仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurement自动化技术与应用2004年第23卷第7期
基于单片机的便携式心电监测仪
白霄波,朱峰
(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)
摘要:文章介绍了一个基于单片机的心电监测系统,该系统实现了单片机和LCD代替PC和显示器,系统体积小,且具有实时显示
波形、无创、安全、采样率高、操作简单、设备廉价等特点,因而具有较高临床应用价值。
关键词:心电监测;单片机;LCD
中图分类号:TP2745文献标识码:B文章编号:1003-7241(2004)07-0055-03
TheECGDetectingSystemBasedona
Single-ChipComupter
BAIXiao-bo,ZHUFeng
(SchoolofElectricEng.SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031China)
Abstract:ThearticleintroducestheECGdetectingsystembasedonMicrocontroller.ThesystemusestheMicrocontrollerandLCDin-steadofthePC
anddisplay.Thesystemhasthefollowingfeatures,suchassmallsize、realtime、display、safe、highsamplingfreque-ncy、simpleoperation
andcheapness.Sothesystemhavehighvalueinclinic.
Keywords:TheECGdetecting;Microcontroller;LCD
1引言
目前,以采集心电信号、分析和诊断为主的心电监护系统已
经得到了广泛的应用,对于心脏系统疾病的预防、诊断发挥了很
大的作用[1]。经研究,发现大部分具有以下特点[2][3]:采取前后
端结构,前端是以模拟电路为核心的心电采集系统,后端是以
PC为核心的控制和处理系统,两者之间通过通信端口来进行通
信。然而,这存在以下两大缺陷:一,随着医疗设备向小型化和
便携式的发展,PC和显示器相对而言体积比较大,对于一些特
定的场合(比如病人床边、家中)很不方便;二,价格昂贵,且必须
匹配PC机,这对于一般用户而言难以接受。鉴于以上缺点,我
们自行研制了基于单片机的心电监测系统。该系统具有一下特
点:
(1)操作方便,测量简单,设备廉价,易于推广使用;
(2)测量具有无创、安全、准确、可重复性强等;
(3)可实时显示波形;
(4)高采样频率(每秒高达1000个采样点),高分辨率,无间
收稿日期:2003-12-26断采样和快速传送数据保证信号的不失真再现;
2采样系统
本文采用AT89C51和小型LCD代替PC和显示器
2.1AT89C51的特点[4]
AT89C51是美国ATMEL公司的MCS51系列单片机的一种
通用芯片,具有如下的特点:
(1)与80C51兼容;
(2)具有4Kbytes可重复编程的闪存,可写入/擦除1000次
以上,数据保存10年以上;
(3)操作频率:0Hz~24MHz;
(4)三层可编程的存储器上锁;
(5)128个位组的内部数据存储器;
(6)32条可编程的I/O线;
(7)2组16位定时器/计数器;
(8)6个中断源(5个向量源);
(9)可编程的串行通道(本系统不用);
(10)低功率停顿和功率下降模式;55TechniquesofAutomation&Applications|自动化技术与应用2004年第23卷第7期仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurement
2.2系统硬件设计
本系统的硬件结构如图1所示,首先从被测对象提取微弱
的心电信号,滤除干扰信号后进行放大,把取得的模拟信号送入AD转换器,通过单片机控制进行定时采样,并把数据及时送给
LCD显示。该系统主要有一下几个模块。
图1系统框图
2.2.1模拟电路模块
该模块主要包括一下几个方面的内容:
(1)采用单导联三电极方式,左右手为差动输入,右腿提供
共模驱动信号。前置放大电路采用ADI公司的AD620仪表放大
器,该放大器共模抑制比高,低噪声。为了确保AD620低噪声性
能,需要在AD620的1脚和8脚之间接一精密电阻构成需要的
增益。基本电路如图2所示。
图2前置放大电路
(2)电极和患者的皮肤直接接触,其接触的密切程度不同会
产生较大的极化电压,而引起基线漂移现象,因而需要RC抑制
极化电路;同时为防止由于干扰而产生的脉冲电压对电路损坏
需设计特异处理电路。
(3)干扰措施:测量系统中不可避免的会串入外部的干扰信
号,特别是50Hz的工频干扰,在输入电路中采用三运放够成
50Hz的带通滤波器,把得到的信号反相加到原信号上,这样就
