基于单片机的心电监测系统设计

本科毕业设计说明书（论文） 第 43 页 共 45 页1 绪论当今心血管疾病已成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一，心脏病的死亡率仍居首位。据统计，世界上平均每年约几百万人死于此类疾病，我国因心血管疾病死亡人数约占总死亡人数的44，很多心脏病人是由于未及时发现病变延误了治疗而最终导致死亡1。因此，对心血管疾病的诊断、预防是当今医学界面临的首要问题。尽早地发现心血管系统疾病征兆，及时地了解心脏病状况，对疾病的预防和及时诊治具有重要的意义。11心电监测系统的发展背景及意义心脏是人体的重要器官，在人的生命过程中，心脏不断地、有节律地收缩与舒张，将血液从静脉吸入心脏，并射入动脉实现其泵血的功能。心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电监测系统(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图(ECG) 1。心电图是反映心脏内兴奋产生、传导和恢复的过程中的电位变化的综合波形。它不仅与单个心肌细胞动作电位的曲线有明显的不同，而且因测量的电极放置的位置和连接方式的不同而有所差异。心电信号是最早应用于医学的人体生物电之一，如今医学界人士已经可以通过对心电信号的分析研究对心血管相关病变做出预测和诊断。因此，及时准确和完整地进行心电信号提取，并提供有效的辅助分析和诊断手段是一项重要而有意义的研究课题。12心电监测系统的发展现状目前，国内各大医疗器械厂和科研单位都在心电监测系统的开发上投入了大量的资源，并且都开发了各具特点的心电监测系统产品。电子医疗技术的突飞猛进以及临床医学的相互促进，已经出现了各种各样的心电监测产品，常见的有床边心电监测、动态心电监测、电话心电监测和天线心电监测等。1.2.1床边心电监测床边心电监护是在病床边对被监护者进行持续或间断的心电监测，它是心脏监护的重点内容。自1962年创立了冠心病监护病房以来，国内外均先后开展了床边心电监护。目前，心电监护已广泛应用到临床各种危重病和非危重病的监护，各种手术、特殊检查与治疗的监护。由于床边心电监护的开展，提高了临床诊断水平与医疗质量，大大提高了危重病人的抢救成功率，起到预防和减少医疗事故或医疗纠纷的作用，也减轻了医护人员劳动强度，提高了工作效率。1.2.2动态心电监测动态心电图是用一个磁带或固态式记录器24小时连续不断的记录病人在日常活动状态下的心电信息，然后通过计算机回放、分析和编辑打印2。动态心电图记录了不同体位、不同状态、不同时间的心电变化，一次获得的信息长达2.16Km，十余万次心搏和十余万次心动周期，现已成为诊断心率失常、心肌缺血、评估起搏功能和药物疗效的高新技术。1.2.3电话心电监测电话传送心电监护是指通过电话传送患者的心电信息到监护/接收中心进行计算机处理，医护人员根据患者的症状及传送的心电图对其分析判断后实施电话诊断、护理、处置而进行的监护，具有使用方便、不受时间、空间和地域限制等特点。它是心血管领域心电监护系统的一个突破和进展，它的应用对院外心脏病急救护理、心脏病家庭电话遥控诊治、护理有着非常重要的意义。TTM作为临床心电监护向院外延伸的一种新的手段，对心律失常、心肌缺血和心肌梗死等有可靠的监护效果，对有症状，偶发、短暂的心律失常和一过性心肌缺血有独到的监测作用。对严重心律失常、心肌梗死和心绞痛，它较心电图(ECG)诊断更准确，对院外心脏病的急救处理、护理指导具有很大的价值。它大大地缩短了医患、护患之间的距离，给患者一种安全感，从而稳定了患者不安的心理状态，消除了心理压力和负担，减少了心脏病的诱发因素。作为长期监护的患者，则在不断得到急救、护理指导的同时，提高了自救、自护能力。TTM系统在国内的应用处在起步阶段，院外急救护理也是一个新的课题，需更进一步探讨、总结和提高，以更好地造福于全社会的心脏病患者。但是，如今有很多心电监测仪还没有得到普及，还存在一些问题：（a）提供的心电处理功能和记录的心电信息有限，医生从中难以得到全面的电信息，降低了医生对疾病诊断的正确率。（b）一般都采用了数字信号处理器作为心电数据分析的核心器件，而数据通信、液晶显示、实时时钟、程序存储器等都需要外扩专门的功能器件，因此结构比较复杂，体积比较大，同时功耗也比较大，价格比较昂贵，一般患者难以承受。（c）与之配套的监护网络和心电数据处理中心尚不完善。13心电监测系统的未来发展方向和展望传统的基于PC机平台的心电监测仪价格昂贵，体积庞大，不便于移动且主要集中在大医院而无法实时监测患者的病情，给医生和患者带来了很大的不便。