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摘要…………………………………………………………….2 第一章 绪论 ………………………………………………………….3 1.1引言……………………………………………………….3 1.2 本课题研究意义………………………………………..3 第二章 本课题主要硬件设计内容…………………………3 2.1心电信号采集…………………………………………….4 2.1.1带通滤波电路……………………………………………….6 2.1.2工频陷波电路………………………………………….6 2.1.主放大电路……………………………………………….7 2.1.4A/转换…………………………………………………..8 2.1.5 ADC0809内部功能与引脚介绍……………………………8 2.1.6、AT89C51与ADC0809的接口…………………………8 2.1.7、时钟源设计………………………………………….12 2.1.9、复位电路设计……………………………………….12 1.1.10显示电路…………………………………………….12 第三章 系统主要程序设计………………………………….13 第四章 系统原理图………………………………………….16
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摘 要
心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用心电信号采集系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。
首先，设计心电采集模块，包括心电前置放大器、带通滤波电路、线性光耦放大电路、50 Hz陷波电路、35 Hz陷波电路及电平抬升电路， A/D 转换电路输出显示电路等。其次，由于越来越多的研究者发现心电图中变化与大多数心血管疾病都有着紧密的联系，因此，本课题设计了心电信号检测方法，包括心电信号的采集，放大以及波形的液晶显示。在论文当中，设计的电路能够有效的抑制了各种干扰，检测出良好的心电信号。论文的研究工作基本上达到了设计的要求，为进一步的产品开发打下了良好的基础。
关键词： 心电信号；数据采集；A/D转换；单片机；LCD显示
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第 1 章 绪论
1.1 引言
心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。自 1903 年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。 1.2 本课题研究意义
心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位，据统计，全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及时发现病变从而延误了治疗，死于非命。在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的 44%，可见心脏病己成为危害人类健康的多发病和常见病。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视。及时了解人类心脏病的状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死亡，具有十分重要的意义。国际上医学界人士已经可通过对心电信号的特征、规律的研究对部分相关病变做出早期预测和及时诊断，因此，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用电子检测、监护系统近年来己经在临床中逐渐应用。目前，医生对心血管疾病的诊断基本上是以常规心电图或者心电向量图为主要手段，即通过判断病人心电波形的变化规律及不同时刻的波幅大小来推断心脏内病灶的部位或严重程度，在医学临床应用中十分普及。
第二章 本课题主要硬件设计内容
本课题是设计心电信号数据采集系统，利用单片机实现对心电信号的采集与处理，并通过液晶显示器显示心电波形。该心电信号采集系统主要有以下几个部分组成：
前置放大电路，从强的噪声背景中提取心电信号
带通滤波电路，使频率为0.05-100Hz的心电信号通过，该范
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围以外的信号将大幅度衰减掉。
50Hz掐波电路，用于滤掉50Hz工频干扰。
主放大电路，将前级放大的心电信号进行再次放大。 A/D转换电路，将系统采集到的模拟信号转换为数字信号 单片机及液晶显示器输出电路，处理采集到的数据并输出
电极前置放大电路0.05HZ高通滤波电路100HZ低通滤波电路工频限波电路主放大电路模拟信号处理
2.1心电信号采集
生物信号测量有电测量和非电测量，象心电这类信号本身即是电参量，直接加电极于人体即可获取心电信号。由于生物电信号是两点的电位差信号，心电信号是变化缓慢的生物电位，当用两个电极分别引导生物体两点的电位时，如果两个电极本身的电位不同则会造成记录中的伪差(又称极化电位)。因此我们必须用去极化电极。我们采用了银－氯化银电极，它就是一种去极化电极。对于数据的采集我们使用了一种间歇式的方法。由于记录电极存在电极极化电位。若两电极极化电压极性相同，则作为共模直流信号入前置放大器，前置放大器有高CMRR，可克服一定共模极化电压。但是通常电极是不对称的，也就是两电极极化电压不等，则两极化电压之差作为差模直流信号入前置放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和。这种极极化电位的存在限制了前置放大器的增益。因此前端放大增益较小，设计在10左右，是为了避免饱和。过强的高频信号在通过前级时形成阻塞，进而通过“斩波”的方式产生一个低频干扰信号。 2. 心电前置电路是指输入的心电信号首先通过一高输入阻抗的电压跟随器，再经差分放大输入到主放大电路的这一部分，主要由输入电压保护电路、前置放大电路、右腿驱动电路、导联脱落
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检测电路等几部分组成。置放大器的要求是高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、高稳定度、低噪声、低漂。同时考虑到便携性，还要同时考虑功耗及体积的特性。前置放大器我们选用美Analog Devices公司的AD620AN.AD620AN0z，是一款价格低廉、性能优良的仪表放大器。图2-5是内部结构简化图。AD620AN为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用p工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻Rg上。虽然AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计。
+5V1BT?BATTERYC1R110KΩR41MΩR224.8KR00.26K41AD620587R324.8K3BT?BATTERYGND62-2R51MΩAD705J+-5VGNDGND3 前置放大电路
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2.1.1带通滤波电路
从电极提取过来的的来自人体和电源的噪声比较强，前置级放大不能抑制所有的工频干扰，所以需要在前置放大电路和主放大电路之间设计模拟滤波电路。
由于人体心电信号的心电信号频带主要集中在0. 05~ 100Hz,所以要求心电放大器在此频率范围内必须不失真的放大所检测到的的各种电信号。由于滤波电路的作用是在允许采用信号中所需频率信号通过的同时，对其他频率的信号进行有效地衰减，可以采用高通滤波器和低通滤波器来压缩通频带。本次设计采用两个OP-07运放分别设计二阶压控有源高通滤波和低通滤波器来实现，放大系数威1有下图所示。
