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目前， 國內各大醫療器械廠和科研單位都在心電監測系統的開發上投入了大量的資源，并且都開發了各具特點的心電監測系統產品。電子醫療技術的突飛猛進以及臨床醫學的相互促進，已經出現了各種各樣的心電監測產品，常見的有床邊心電監測、動態心電監測、電話心電監測和天線心電監測等。
對于心電信號的采集，采用標準導聯方式進行采集。心電信號是一種微弱的電信號，要先利用前置放大電路將信號放大 8 倍。由于人體信號源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設計一個補償電路。對于放大以后的信號，讓它通過濾波電路進行濾波。 心電信號中存在 0.05Hz 以下的頻率信號、 105Hz 以上的頻率信號和 50Hz的工頻干擾信號，需要讓心電信號依次通過低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，經過濾波電路以后的信號變的比較干凈。然后為將心電信號放大到伏特級別，讓其通過一個主放大電路。同時，為了便于單片機和ADC0808 的信號采集和處理，可以讓心電信號通過一個加法器電路，將波形提升到 0V 以上。然后通過顯示電路讓經過單片機處理的信號顯示在液晶屏上。整個系統的結構圖如圖1 所示。
圖1 系統結構圖
心電信號采集電路的設計
臨床上心電信號主要從體表收集， 檢測時將測量電極安放在體表相隔一定距離的兩點，電極通過多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監護儀的放大器相連，測量出電極在體表的電位差就是心電信號，描成曲線就是心電圖。在測定心電信號波形時，電極安放的位置以及導線與放大器連接的方式，稱為心電儀的“導聯”。
標準導聯直接把兩個肢體的電位加到心電放大器的輸入端， 所描述的波形即為兩點電位差的變化。
標準Ⅰ導聯：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-） ，左臂（LA）接放大器同相輸入端（+） ，右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點。
標準Ⅱ導聯：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-） ，左腿（LL）接放大器同相輸入端（+） ，右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點。
標準Ⅲ導聯：左臂（LA）接放大器反相輸入端（-） ，左腿（LL）接放大器同相輸入端（+） ，右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點。本課題采用標準Ⅰ導聯方式，右腿（RL）的參考電極連接補償電路。
圖2 信號采集電路輸入端示意圖
在本次的設計中，采用標準Ⅰ導聯方式，即如圖2所示，IO1 端作為參考電極接右腿，IO2 端接左臂，IO3 端接右臂。
前置放大電路的設計
本設計中的前置放大電路采用集成儀表放大器 AD620。因為本次設計所要處理的電信號比較微弱， 而且對其波形質量要求較高， 要求具有高輸入阻抗， 高共模抑制比，低噪聲和低漂移。 所以在本次設計中可以選用集成儀表放大器 AD620 來進行前置放大電路的設計。
AD620 芯片簡介
AD620 內部由三個放大器共同組成，其引腳圖如圖 3 所示。在使用中，芯片 1、8 腳接 Rx，4、7 腳接正負相等的工作電壓，2、3 接輸入的弱電壓信號，6 腳為輸出引腳，5 腳為參考基準。
圖3 ?? AD620管腳圖
本設計可以通過調整 Rx 的大小來調整 AD620 的增益值， 其增益可以通過公式1進行計算。
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AD620 增益范圍是 1～1000。它具有低耗電，精確度高，低噪聲，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小，具有較高的共模抑制比，調節方便等特點。該芯片可提供的最大電流為 1.3mA 的電流。適用于 ECG 測量、醫療器件、壓力測量、信號采集等場合。
前置放大電路設計
如圖 3.3 所示，差分輸入端 IO2、IO3 分別接標準Ⅰ導聯的正負輸入端，R1、R4 、R5 共同決定放大電路的放大倍數。
在整體的電路工作中，因為心電信號比較微弱，所以要求放大 1000 倍左右。但是，根據小信號放大器的設計原則，前級的增益不能設置太高，因為前級增益過高將不利于后續電路對噪聲的處理， 在本次設計中， 可以要求前級電路放大 8 倍以便于后面對心電信號進行處理。
圖4? 前置放大電路
濾波電路的設計
低通濾波器電路的設計
為了濾除 105Hz 以上的干擾信號， 需要設計一個截止頻率為 105Hz 的低通濾波器。本設計可以采用有源低通濾波器，根據學過的濾波器知識，先確定低通濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為 105Hz。在這次設計中，可以采用的運算放大器為 OP07，設計的電路圖如圖5所示。
圖5? 低通濾波器電路圖
高通濾波器電路的設計
為了濾除 0.05Hz 以下的干擾信號， 需要設計一個截止頻率為 0.05Hz 的高通濾波器。本設計可以采用有源高通濾波器，根據學過的濾波器知識，先確定高通濾波器的大致形式，然后通過計算確定濾波器選用的電阻、電容值，確定截止頻率為 0.05Hz。在這次設計中，可以采用的運算放大器為 OP07，設計的電路圖如圖6所示。
圖6? 高通濾波器電路圖
ADC0808 轉換電路的設計
ADC0808 芯片簡介
ADC0808 是采樣分辨率為 8 位的、 以逐次逼近原理進行模/數轉換的器件。 其內部有一個 8 通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進行 A/D 轉換。ADC0808 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖7所示。
圖7? ADC0808管腳圖
ADC0808 各引腳功能如下：
1～5 和 26～28（IN0～IN7）：8 路模擬量輸入端。
8、14、15 和 17～21：8 位數字量輸出端。
22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。
6（START）： A/D 轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復位，下降沿啟動 A/D 轉換）。
7（EOC）： A/D 轉換結束信號，輸出，當 A/D 轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。
9（OE）：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A/D 轉換結束時，此端輸
入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量。
10（CLK）：時鐘脈沖輸入端，要求時鐘頻率不高于 640KHZ。
12（VREF（+））和 16（VREF（-））：參考電壓輸入端。
11（Vcc）：主電源輸入端。
13（GND）：地。
23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。
顯示電路的設計
單片機芯片 AT89C51 簡介
AT89C51 是一種帶 4K 字節 FLASH 存儲器（ FPEROM — Flash Programmable andErasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。其管腳圖如圖8所示。
圖8? AT89C51管腳圖
各引腳功能如下：
VCC：供電電壓。
GND：接地。
P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P0口的管腳第一次寫 1 時， 被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器， 它可以被定義為數據/地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻。
P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。
P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低， 將輸出電流。 這是由于內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
編輯點評：本文簡單介紹了智能醫療健康監測系統心電信號的采集電路設計，心電信號是一種微弱的電信號，要先利用前置放大電路將信號放大8倍。由于人體信號源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設計一個補償電路。對于放大以后的信號，讓它通過濾波電路進行濾波。
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