近年来，随着计算机网络、通信等相关技术的迅速发展，心电监测技术已经逐渐应用到远程医疗领域中，使得医院为心脏病患者的远程保健服务成为可能。未来的心电监测系统会具有成本低、体积小、可靠性高、操作简单等优点，会继续向全信息、固态记录、多导联同步采集等方向发展，适用于个人、中小医院和社区医疗单位，为家庭保健和远程医疗等新兴的医疗途径提供良好的帮助和支持。2 系统设计方案论证21心电监测系统的总体设计要求本课题的题目是基于单片机的心电监测系统设计。要求心电监测信号经采集装置输入到前置放大器，信号放大8倍以后，再经过滤波电路进行滤波，滤掉0.05Hz以下频率与105Hz以上频率，同时阻止50Hz工频干扰信号的通过。经过滤波的信号通过后级放大电路将其放大到伏特级别，再经过加法器电路将其波形提升到0V以上，便于单片机A/D转化电路直接转化为数字值。经过处理的心电信号最终由简易的示波器显示到液晶屏上，以便使用者能够实时方便的观察到心电波的变化与形态。液晶屏选用具有KS0108控制器的12864LCM,采用AT89C51单片机进行数据的处理并驱动显示屏显示波形。22心电监测系统的系统结构设计对于心电信号的采集，采用标准导联方式进行采集。心电信号是一种微弱的电信号，要先利用前置放大电路将信号放大8倍。由于人体信号源中存在各种噪声干扰，为了抵消这些干扰，可以设计一个补偿电路。对于放大以后的信号，让它通过滤波电路进行滤波。心电信号中存在0.05Hz以下的频率信号、105Hz以上的频率信号和50Hz的工频干扰信号，需要让心电信号依次通过低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器，经过滤波电路以后的信号变的比较干净。然后为将心电信号放大到伏特级别，让其通过一个主放大电路。同时，为了便于单片机和ADC0808的信号采集和处理，可以让心电信号通过一个加法器电路，将波形提升到0V以上。然后通过显示电路让经过单片机处理的信号显示在液晶屏上。整个系统的结构图如图2.1所示。补偿电路仪表放大器前置电路滤波器电路主放大电路同相加法器ADC0808单片机心电信号采集显示电路图2.1系统结构图23心电监测系统设计的可行性论证在所学的知识中，对于心电信号采集，可以利用特定的传感器进行心电信号的采集；对于前置放大电路，可以采用集成仪表放大器AD620进行信号的前置放大；对于补偿电路，可以用运算放大器和反馈电阻组成补偿电路；对于滤波电路，可以利用有源滤波器电路通过计算设计出符合要求的低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器；对于主放大电路，可以利用集成运算放大器对信号进行再次放大；对于加法器电路，可以利用集成运算放大器来进行加法器的设计；对于心电信号的数字化以及分析处理，可以利用单片机和ADC0808来设计硬件电路；对于显示电路，可以让心电信号在液晶上显示。A/D转换电路，显示电路以及单片机对心电信号的分析处理需要进行软件的编写。通过论证，上述的系统结构设计方案可行，可以达到心电监测系统的设计要求。3硬件电路设计31心电信号采集电路的设计临床上心电信号主要从体表收集，检测时将测量电极安放在体表相隔一定距离的两点，电极通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与心电监护仪的放大器相连，测量出电极在体表的电位差就是心电信号，描成曲线就是心电图。在测定心电信号波形时，电极安放的位置以及导线与放大器连接的方式，称为心电仪的“导联”。将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电仪连接的方式称为“标准导联”。习惯上对这些电极规定了表示符号和连接导线的颜色，如表3.1所示。表3.1导联标记电极的部位右臂左臂左腿右腿表示符号RALALLRL导线颜色红黄蓝（绿）黑标准导联直接把两个肢体的电位加到心电放大器的输入端，所描述的波形即为两点电位差的变化。标准导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-），左臂（LA）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。标准导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-），左腿（LL）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。