毕业论文：基于avr单片机心电图仪的设计

毕业论文：基于avr单片机心电图仪的设计内容摘要：

理流程为：通过电极提取心电信号，经过放大、滤波等处理后送入 ATmega128 进行 A/D 转换，通过软件滤波处理后得到光滑、正确的心电信号数据，通过 TFTLCD 实时显示波形，并可以进行数据存储和数据上传。 上位机是一个数据接收系统，能够完成信号的接收、分析、显示及其他处理。 ATmega128 单片机的介绍 单片机系统用于接收心电图信号处理电路传送来的 05V电压信号 ,把模拟电压信号变换成数字信号 ,并对信号进行处理后以图形的形式在 LCD液晶显示器上显示 , 并且把测量的心电图信号通过自身的串行口传送出去。 单片机应具有低电压、低功耗的特点 ,一般 8位单片机能够满足要求。 LCD液晶显示器采用点阵式图形显示器 , 128 64点阵的液晶 显示器基本能完整地显示心电图的波形 ,由于该种类型的 LCD液晶显示器本身带有驱动器 , 因此单片机可以方便地进行。 微处理器的选型 MCU 的选择主要从以下四个方面来考虑： (1)MCU 在整个系统中的所承担的任务复杂程度：在本设计中， MCU 要负责信号的采集、信号的滤波处理、心电波形的显示、数据存储以及通信。 带通滤波电路 主放大电路 电平抬升电路 液晶显示电路 SD卡存储电 路 电源电路 前置放大电路 右腿驱动电路 ATmega128 微处理器 按键电路 电极 电极 电极 9 (2)MCU 的处理速度：本设计中， MCU 在进行滤波处理的同时要实显示出心电波形，在某些情况下还同时要与 PC机进行通信，因此，处理器要有很高的处理速度。 (3)对于整个系统的设计希望尽 可能简化：一个系统中所使用的元器件越多、电路结构越复杂，则系统的出问题的概率越大，可靠性与稳定性越差。 因此在选择 MCU 的时候，希望 MCU 内部集成功能单元越多越好，这样就能简化系统设计，增加系统的可靠性及稳定性。 (4)从控制系统生产成本的角度考虑：在本系统中，由于多试家庭使用及外环境的不确定性因素较多，万一出现设备损坏，希望替换成本越低越好，其 MCU 的成本占了整个系统的一部分，能够降低 MCU 的成本也就能降低系统成本。 综合以上四个方面，单片机的选择主要考量三个因素，一是低功耗，系统尽可能采用普 通电池供电；二是内部资源丰富，可简化电路设计，减少不必要的干扰；三是成本低，作为便携式医疗设备，高性价比是其得以推广的基础。 基于以上因素，本设计采用了 ATMEL公司的 ATmega128作为系统的核心处理器，该处理器可在 ，并具有多达 4K的内部 RAM以及 AD、 SPI等资源，非常适合于本系统的开发。 微处理器的特点 AVR 单片机的主要特点如下： （ 1) 哈佛结构，具备 1MIPS/MHz 的高速运行处理能力； （ 2）超功能精简指令集（ RISC） ,具有 32 个通用工作寄存器，克 服了如 8051MCU 采用单一 ACC 进行处理造成的瓶颈现象。 （ 3）快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。 (4)作输出时与 PIC的 HI/LOW 相同，可输出 40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备 10mA20mA 灌电流的能力。 (5)片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠。 ATmega128 的主要引脚功能 AVR 单片机的主要引脚功能如下： (1)VCC 数字电路的电源。 (2)GND 接地 (3)端口 A(PA7..PA0)，端口 A为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输 10 出缓冲器具有对称的驱动 特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 A 为三态。 (4)端口 B(PB7..PB0)，端口 B为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时 ，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 B 为三态。 (5)端口 C(PC7..PC0)，端口 C为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 C 为三态。 (6)端口 D(PD7..PD0)，端口 D为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电 路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 D 为三态。 (7)端口 E(PE7..PE0)，端口 E为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 E 为三态。 (8)端口 F(PF7..PF0)，端口 F为 ADC 的模拟输入引脚。 如果不作为 ADC 的模拟输入，端口 F可以作为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上 拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若 内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 F 为三态。 (9)端口 G(PG4..PG0)，端口 G为 5位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动 特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电 路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 G为三态。 端口 G也可以用做其他不同的特殊功能。 (10)RESET；复位输入引脚。 超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。 门限时间在P47Table19说明。 低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。 (11)XTAL1，反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。 (12)XTAL2；反向振荡器放大器的输出。 (13)AVCC； AVCC 为端口 F以及 ADC转换器的电源，需要与 VCC相连接，即使没有使用 ADC也应该如此。 使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与 VCC连接。 (14)AREF； REF 为 ADC 的模拟基准输入引脚。 (15)PEN， PEN 是 SPI串行下载的使能引脚。 在上电复位时保持 PEN 为低电平将使器件进 11 入 SPI串行下载模式。 在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他功能。 信号采集电路设计 有前面讨论 可知 ,心电信号是一种低频率的微弱双极性信号，极易受到干扰而导致信号失真，必须设计合理的调理电路，尽可能的去除干扰以提取有用的信息，为后面的处理电路提供可供采集和分析的信号源。 对提高整个系统的可靠性和稳定性有重要意义。 导联通道的选择 在前置放大前级采用类比多工器 ADG609,考虑到一般生理信号都属于差动式 【 9】 的，而 ADG609 的类比信号的输入范围介于 Vss 与 Vdd 之间，且有四个切换对，可以很轻易地经由 ATmega128 的设定来更改切换的频率，除此之外还具有快速切颀时间（ Ton75ns max*Toff45ns max）、低启动阻抗、低消耗功率，以上这些特性都符合此设计的要求。 ADG609 的真值表如 3－ 1所示： 表 3－ 1 ADG609的真值表 AL A0 EN 通道选择 X X 0 NONE 0 0 1 1 0 1 1 2 1 0 1 3 1 1 1 4 差分运放的选择 前置放大电路要完成的功能是实现信号的差分放大，该部分电路在整个采集电路中至关重要，因为后续信号的处理都是以此为基础的。 因此要选择一款合适的差分运放芯片。 选择时一般考虑以下几点： (1) 增益由于心电信号非常微弱 ,均值在 1mV左右 ,而采集电压一般要达到 1V左右 ,所以心电放大倍数 1000 倍左右。 一般为了抑制零点漂移，提高共模抑制比 ,应该分多级实现放大。 (2) 频率响应所谓频率响应是指放大器对不同信号频率的反应，心电信号的范围低于100Hz,所以要求放大器要对此频率范围的信号尽可能不失真的放大出来。 可以设计高通、低通滤波器来压缩频带 ,滤除该频带以外的干扰信号。 必要时还需要设计 50Hz 工频 12 干扰抑制电路 ,通过这样处理后，得到的信号才可能有诊断价值。 (3) 共模抑制比电极 不对称、电气设备运行时的干扰都易产生极化电压，然后通过放大电路其值极有可能远比心电信号大得多，从而将微弱的信号淹没。 因此要求放大器有很高的共模抑制比。 一般要求要达到 80db 以上。 (4) 输入阻抗心电信号是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高输入阻抗才有可能不失真的引出心电信号，不然由于分压的因素，会极大的衰减心电信号，从而导致无法正确采集。 (5) 低噪声、低漂移 在心电放大器中，还有两个较重要的参数即噪声和漂移。 在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，提高输入阻抗。 另外，温漂会引入直流电压增益从而给心电信号带来干扰。 因此，选用的放大器要特别注意这两个参数。 前置放大电路 心电信号为一差动式信号并且小于 4mV,通常信号会先经过第一级的适当放大后 ,再经过高低通滤波器 ,采用分级放大的原因是为了避免直流偏压经过放大后 ,造成后级的电饱和 ,而使放大后的信号产生失真 .因此为了避免放大器饱和 ,在这一级的放大增益应该小于 30, 一般说来作为前级放大单元必须具有高输入阻抗 .高共模斥拒比等基本特性 ,在这里我们采用了低功耗 ,高精度的仪表放大器 AD620, AD620 输入端采用超β处理技术，具有低输入偏置电 流、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达 130dB，非常适合作为医疗仪器前置放大器使用。 其增益可调（范围约 1～1000 倍），并可由公式 : G＝ 1+(51+51)/15= 来确定。 为防止前置放大器工作于饱区和或截止区，其增益不能过大。 试验表明： 10倍左右效果较好。 因此 ,我们采用了此方案。 13 U4OP073281674 5AD620R5R3R4R2R1C1保护隔离+5V5VRARLLA 图 3－ 2 前置放大电路图 后级放大电路 通过 AD620前置放大后的信号还是很微弱，采用精 度较高的 OP07 对信号进行后级放大。 后级放大电路采用二级同相放大电路，如图 33所示。 放大倍数由反馈电阻 R6。