基于HOLTEK MCU的心電儀遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

王曉勤+郜發(fā)磊

摘 要：目前的心電監(jiān)測系統(tǒng)為心臟病人診斷和治療提供了一個(gè)有效的手段。但是由于設(shè)備昂貴、系統(tǒng)拓展性差；心電波形辨認(rèn)的專業(yè)性強(qiáng)等原因，不適合一般人使用。本文討論了一種基于HOLTEK MCU利用紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135進(jìn)行體溫檢測顯示；利用LED和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警；借助可靠、成熟的移動通信網(wǎng)絡(luò)，提出了以最直觀的中文短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警的方法。

關(guān)鍵詞：HOLTEK MCU；心電儀；傳感器；遠(yuǎn)程控制

0 引言

伴隨著生活水平的增高，人們對健康就有了很高的要求。心臟疾病已成為危害人類健康和生命的主要疾病之一，目前的心電監(jiān)測系統(tǒng)為心臟病診斷和治療提供了一個(gè)有效的手段。但是由于設(shè)備昂貴，系統(tǒng)拓展性差，心電波形辨認(rèn)的專業(yè)性強(qiáng)，不適合一般人使用[1]。為了減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)及更好地了解自己的身體狀況，我們設(shè)計(jì)了具有ECG顯示、體溫顯示及應(yīng)急遠(yuǎn)程報(bào)警心電信號檢測功能的顯示儀。本設(shè)計(jì)特點(diǎn)基于HOLTEK MCU集心電信號顯示及體溫檢測為一體，并能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警，操作簡單，使用者無需專業(yè)知識便可知道自己的身體情況是否健康，便于普通家庭使用。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)主要分為三部分：其一，心電信號的采集與顯示；其二，利用紅外熱電堆溫度傳感器ZTP135進(jìn)行體溫檢測顯示；其三，利用發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，借助可靠、成熟的通信網(wǎng)絡(luò)，以短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)主要有HT46F49E單片機(jī)[2]、TC35I通信模塊、鍵盤輸入模塊、液晶屏、溫度傳感器ZTP135、AT24C02存儲器及聲光報(bào)警器等。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)收集主要是人的體表溫度。測量過程中，在人體的體表安放一個(gè)探頭，通過導(dǎo)線接到心電儀的放大器上，通過電位差值的大小就知道人體心電信號，從而還原成心電曲線圖。測量時(shí)在人體的手或腳內(nèi)側(cè)面貼上探頭，為了保證測量的準(zhǔn)確性，我們對測量探頭規(guī)定表示符號和導(dǎo)線的顏色。

本設(shè)計(jì)采用如下導(dǎo)聯(lián)方式：

（1）LA：放大器同相輸入端 （+）；

（2）RA：放大器反相輸入端（-）；

（3）RL：放大器的參考點(diǎn)（0）。

3 前置放大電路的設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娦盘柌粌H微弱，且對其波形清晰度要求也頗高，所以應(yīng)該具有輸入阻抗較高、共模抑制比高、漂移小、噪聲小、非線性度小，合適的頻帶及一定動態(tài)范圍等特點(diǎn)。因此選用AD620集成儀放大器。

4 系統(tǒng)濾波電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，需要通過0.05Hz以上、105Hz以下的電波，且不能通過50Hz的干擾波。所以必須要用到低通、高通及帶阻濾波器[3]。

（1）低通濾波器的設(shè)計(jì)

為使濾波更好，其一，設(shè)計(jì)用二階濾波電路，在能得到同樣的數(shù)據(jù)指標(biāo)下，采用電路結(jié)構(gòu)較為單一的濾波器，如用濾波Sallen-Key電路，但是在模擬仿真時(shí)，濾波效果與多重反饋型濾波電路具有一定差距，所以這里最終選擇多重反饋型LPF。相比于Sallen-Key電路，多重反饋型濾波電路的高次諧波要小一些，而且高頻衰減特性要好一些。

（2）高通濾波器的設(shè)計(jì)

截止頻率為0.05Hz的低通濾波器的加入，促使心電信號的有用信號通過，濾除低于心電頻率的信號干擾，為了達(dá)到好的濾波效果，在設(shè)計(jì)上使用高通多重反饋型濾波電路，但電路仿真后效果卻沒有增益為1的Sallen-Key高通電路，所以最終使用Sallen-Key電路。連接方式為Sallen-Key電路使用反饋輸入端直接輸出端反饋，如此電路可達(dá)到增益為1的高通濾波效果。