标准导联：左臂（LA）接放大器反相输入端（-），左腿（LL）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。本课题采用标准导联方式，右腿（RL）的参考电极连接补偿电路3。图3.1信号采集电路输入端示意图在本次的设计中，采用标准导联方式，即如图3.1所示，IO1端作为参考电极接右腿，IO2端接左臂，IO3端接右臂。32前置放大电路的设计本设计中的前置放大电路采用集成仪表放大器AD620。因为本次设计所要处理的电信号比较微弱，而且对其波形质量要求较高，要求具有高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声和低漂移。所以在本次设计中可以选用集成仪表放大器AD620来进行前置放大电路的设计。3.2.1AD620芯片简介AD620内部由三个放大器共同组成，其引脚图如图3.2所示。在使用中，芯片1、8脚接Rx,4、7脚接正负相等的工作电压，2、3接输入的弱电压信号，6脚为输出引脚，5脚为参考基准。图3.2 AD620管脚图本设计可以通过调整Rx的大小来调整AD620的增益值，其增益可以通过公式(3.1)进行计算。 (3.1)AD620增益范围是11000。它具有低耗电，精确度高，低噪声，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，具有较高的共模抑制比，调节方便等特点。该芯片可提供的最大电流为1.3mA的电流。适用于ECG测量、医疗器件、压力测量、信号采集等场合。3.2.2 前置放大电路设计如图3.3所示，差分输入端IO2、IO3分别接标准导联的正负输入端，R1、R4 、R5共同决定放大电路的放大倍数。在整体的电路工作中，因为心电信号比较微弱，所以要求放大1000倍左右。但是，根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理，在本次设计中，可以要求前级电路放大8倍以便于后面对心电信号进行处理。图3.3前置放大电路3.2.3元器件参数计算表3.2元器件参数元器件R1R4R5C1参数8.25k24.9k24.9k4.7FAD620的外围电路仅为一个控制增益的电阻Rx，由公式（3.1）计算可以得出此处的增益： （3.2）通过计算，从中可以看出前置放大电路的增益约为8倍，符合设计要求。因此本设计可以选用表3.2中的元器件来搭建放大电路，保证设计的前置电路符号设计的要求。33补偿电路的设计为了抵消人体信号源中的各种噪声干扰，包括工频干扰。在本次设计中可以引入补偿电路3。运算放大器AD705J、R2、R3、C1共同组成补偿电路，IO1连接人体信号源参考端。引入补偿电路的方法是在前级放大电路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈，为提高反馈深度，将反馈信号放大后接人体信号源参考端，这样可以最大限度的抵消工频干扰。电路如图3.4所示。图3.4补偿电路电路图34滤波电路的设计3.4.1低通滤波器电路的设计为了滤除105Hz以上的干扰信号，需要设计一个截止频率为105Hz的低通滤波器。本设计可以采用有源低通滤波器，根据学过的滤波器知识，先确定低通滤波器的大致形式，然后通过计算确定滤波器选用的电阻、电容值，确定截止频率为105Hz。在这次设计中，可以采用的运算放大器为OP07，设计的电路图如图3.5所示。图3.5低通滤波器电路图根据设计要求，,由公式（3.3） (3.3)可以计算出若，则。由于采用巴特沃斯滤波器，可知。又因为公式（3.4） (3.4)可以计算得出。表3.3元器件参数组件名R1R2R3R4C1C2参数值10k10k10k20k318nF71nF通过计算，设计的低通滤波器满足截止频率为105Hz的设计要求。各元器件的参数值如表3.3所示。3.4.2高通滤波器电路的设计为了滤除0.05Hz以下的干扰信号，需要设计一个截止频率为0.05Hz的高通滤波器。本设计可以采用有源高通滤波器，根据学过的滤波器知识，先确定高通滤波器的大致形式，然后通过计算确定滤波器选用的电阻、电容值，确定截止频率为0.05Hz。在这次设计中，可以采用的运算放大器为OP07，设计的电路图如图3.6所示。图3.6高通滤波器电路图根据设计要求，,由公式（3.5） (3.5)可以计算出若，则。由于采用巴特沃斯滤波器，可知。又因为公式（3.6） (3.6)可以计算得出。表3.4元器件参数组件名R1R2C1C2参数值450k225k27nF27nF通过计算，设计的高通滤波器满足截止频率为0.05Hz的设计要求。各元器件的参数值如表3.4所示。