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单片机心电信号数据采集系统的设计答辩(一)

2013-06-10 01:04 尊敬的各位评委老师，大家下午好，我叫   ，是自动化031班的学生，我的题目是：单片机心电信号数据采集系统的设计。
首先，我先简单介绍一下本设计的意义。
心血管疾病是人类生命的最主要的威胁，而心电信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此，实时检测病人的心电活动，设计信号采集系统具有非常重要的意义。
下面我开始介绍我的硬件电路设计。
首先介绍一下系统原理框图。
系统主要由前置放大电路，导联脱落检测电路，带通滤波电路，光电隔离电路，主放大电路，50赫兹掐波电路，35赫兹掐波电路，电平抬升电路，A/D转换电路，单片机处理电路以及液晶显示电路等几部分组成。
下面我介绍一下各部分的功能。
首先，前置放大电路的性能指标决定了整个电路的输入特性，而由于心电信号的频率低，信号弱，变化慢等特性，因此，需要前置放大具有高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声等条件，针对以上的特点，选用了美国AD公司生产的AD620放大器，它具有高输入阻抗，低输入偏置电流，低噪音，低功耗等特性，很适合作为本设计的放大器，
AD620参数：CMRR为140DB，输入阻抗为10G欧，输入偏置电流小于2.0NA，工作电流为1.3MA。其可调增益1—1000倍，并可由公式                      来确定。使用时只需在1脚和8脚间接一电阻RG即可设置所需要的增益。
需要注意的是RG必须选用精密电阻。在此取5千欧。
 通过U3 可将R2、R3 上的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层,以消除分布电容,提高输入阻抗和共模抑制比。U4、R5、R6、C1 构成的“浮地”驱动电路可将人体共模信号倒相放大后用于激励人体右腿,从而降低甚至抵消共模电压,以达到较强抑制50Hz 工频干扰之目的。U1、U2 主要用于稳定输入信号和提高输入阻抗,进一步提高共模抑制比。 （转载自中国科教评价网www.nseac.com ）
电极脱落检测
 由于此系统应用于人体日常生活中，人体常常处于活动状态，这样输入电极很可能脱落，从而是系统不能正常工作。为此，设计了导联电极脱落检测电路如图3.3
所示。
 正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互相抵消。当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，通过一个比较器，当比较电压超出范围时，认为电极导联脱落，此时输出电平由正常时的高电平变为低电平，下级三极管导通，蜂鸣器发声报警。
 光电偶合电路的作用是为了进一步滤除干扰。
  带通滤波及主放大电路
 如图3.6 所示, 带通滤波由双运放集成电路OP2177 构成。OP2177 具有高精度、低偏置、低功耗等特性, 片内集成了两个运放, 可灵活组成各类放大和滤波电路。由于心电信号频带主要集中在0. 05～100Hz 左右, 频带较宽, 为此, 采用OP2177 的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波。其中, U6A、C6、C7、R8、R9 构成高通滤波器,为不损失心电信号的低频成分, 其截止频率设计为f = 1/ [ 2π( C6C7R8R9) 1/ 2] =0. 03Hz。U6B、R10、R11、C8、C9 构成低通滤波器,同样,为不损失其高频成分, 截止频率设计为f =1/ [ 2π( C8C9R10R11) 1/ 2] = 130Hz。主放大电路由OP1177(U7) 、R12、R13 构成。考虑到心电信号幅度约为0～4mV, 而A/ D 转换输入信号要求1V左右, 因此, 整个信号电路的放大倍数需1000 倍左右。而前置放大约10 倍左右,因此本级放大倍数设计为100 倍左右,即G= 1 + R12/ R13≈100。
掐波及电平抬升电路
选用了BB（Burr-Brown）公司的UAF42，只需通过外接合适的外部电阻便可方便地实现陷波功能，同时可以克服以往陷波电路的电容电阻的匹配和损耗问题。
 另外：人体肌电随着个体的差异也会对心电信号造成不同程度的干扰；时甚至淹没心电信号,因而有必要加以抑制。研究表明,肌电干扰主要集中在35Hz 左右，为此，本系统还设计了图3.7所示的35Hz的无限增益多路反馈型二阶陷波器。该二阶陷波器由U10A、U10B 构成。其截止频率约为35Hz ，可符合实际要求。经过一系列信号调理后，陷波输出的心电信号为交变信号，而本系统中单片机内置ADC 转换输入电压范围为0～3.3V，因此，在送入ADC 之前还需进行电平抬升，在图3.7电平抬升部分由U11、R42、R43、R44 构成。
单片机的选择
 单片机作为数据采集系统的核心部分，在本系统的设计中占有举足轻重的地位。