（3）帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

指標(biāo)要求，加入陷波器以消除50Hz工頻干擾。在帶阻濾波器的選型上，為了達(dá)到較好的效果，考慮電路結(jié)構(gòu)的簡略化，選用具有雙T正反饋的電路。雙T電路被廣泛地應(yīng)用在零值網(wǎng)絡(luò)中，由于Q值始終保持在1/4，可通過引入正反饋來消除。

（4）加法器與主放大電路的設(shè)計(jì)

由于心電信號十分微弱，所以在信號采集之后，我們設(shè)計(jì)了一級前置放大電路，但其放大倍數(shù)依舊達(dá)不到在LCD上顯示的幅值，所以必須設(shè)置主放大電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸入不支持負(fù)電壓，所以還需要設(shè)置一級加法器電路，以便將負(fù)電壓提到0點(diǎn)以上，為解決實(shí)際電壓的幅值，程序編寫時(shí)要將直流電壓減去檢測到的電壓。為增加放大電路增益，增益值可設(shè)置為1000倍，以促使采集的電壓信號最大為4mV。

5 體溫的檢測

由于人體電阻會對測量帶來一定的誤差，為了保證測量的精準(zhǔn)性和可靠性，在設(shè)計(jì)中主要解決的問題是：信號如何放大、非接觸式測量、環(huán)境溫差等。鑒于此，我們在設(shè)計(jì)中采用了ZTP135傳感器和OP07運(yùn)算放大器，對數(shù)模轉(zhuǎn)換問題及控制系統(tǒng)使用HT46F49E單片機(jī)。

6 鍵盤輸入設(shè)計(jì)方案

為了方便相關(guān)人員現(xiàn)場讀取達(dá)到精準(zhǔn)的測量結(jié)果，我們需要解決的問題是：計(jì)算機(jī)不在外界干擾下工作、上電復(fù)位的準(zhǔn)確度及單片機(jī)I/O口的占用。我們據(jù)此把鍵盤設(shè)計(jì)調(diào)整成矩陣式，在每一個(gè)鍵之后加入水平線和直線且在相交的地方不給予直接相連。如此，我們既解決了端口的占用還可以架構(gòu)成2*2=4個(gè)按鍵，同時(shí)通過顯示屏直觀的還原出現(xiàn)場的體溫度數(shù)和心電信號圖形。

7 LCD液晶顯示屏的設(shè)計(jì)方案

利用液晶顯示屏12864LCD來顯示所檢測的心電信號波形和人體溫度。在鍵盤輸入過程中對所寫入的狀態(tài)進(jìn)行顯示。12864LCD模塊內(nèi)部存儲了字符、字等，還可以用來展現(xiàn)圖形，本系統(tǒng)就是用它來顯示波形。其中1為高電平、0為低電平。

8 存儲部件設(shè)計(jì)方案

為了解決對報(bào)警記錄信息、人體溫度存儲問題，本系統(tǒng)采用了能夠保證掉電數(shù)據(jù)不丟失的片外存儲器AT24C02[3]。AT24C02特點(diǎn)：（1）該芯片是采用了I2C總線的存儲器，大大省掉了MCU端口的引腳與電路板上的布線范圍。（2）AT24C02采用了二線制協(xié)議串行總線（I2C總線）及其傳輸規(guī)約進(jìn)行雙向傳輸，傳輸速度增快。

9報(bào)警系統(tǒng)

由于正常的心電圖波、段、間期與非正常的波、段、間期存在微小的差異，因此醫(yī)生便通過對各波、段、間期的分析來判斷病人的情況。在本設(shè)計(jì)中我們也將對所采集的心電圖形的波、段、間期進(jìn)行分析、比較，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行處理，通過TC35I通信模塊利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程報(bào)警。

10 結(jié)束語

本文以HOLTEK MCU單片機(jī)為主控，接收采集信號和信號處理均由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過判別人體的心電信號是否正常，系統(tǒng)更好地將心電信號和溫度值較為直觀地展示到LCD屏上，使操作者能觀察心電波的變化與體溫變化；若單片機(jī)接收到與正常人體溫度值和心電信號不一致的信號時(shí)，系統(tǒng)控制將通過網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)短消息提示，使用戶無論身在何處，家里人都可以通過短信了解其身體情況，具有一定預(yù)防身體疾病的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊雪.吳水才.張松.白燕萍.家庭心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的新進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床 2006（6） 391-394

[2]張鵬. HOLTEK HT46系列單片機(jī).C語言實(shí)例教程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2010

作者簡介：

王曉勤（ 1980年4月2 日出生），性別：男 ，籍貫：四川省瀘洲市，單位：貴州工程職業(yè)學(xué)院，職稱：副教授 ，研究方向：電路與系統(tǒng).