3.4.3 带阻滤波器电路的设计为了滤除50Hz的工频干扰信号，需要设计一个50Hz工频的带阻滤波器，尽可能的消除工频干扰3。本设计可以采用有源带阻滤波器，根据学过的滤波器知识，先确定带阻滤波器的大致形式，然后通过计算确定滤波器选用的电阻、电容值，确定阻带频率为50Hz。在这次设计中，可以采用的运算放大器为OP07，设计的电路图如图3.7所示。图3.7带阻滤波器电路图根据设计要求，,由公式（3.7） （3.7）可以计算出若，则。将参数值输入到电路，仿真时发现衰减3dB时的带宽为4357Hz,但衰减深度仅为7.43dB，需要调整器件参数值。经反复调整，最终选定所以通过计算得出： （3.8） （3.9）为了调整深度，仿真调试后选择最佳K值为0.96，取R4、R6电阻初始值为5k,所以： （3.10） （3.11）表3.5元器件参数元器件R1R2R3R4R6C1C2C3参数值47 k47 k23.5 k200 4.98 k68 nF68 nF136 nF通过计算，设计的带阻滤波器满足截止频率为50Hz的设计要求。各元器件的参数值如表3.5所示。35主放大电路的设计人体输出的心电信号大约是毫伏级别的，为了便于单片机采集，本设计需要将心电信号放大到伏特级别。在前置放大电路中，为了便于滤波，已经将心电信号放大了8倍。理论上需要将心电信号放大1000倍。所以，本设计需要再设计一个主放大电路，继续将信号放大125倍。在电路设计上，可以采用运算放大器OP07完成。为了增加输入阻抗降低输出阻抗，可以在主放大电路前加一个电压跟随器电路。主放大电路如图3.8所示。图3.8主放大电路图从图3.8可以看出，前一个运算放大器组成电压跟随器电路，后一个运算放大器组成反相放大电路，放大倍数由R1、R3、R23共同决定，此处增益为125。36同相加法器电路的设计经过主放大电路的处理，已经把心电信号放大到了伏特级别，但是，心电信号可能存在负电压，不方便单片机和ADC0808的采集，需要设计一个加法器电路，把心电信号提升到0V以上，最后在程序编写时再将检测到的信号减去信号相加的直流电压即可以得到实际的电压值。加法器电路如图3.9所示。图3.9加法器电路图同相加法器电路中，存在如下关系： (3.12) (3.13) (3.14)取，则根据上式可以计算出其它元器件的值，如表3.6所示。表3.6元器件参数元器件R1R2R3R4R5R6R7参数值50k50k50k50k25k1k10k37ADC0808转换电路的设计3.7.1ADC0808芯片简介ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换。ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其管脚图如图3.10所示。图3.10 ADC0808管脚图ADC0808各引脚功能如下： 15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。 8、14、15和1721：8位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端。11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。3.7.2 信号采集电路的设计把ADC0808的输出口分别依次与单片机的P0口连接，3位地址输入线都接地，选择IN0路作为模拟输入端，心电信号由此端输入。给ADC0808芯片连接电源，时钟信号。如图3.11所示。该图为心电信号的采集电路。图3.11信号采集电路38显示电路的设计3.8.1单片机芯片AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其管脚图如图3.12所示。各引脚功能如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。图3.12AT89C51管脚图P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.7所示：表3.7 P3口管脚的特殊功能P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.8.2 单片机最小系统电路单片机最小系统是指最少的组件组成的单片机可以工作的系统5。对于AT89C51单片机而言，最下系统应该包括单片机、晶振电路和复位电路。如图3.13所示。图3.13单片机最小系统电路图3.8.3 键盘电路的设计为了能够更好的观察液晶显示的心电信号波形，本设计需要对显示波形的周期和幅度加以控制，使它能够完整的显示在液晶屏上，不会出现波形的失真。