示、存储、打印等处理，使整个系统具有智能化的特点，并且，当病人心律发生异常时具有报警功能。2.2 各模块方案的确定1. 信号采集电路信号采集电路主要由心电传感器组成，本设计通过电极片和导联线提取人体心电信号，即生物电引导电极。生物电引导电极是完成人体和测量系统之间的界面作用。用电极引导生物电接地 , 与电极直接接触的是电解质溶液 , 如导电膏 , 人体汗液或组织液。因而形成一个金属 - 电解质溶液界面 , 产生一定的电位差。通过取得的电位差提取人体的心电信号。

30、2. 信号处理电路7长春工业大学学士论文由于人体心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在 0.05 100Hz之间，能量主要集中在 17Hz附近，幅度小于 5mV。同时，在检测心电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起的基线漂移， 电源工频干扰 (50Hz)，肌电干扰 ( 几百赫兹以上) 。电源工频干扰主要是以共模形式存在， 幅值可达几伏甚至几十伏，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极极化电压引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达 300mV，因此心电放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的 RC常数电路。由于信号源内阻可达几十千欧

31、、乃至几百千欧，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上，而且CMRR也要在 60dB以上。由此可知，心电前置放大电路应具有高共模抑制比、高输入阻抗、高输出阻抗等特点。大部分心电信号都要输入单片机进行处理，一般要求幅值约为5V，即放大器的放大倍数约为 1000 倍。因此信号处理电路由前置放大器、 高通滤波电路、低通滤波电路、 50Hz陷波器和后置放大电路组成，实现对心电信号的放大和滤波。3. 模- 数转换电路本系统中 , 需要将心电信号进行存储 , 然而微处理器无法对模拟信号进行处理,必须把模拟量转换成数字量 , 然后再送到微处理器进行数据处理。能够变模拟量为数字量的器件称作模 - 数转换器

32、 ( 简称 A/D 转换器) 。ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的主要是逐次逼近型和双积分型，还有电压 - 频率变换型（ V/F 变换器）。双积分型 ADC的介绍。双积分型 ADC，一般精度高，对周期变化的干扰信号积分为零，因而具有抗干扰性好、价格便宜等优点，但转换速度慢，速度在几十毫秒到十几毫秒之间。15逐次逼近型 ADC的介绍。逐次逼近型 ADC，转换速度高，精度较高，价格较高。变化的干扰信号有很好的抑制作用，所以双积分型 ADC是一个很好的选择，但是心电信号的频率范围在 0.05Hz 到 100Hz之间，根据采样定理，采样频率至少在 250Hz 以上才能保证信

33、号的不失真，即采样的时间间隔不得大于 5ms，然而双积分型 ADC 的采样间隔最短也只能在十几毫秒的数量级，所以无法满足要求。逐次逼近型 ADC 的转换速度最高能达到几十微妙的数量级，所以完全能够满足要求。因此本设计采用了逐次逼近型 ADC。4. 存储电路存储器种类比较多，比如：静态 RAM 6264。6264 的存储容量为 8K 字节，与微处理器的接口形式是并行的，有 13 根地址线、 8 根数据线，封装为 DIP28。8长春工业大学学士论文存储器 AT24C64。AT24C64为 EEPROM，存储容量达 8K 字节，采用 I 2C总线结构，与微处理器连接需要两个 I/O 口，封装为 DI

34、P811 。两者比较一下，静态 RAM6264，由于采用了并行接口的形式，使得它的体积与采用 I 2C 总线结构的 AT24C64相比要大很多，出于这方面考虑，选择了体积更小的AT24C64 EEPROM。然而 AT24C64还具有其它的优点 , 在两个 I/O 口上，可同时接 8 个 I 2C总线结构的 EEPROM，可方便的提高系统的存储容量， 最高可到 512K字节。AD转换每 4ms转换一次，在进行下一次转换前必须将数据存储起来，这就要求存储器的写时间不能超过 4ms，而 AT24C64的 CLOCK最高频率可达 400kHz，进行一次一个字节写操作需要 90ns，进行一次一个字节读操

35、作需要 110ns，这完全可以满足系统的要求。因此本设计采用了 AT24C64存储器对心电信号进行存储。9长春工业大学学士论文第三章 硬件电路的设计3.1 中央处理系统的设计家用心电监测仪要求智能化、小型化，要实现的功能对控制器提出很高的要求。1速度要快由于心电信号的频率在 0.05 100Hz的范围内，在采样间隔的时间内，单片机要进行大量的工作，如：采样数据的预处理，数据压缩的实现，各种中断的响应处理，各种监控的实现等。要在很短的时间内完成如此大量的工作，且要让单片机有相当多的时间进入低功耗状态，所以对单片机的速度要求比较高。2I/0 接口设置按键，进行人机交互以及对外执行控制功能等都要通过

36、普通I/0口与单片机通讯，所以 I/0 口数目要多。3中断口及其他心电监测仪可响应重病报警、按键两种外部硬件中断，所以单片机的中断口至少需要 2 个。因为心电监测仪要进行心电数据的实时预处理和自动分析，算法复杂，所以待选单片机要有较强的指令功能和数据处理能力。庞大的心电数据需要大容量的数据存储器，所以要求待选单片机的数据区要大， 且容易扩展，还需有 2 个以上的定时 / 计数器。基于上述的要求，本设计选用 Atmega16作为中央处理系统，实现数据的分析和诊断等功能。Atmega16单片机是 8 位 AVR系列微处理器，它是 ATMEL公司新推出的 90 系列单片机，内含高速闪存 FLASH,是基于增强精简指令 RISC结构的单片机，该系列单片机在吸收 PIC 及 8051 单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。Atmega16单片机具有如下的特点：1. 速度快Atmega16单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令。Atmega16单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。 其快速存取 RISC寄存器文件由 32 个通用工作寄存器组成。 Atmega16单片机用 32 个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内