R64.6M+5V75
C4 0.25uF1+5V326OP07-32C510uF1uF1uF10K100K4-5V-5VGNDGND带通滤波电路
2.1.2工频陷波电路
尽管在前置放大电路中，我们采用了低噪声的集成运放来抑制50HZ工频干扰，但往往在不同环境中实际测量时，不能完全消除50HZ工频干扰。因此我们还要设计一个50HZ陷波器来消除工频干扰。一般常用带阻滤波予以抑制。带阻滤波器又叫陷波器，当50HZ干扰非常严重时，可采用以50HZ为中心频率的陷波器把50HZ的频率成分滤掉。该陷波器如下图所示。
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4+6OP07-R8R915C2C3+ R7 4.6M 7郑州轻工业学院 自动化08-1
R10144.6KC6R11144.6KC7-5VVOUTVIN+5V22uFC844uFR1272.4K22uFR130.5K+5VR59.5K-5V工频陷波电路
GND2.1.3主放大电路
心电信号的幅度誉为10uV-5mV，我们选用的A/D转化器的输入电平要求为0-3.3V，因此必须实现心电信号的高效增益放大600-80倍左右。前置放大器理论上放大了10倍。主放大电路再放大80左右即可。主放大电路有R15 R16和运放组成如下图所示，这里采用的是同比例放大电路，介入R16可变电阻，可调节最佳的增益输出.
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+5V7321+6OP07-4-5VR161MR15100K5GND 主放大电路
2.1.4.A/D转换
本系统用AT89S51系列单片机，AT89S51系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构， 具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性，并采用ADC0809模数转换芯片，具有很高的稳定性，且节约成本。
2.1.5 ADC0809内部功能与引脚介绍
ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何
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一个。其内部结构如图2-2所示。
1.ADC0809主要性能
逐次比较型 CMOS工艺制造 单电源供电
无需零点和满刻度调整
具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容 易与各种微控制器接口 具有锁存控制的8路模拟开关 分辨率：8位 功耗：15mW
最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）
图2-2 ADC0809内部结构 9
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转换时间（fCLK500KHz）128us 转换精度：0.4%
ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～
1280kHz。典型时钟频率为640kHz
2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图2-3所示。 各引脚的功能如下：
IN0～IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入0～5V待转换的模拟电压。
D0～D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。
A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。
ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。
START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100～200ns。
EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。 OE：输出允许端。
CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。
REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为＋5V。 VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用＋5V单一电源供电。
图2-3 A/DC0809引脚 10
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当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。
2.1.6、AT89C51与ADC0809的接口
ADC0809时钟信号由单片机的ALE信号2分频获得。ADC0809通道地址由P0 口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。转换后的N个数据顺序存放到起始地址为data_addr数据存区。 5.3、ADC0809的时钟频率500KHZ的产生：
从单片机 ALE引脚产生的1MHZ频率，通过D触发器后变为500KHZ，然后 输入到0809中的CLK引脚中。而D触发器在74LS74芯片可以找到。如图所示：
2.1.7、时钟源设计
时钟源电路如图（6）所示，X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电
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路，时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
2.1.9、复位电路设计
复位电路如图原理图所示，复位电路具有上电自动复位作用。
1.1.10显示电路 P2.2R182K+5V P2.1R192KP2.0R202K99VCCafeabgdcdbcefdpgdpabfeVCCagdcdbcefdpgdpabfe9VCCagdcdbcefdpgdp12345678123456788*470ΩP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6 12
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第三章 系统主要程序的设计
整个系统软件设计分为两个部分，即主程序和中断服务程序。系统采用模块化编程，将各部分功能分别实现，主要的功能子程序有：数据采集、部分中断子程序。 序流程图如图所示
主程序初始化v 中断开发v 定时器初始化v 堆栈设置v 启动AD转换v 启动定时器原地踏步
主程序
外中断INT0中断服务程序v 读取A/D0809的转换结果v 启动下一轮转换v 将转换成三位BCD码返回
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外中断INT0中断服务程序
定时器T0中断服务程序定时器重置初值计数器=0Ø 送个位数Ø 个位数码管点亮Ø 计数器加1Ø 送十位数Ø 十位数码管点亮Ø 计数器加1计数器=1计数器=2Ø 送百位数Ø 百位数码管点亮Ø 计数器加1返回 定时器T0中断服务程序程序如下
三位显示12ms循环一次，每位显示4ms。 计算定时器初值
晶振频率6MH，每机器周期2us，采用定时器方式一，初值
为X=65535-4000/2=63536=F830H
30H，31H，32H，作为显示缓冲单元分别存放个 十 百 位的
BCD码。.