为此，需要设计一个键盘电路，控制波形显示的周期和幅度。对此，通过定义单片机的P3.0为Y轴幅度的减少控制端口，P3.1 为Y轴幅度的增加控制端口，P3.3为X轴幅度的减少控制端口，P3.7为X轴幅度的增加控制端口。通过程序的编写，本设计可以使得每按下一次按键，就可以得到相应的波形的改变，方便对心电信号的观察。键盘电路图如图3.14所示。图3.14键盘电路图3.8.4 显示电路的设计12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，是业界约定俗成的简称。该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。其管脚图如图3.15所示。图3.15液晶管脚图12864内部存储器DDRAM与显示屏上的显示内容具有一一对应的关系，只需将显示的内容写入到12864内部显示存储器DDRAM中，就能实现正确显示。12864液晶显示屏横向有128个点，纵向有64个点，分为左半屏和右半屏。每屏可显示4行8列共32个16 X 16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文宇符或2个16 X 8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。内部提供128 X 2字节的字符显示RAM缓冲区(DDRAM)。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。绘图显示RAM提供64x32个位组的记忆空间(由扩充指令设定绘图RAM地址)，在更改绘图RAM时，由扩充指令设定GDRAM地址先设置垂直地址，再设置水平地址(连续写入两个位组的资料来完成垂直与水平的坐标地址)，再写入两个8位的资料到绘图RAM，而地址计数器(AC)会自动加一，整个写入绘图RAM的步骤为先关闭绘图显示功能(在写入绘图RAM期间，绘图显示必须关闭)，再先将垂直的位组(Y)写入绘图RAM地址，再将水平的位组lX)写入绘图RAM地址，再将D15D8写入到RAM中，再将D7DO写入到RAM中。在本次设计要求中，要求通过12864点阵图形液晶显示模块显示单片机处理后的心电图形。12864点阵图形液晶显示模块的各管脚的功能如表3.8所示。表3.8 12864点阵图型液晶显示模块的引脚功能引脚符号功能11：选择左边64*46点21：选择右边64*46点3GND地4VCC+5V电源5V0显示驱动电源05V6RS1：数据输入，0：命令输入7R/W1：数据读取，0：命令写入8E使能信号，负跳变有效916DB0DB7数据信号17复位，低电平有效18-VoutLCD驱动负电源在本次设计中，既在液晶上显示了汉字，也将实时显示心电信号的波形。显示电路电路图如图3.16所示。由单片机驱动显示屏进行显示。其中，P1.0P1.7为显示屏数据端口D0D7，P2.0P2.4为显示屏控制端口。图3.16显示电路4程序的设计41程序编译环境本次设计采用的单片机是AT89C51，其编译环境就是熟悉的51单片机的编译环境Keil 2。首先创建一个工程文件，然后新建文件编写程序，通过编译生成hex文件。把生成的hex文件加载到Protues仿真软件的单片机中就可以进行相应的仿真调试。42程序设计思想4.2.1程序设计思想本次设计中，程序的主要功能是进行A/D转换，将输入的模拟信号转换为数字信号，再经过数据的处理，驱动12864LCD显示信号的波形和相关信息。本次设计的电路实际上就是一个具有专用性质的示波器，可以进行波形的显示以及显示的周期和幅度的控制。首先需要将输入的心电信号通过ADC0808转换成数字信号，并将转换后的信号保存在一个数组中，再对得到的数据进行相应的计算和处理得出波形的参数值，最后再驱动显示器将数组中的电压数值以波形的形式显示到屏幕上，就这样不停的进行数据采集，不停的一屏一屏的刷新显示内容，从而完成实时显示功能。当键盘电路有输入时，对数据进行相应的处理，在显示在屏幕上。4.2.2程序设计的端口定义在程序编写之前，首先需要对单片机初始化，定义其各个管脚的功能。如表4.1所示。表4.1 程序的端口定义IN0模拟信号输入端P3.0Y轴方向幅度减少P3.1Y轴方向幅度增加P3.3X轴方向周期减少P3.7X轴方向周期增加P1.0P1.7显示屏数据端口D0D7P2.0P2.4显示屏控制端口 4.2.3程序设计流程图在程序编写之前首先确定确定程序编写的流程图。通过流程图，可以很方便的编写程序。把软件程序分成几个模块，然后按模块编写对应的程序。