滤去了50Hz的干扰分量,经实测对50Hz信号的衰减可达到
80db。
(4)低通滤波器和电位提升:一般而言,人体的大部分心电
信号分布在零点几赫兹到35Hz之间,因此低通滤波电路的截止
频率设计在100Hz;为了和后面的A/D模块单端输入相匹配,进
行必要的电位提升,使得心电信号的电平在0电位以上。
2.2.2数字电路模块
从滤波器输出的信号经过电平迁移电路与钳位电路使幅值
输出限制在0~5V的范围内。至此,对信号的模拟处理已经完
成,在A/D转换器的输入端得到幅值适当、波形清晰的心电信
号。
本系统对信号进行数字化处理的分辨率定为8位。8位的
分辨率能满足计算精度的要求,而8位数据由于正好是一个字
节,所以处理起来很方便。设计中,采用8位串行接口A/D转换器TLC0832芯片进行信号的A/D转换,该芯片由CMOS工艺
制成,功耗低,体积小,符合本系统的要求。
经过A/D转换的数字信号送入单片机进行分析处理,并将
波形显示在液晶屏上。本系统采用内置T6963C控制器型液晶
显示模块,其驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C及其周
边电路、行驱动器、列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。
T6963C是日本东芝公司的产品,它不仅具有基本的文本显示和
图形显示功能,而且还具备文本属性显示功能。T6963C与计算
机接口部分由指令锁存器、数据锁存器、数据缓冲器、状态寄存
器以及数据控制电路、数据栈区等组成,它们用于接收计算机信
息以及向计算机发送信息和显示数据。如图3给出了单片机和
液晶显示模块的接口电路。
图3单片机与液晶显示模块接口电路图
3嵌入式软件的设计
嵌入式软件主要完成对实时采样以及及时的送数据给LCD
进行显示。为了达到实时的目的并且又不失真地再现ECG信
号,采取每采一个数据就显示一个数据的方法;数据的采样在中
断中实现,即每隔1ms就进入定时器中断进行采样,采样完成后
进入显示数据主程序。其程序流程图见图4、图5:
(1)采样频率的设定:关于心电记录的很多仪器其采样频率
一般都在200/秒,为了真实地再现信号和进行精确的测量,我
们把采样频率提高到1000/秒,并且是不间断采样,这样的优点
是任何时刻的数据都没有丢失。
(2)中断方式:对模拟信号每隔1ms就进行一次采样,我们56|TechniquesofAutomation&Applications仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurement自动化技术与应用2004年第23卷第7期
采用的是定时器中断的方式,应注意的是进入中断程序时需要
关闭中断控制器,以免产生多个中断而引起紊乱。
图4主程序
4结束语
本文设计的心电监测系统,使得心电的采集、显示能够集成
于一体,而且系统体积小,便于携带,具有一定的推广价值,经实
验取得了很好得效果。如果结合其他一些分析方法,并采用浮
点DSP,完善系统的功能,
则可以提高处理能力和准确度。图5中断子程序
5参考文献:
[1]王保华.生物医学测量与仪器[M].上海:复旦大学出版社[2]章治国,等.心率变异的研究和自主神经分析仪的研制[A].2002年生物电磁学学术研讨会[C].2002:72-74[3]王晋,等.便携式血压与血管硬度测量仪的研制[A].2002年生物电磁学学术研讨会[C].2002:95-97[4]薛栋粱.MCS51/151/251单片机原理与应用(二)[M].北京:中国水利水电出版社,2001
作者简介:白霄波(1979-),男,陕西延安人,硕士研究生,研究方向为生物电磁场。
(上接第51页)
3结论
本文根据铝电解槽阳极状态的特性,运用数字滤波、模糊数
学故障诊断技术,对铝电解槽阳极工作状态进行研究,提出了针
对于铝电解槽阳极工作状态故障的诊断方法,并开发出了相应
的故障诊断系统。同时在大量的数据统计基础上,基于铝电解
槽阳极预报的常用方法,提出了一种新的阳极预报方法,实验证
明此方法简单易行,在一定程度上提前了阳极效应预报的时间,
并可减少漏报率和误报率,由此可见本系统具有良好的应用前
景。4参考文献:
[1]戚喜全.铝电解槽阳极三维电场数值计算与分析[J].轻金属,2003,(11):35-38[2]王江萍.机械设备故障诊断技术及应用[M].西北工业大学出版社,2001.8[3]丛望,等.船舶电力系统的故障诊断专家系统设计[J].自动化技术与应用,2002,21(1):23-25[4]吴今培.模糊诊断理论及其应用[M].科学出版社,1995,6[5]李界家.铝电解生产过程中阳极效应预报新方法研究[J].轻金属,2002,(5):59-62
作者简介:李春艳(1977-),女,黑龙江省巴彦县人,北方工业大学检测技术与自动化专业研究生,研究方向:检测技术与故障诊断。
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