程序中的第二表格电压-心电数表TAB2是假数据并且不全。
ORG 000H AJMP MAIN
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ORG 000BH AJMP DISP ORG 0013H AJMP AD
MAIN: SETB IT0 ；设置INT0为边沿触发方式 MOV IE, #83H ；INT0 T0中断开放 MOV IP, #02H ；T0高级优先
DISP: DISP1： DISP2： DISP3：
MOV TMOD, #01H ；设置初值 MOV TL0， #30H MOV TH0， #0F8H
SETB TR0 ；启动T0
MOV 30H, #0 ；3个显示缓冲区 MOV 31H, #0 MOV 32H, #0
MOV A, #0 ； 启动一次A/D转换 MOV R0， #0 MOV @R0, A
SJMP $ ；原地踏步 ；T0中断显示 ；显示缓冲百32H 十31H 个30H MOV TL0, #30H ；T0设初值 MOV TH0, #0F8H
MOV P2, #0FFH ；显示全关 CJMP R2, #00H,DISP1 ；显示个位 MOV P1, 30H CLR P2.0 AJMP DISP3
CJNE R2，#01H, DISP2 ；显示十位 MOV P1,31H CLR P2.1 AJMP DISP3
MOV P1,32H ；显示百位 CLR P2.2 MOV R2，#00H
RETI ；INT0中断，A/D转换结果
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AD: MOV R0，#00H ；读取A/D转换结果 MOVX A,@R0
MOV A,#0 ；启动下一次A/D转换
MOVX @R0，A
MOV DPTR,#TAB2 ；指向电压-心电数据表
MOVC A,@A+DPTR ；查看心电数值 MOV B,#64H ；取得百位BCD码 DIV AB
MOV DPTR,#TAB1
MOVC A,@A+DPTR ；查对应的七段码 MOV 32H,A ；七段码存入百位显示区 MOV A,B ；取得十 个位BCD码 MOV B,#0AH DIV AB
MOVC A,@A+DPTR ；取得十位七段码 MOV 31H,A
MOV A,B ；取得个位七段码 MOVC A,@A+DPTR MOV 30H,A RETI
TAB1:七段码表 TAB2:电压心电数表
第四章 系统原理图
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+5V1 BT?BATTERYR6 C1R110KΩR41MΩ7R324.8K3BT?BATTERYGNDC4+5V0.25uF75154.6M+5V161uFR72-OP0732C510uF4.6M-5V-GNDGND-5V425带通滤波电路GND2R51MΩAD705J+GND3前置放大电路-5V+5V75+5VR10144.6KC6VIN22uFR11144.6KC7+5V22uFVOUT3216OP07-P2.24R182KP2.1R192K4R130.5K99-5VC844uFR1272.4K+5VR149.5KR161MR15100KVCCafegdbcdpfeVCCagdbcdpfe9主放大电路50HZ陷波电路abcdefgdpabcdefgdp12345678-5VGNDP0GNDDSD412345678U?A2Q58*470ΩP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6模拟量输入262728123453U?IN-0IN-1IN-2IN-3IN-4EOCIN-5IN-6IN-7ALE16ADD-AADD-BADD-Cmsb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8212019188151417725242322P2.796101GND347813141718111U?D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373ALEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q72A5B6C912151619CLKCDQ674LS74+5vC9CAPR1710K11.0592HZWRC1030PGND+5V12ref(-)ref(+)ADC0809ENABLESTARTCLOCKINT0GNDRD1GNDC1130PGND1234567891011121314151617181920P1.0VccP1.1P0.0P1.2P0.1AT89S51P1.3P0.2P1.4P0.3MOSI/P1.5P0.4MISO/P1.6P0.5SCK/P1.7P0.6RSTP0.7RXD/P3.0EA/VppTXD/P3.1ALE/PROGINT0/P3.2PSENINT1/P3.3P2.7T0/P3.4P2.6T1/P3.5P2.5WR/P3.6P2.4RD/P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1VssP2.040393837363534333231+5V30292827262524232221
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12345678- 1uF810K100KR224.8K+6OP07-5VP2.0R202KVCCagdbcdpabcdefgdpAD62063+R00.26K4C2 C31R8R97+
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