本次设计对应的流程图分别如图4.1和图4.2所示。其中，图4.1为主程序流程图，图4.2为实时显示程序图。在主流程图中，首先对单片机初始化，定义单片机各个端口的功能，方便以后编程时直接使用。然后对ADC0808芯片初始化，定义输入端口。然后对LCD初始化，在对定时器初始化，设置其参数，接着LCD清屏，方便显示。然后单片机进入延时，当单片机监测到液晶空闲时，输出数据，通过液晶显示在屏幕上。主流程流程图如图4.1所示。图4.2为实时显示流程图。当单片机检测到赋值位为1时，启动ADC0808,让ADC0808进行采样，采样得到的数据经单片机处理后显示在液晶屏幕上。通过键盘电路，可以控制实时显示的波形。当单片机检测到X轴按键增加键按下时，调整显示图形使其周期变大，当单片机检测到X轴按键减少键按下时，调整显示图形使其周期变小，当单片机检测到Y轴按键增加键按下时，调整显示图形使其幅度变大，当单片机检测到Y轴按键减少键按下时，调整显示图形使其幅度变小，当检测到循环标志位变为0时，停止采样，停止输出波形。开始端口初始化ADC初始化LCD初始化定时器1初始化LCD清屏延时实时扫描显示图4.1主程序流程图X轴增加键按下？循环标志赋值1循环标志为1？AD实时采样实时电压显示X轴减少键按下？Y轴增加键按下？Y轴减少键按下？调整周期调整周期调整幅度调整幅度YYYYYNNNNN返回循环标志复位运行状态标志置位图4.2实时显示程序流程图5仿真软件的应用与调试分析51Multisim 仿真软件简介Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。52Keil uvision2 仿真软件简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。开发人员可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。53Proteus 仿真软件简介PROTEUS软件是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件，它又可以分为ISIS和ARES两个软件，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑软件，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子系统设计16。随着科技的发展，“计算机仿真”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。通过PROTEUS ISIS软件的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起进行仿真。PROTEUS软件支持许多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器进行实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外部设备进行交互可视化仿真的功能。此外，PROTEUS可对IAR C-SPY、Keil uvision2等开发工具的源程序进行调试，也可与Keil实现联调。此外，在PROTEUS中还配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计、I2C调试器等，便于测量和记录仿真的波形、数据。该软件的特点：（a）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。（b）支持主流单片机系统的仿真。（c）提供软件调试功能。（d）具有强大的原理图绘制功能。54前置放大电路调试与分析在对前置放大电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，幅度为-2+2mV，设定频率为10Hz，将差分输入端一端接地，利用示波器观察输入输出波形。如图5.1所示。从图5.1可以看到，信道B为输入信道，信道A为输出信道。输出通道的幅值为15.64 mV，可以计算出放大倍数为： （5.1）通过计算，可以认为仿真结果与设计要求基本符合，从图5.1可以看出，前置放大电路的效果比较理想，满足设计要求。图5.1前置放大电路输入输出波形55滤波电路调试与分析5.5.1低通滤波器调试与分析首先用波特仪来对低通滤波器进行通频带仿真。如图5.2所示，通过波特仪可以看到，当衰减为-3dB时，截止频率约为102.56Hz，基本满足设计要求。图5.2低通滤波器频带仿真在对低通滤波电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，设置其幅度为-2+2mV，设定频率为10Hz，利用示波器观察输入输出波形。如图5.3所示。可以看到，输入幅度为-2+2mV的方波信号时，输出的波形在方波的开始端出现略微的失真，其中，信道A为输入信道，信道B为输出信道。总体来讲，信号通过低通滤波器后，可以认为没有产生失真。波形的幅度也没有发生较大的放大或减小，在误差范围内，可以认为信号通过该低通滤波器后，波形、幅度没有发生变化，符合设计要求。图5.3低通滤波电路输入输出波形仿真5.5.2 高通滤波器调试与分析在对高通滤波电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，设置其幅度为-2+2mV，设定其频率为10Hz，利用双通道示波器观察其输入输出波形。如图5.4所示。可以看到，输入幅度为-2+2mV的方波信号时，输出的波形比输入的波形略有向上的移动，其中，信道A为输入信道，信道B为输出信道。总体来讲，信号通过高通滤波器后，可以认为没有产生失真。波形的幅度也没有发生较大的放大或减小，在误差范围内，本次设计可以认为信号通过该高通滤波器后，波形、幅度没有发生变化，符合设计要求。图5.4高通滤波电路输入输出波形仿真用波特仪对高通滤波器进行通频带仿真。如图5.5所示，通过波特仪可以看到，当衰减为-3dB时，截止频率约为0.065592Hz，基本满足设计要求。图5.5高通滤波器频带仿真5.5.3 带阻滤波器调试与分析在对带阻滤波电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，设置其幅度为-2+2mV，设定频率为10Hz，利用示波器观察输入输出波形。如图5.6所示。可以看到，输入幅度为-2+2mV的方波信号时，输出的波形在方波的上下出现略微的浮动，波动很小，其中，信道A为输入信道，信道B为输出信道。总体来讲，信号通过带阻滤波器后，可以认为没有产生失真。波形的幅度也没有发生较大的放大或减小，在误差范围内，可以认为信号通过该带阻滤波器后，波形、幅度没有发生变化，符合设计要求。图5.6带阻滤波电路输入输出波形仿真可以用波特仪对带阻滤波器进行通频带仿真。如图5.7和图5.8所示，通过波特仪可以看到，当衰减为-3dB时，截止频率分别为46Hz和54Hz，通过计算，可以得出带阻宽。图5.7带阻滤波电路阻带截止频率图5.8带阻滤波电路阻带截止频率从图5.9中，可以看出，当频率为50 Hz左右时，电路衰减值最大，衰减深度约为19.18dB,基本符合设计要求。图5.9衰减深度仿真至此，通过分析，可以认为设计的带阻滤波电路符合设计要求。56主放大电路调试与分析在对主放大电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，设置其幅度为-16+16mV，设定频率为10Hz，利用示波器观察输入输出波形。如图5.10所示。可以看到，输入幅度为-16+16mV的方波信号时，输出的波形为-2+2V的方波信号，通过计算，可以得到： （5.2）可见主放大电路的设计与设计要求相符。前置放大电路实现了将信号放大8倍，主放大电路实现了将信号放大125倍，一共将信号放大了1000倍。图5.10主放大电路输入输出波形57同相加法器电路调试与分析在对同相加法器电路进行仿真时，可以将方波作为输入信号，在信号发生器中设置其幅度为-2.5+2.5V，设定频率为10Hz，利用示波器观察输入输出波形。如图5.11所示。可以看到，信道A为输入信道，当输入幅度为-2.5+2.5V的方波信号时，输出通道B输出的波形为0+5V的方波信号。可见，同相加法器的设计基本符合设计要求。 图5.11同相加法器电路输入输出波形58显示电路调试与分析结合软件，可以在PROTEUS软件中仿真，得到心电信号的波形。由于条件有限，在本次设计中，并没有采集真正的心电信号，可以采用PROTEUS软件中的信号源作为输入端，让信号源分别输出正弦波、方波、三角波和锯齿波，通过ADC0808的采集经过单片机处理和分析最后显示在液晶屏上。图5.12为在仿真时显示的正弦信号。通过键盘电路，在仿真中可以看到信号的幅度和周期都可以相应的增加和减少。按下X轴减少键后，显示的波形如图5.13所示，说明键盘电路的X轴控制是成功的，再按下X轴增加键，可以恢复到图5.12所示波形。按下Y轴减少键，显示的波形如图5.14所示，再按下Y轴增加键，也可以恢复到图5.12所示波形，说明键盘电路的Y轴控制也是成功可行的。通过选择信号发生器上输出的波形，可以输出如图5.15所示的三角波，如图5.16所示的锯齿波和如图5.17所示的方波。至此有理由认为，如果输入的是心电信号，也可以再液晶屏上显示出来。可见，本次设计的显示电路是可行的，软硬件的调试都可以通过，可以认为满足设计要求。图5.12显示正弦信号图5.13按下X轴减少后的正弦信号图5.14按下Y轴减少后的正弦信号图5.15显示三角波信号图5.16显示锯齿波信号图5.17显示方波信号结 论本次毕业设计的题目是基于单片机的心电监测系统设计。在本次毕业设计中，通过查阅资料和设计仿真完成的主要工作有以下几点。首先，通过查阅文献资料，了解了当前心电图仪的发展情况，以及心电图仪的发展方向和目前遇到的困难。再次，学习研究了心电图从信号采集到信号调理最终通过单片机控制显示在液晶上这一系列过程，并设计了心电图采集、放大、滤波和显示这些过程对应的电路图。最后，通过仿真软件，理论上验证了设计的心电图仪可以监测心电信号。本次毕业设计是简易的心电图的测量，心电图仪还有很大的发展空间，心电图仪不是仅局限于信号的采集和显示，随着通信技术和集成电路的发展，心电图仪还将向着小型化，低成本，便携带和移动通信方向发展。相信在不久的将来，心电监测将会更好的服务于人们的生活，心血管疾病会得到更加有效的预防和治疗。致 谢在本次设计完成之际，我由衷地感谢关心、指导、帮助和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。通过本次毕业设计，我综合的运用和检验了自己在大学本科阶段学习的知识，我从中学到了很多东西。特别感谢老师在教学之余为我讲解课题的要点，引导我的设计思路。她对学生认真负责的态度让我由衷地敬佩。她在毕业设计上对我的悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。付老师渊博的知识、认真的工作态度、诲人不倦的教师风范，都使我受益匪浅。同时，还要感谢老师在论文修改过程中给予我的帮助和指导，老师对于我的论文格式的讲解和修改提供了许多有用的帮助。感谢这大学四年来给予我帮助的同学们，正是你们的帮助让我度过了有意义的四年。感谢母校在大学四年中对我的培养及关怀。最后，再次对这四年来帮助过我的每一位老师、同学和朋友致以最真诚的感谢和最美好的祝愿！参 考 文 献1 温全具有USB接口的便携式心电监护仪的设计D安徽：合肥工业大学，20092 王林泓动态心电信号分析系统的研究D重庆：重庆大学，2002 3 周润景，徐宏伟，丁莉单片机电路设计、分析与设计M北京：机械工业出版社，20104 宋健便携式心电图仪存储与控制模块设计与实现D北京：北京交通大学，20085 兰吉昌. 单片机C51完全学习手册M. 北京：化学工业出版社，20096 张宏瑞单片机原理及应用M北京：清华大学出版社，20087 龙脉工作室单片机C语言入门M北京：人们邮电出版社，20088 邹逢兴集成模拟电子技术M北京：电子工业出版社，20059 许缪，王淑英，等电器控制与PLC控制技术M. 北京：机械工业出版社，200510 韩广兴电子元器件与实用电路基础M北京：电子工业出版社，200511 王振红，张常年综合电子设计与实践M. 北京：清华大学出版社，200512 赵家贵电子电路设计M北京：中国计量出版社，200513 臧春华电子线路设计与应用M北京：高等教育出版社，200414 Lance Hammond，Basem ANayfehA singlechip MultiprocessorJIEEE Computer Society Press Los Alamitos, 1999, 30(9)：8810015 赵新民. 智能仪器设计基础M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.16 蒋辉平，周国雄. 基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例M北京：机械工业出版社，2009. 17 石长华. 51系列单片机项目实践M. 北京：机械工业出版社，201018 彭为，黄科单片机典型系统设计实例精讲M北京：电子工业出版社，200619 黄宛临床心电图学M北京：人民卫生出版社，199820 周玉珍简明心电图手册M北京：人民军医出版社，200221 王铁流，吴丹丹，李成基于C8051F320 USB接口的数据采集存储电路J电子产品世界，2006，16(12)：10110322 林家瑞生物医学数字信号处理M武汉：华中科技大学出版社，2001附录A：系统总电路图图A1Multisim 仿真总电路图图A2Protues仿真总电路图附录B： 程序代码需要者联系QQ1090012504