1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化基于MSP430F149的简易心电图仪设计一、选题的背景与意义课题来源随着生活水平的显著提高，人们对健康的关注越来越高了。无论是饮食、家居环境、生活习惯等方面，还是心理、生理方面的健康，人们都投注了很多的目光，越来越多的人希望能够通过简便的方式知道基本的身体状况。因此各类人体生理监护仪开始出现并呈不断的增多的趋势。心血管疾病是一种常见多发慢性疾病，由于病情隐蔽、发展危险性高等特点，使得心血管疾病成为死亡率最高的疾病之一，为当今社会的第一大健康杀手，及时发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据，但是目前由于心电图仪的应用场合的
2、限制和仪器的价格昂贵，使得病人得不到实时监控，这对病人的病情诊断和治疗是极为不利的。因此，发展一种具有低功耗、便携式、低成本的心电图仪具有重要的意义和广阔的应用前景，其既能够为临床治疗提供有价值的诊断资料，同时对心脏疾病的早期预防和心脏功能的评估也非常有益。国内外研究现状由于心电图已经应用于各个层次的医疗机构的临床和科研中，特别是人们对其的深入认识和广泛用于临床的各个疾病。由于心电图仪的非创伤性和多功能化，使心电图不局限与心脏疾患的范围，而且可用于临床电解质检测，非心脏病的鉴别诊断等。随着人们生活节奏的加快和生活方式的改变，心血管疾病的发病率不断上升，心电图也在今后相当长的时间内更为重要。心电
3、图仪正朝着便携式，低功耗，多通道，数字智能型，网络共享等方向发展。目前国内各大医疗器械厂商和科研单位都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，并且都研发出了各具特色的心电仪产品，但是此类心电图仪还是没有得到很好的普及，究其原因，作者认为存在以下几个方面体积笨重、不便于携带2很难在急求状态下及时进行心电监护工作，而且这些心电图仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一些规模有限的医疗机构或者个人则是沉重的负担，没有得到良好的普及。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、主控模块以TI公司的MSP430F149单片机做一个最小系统，该单片机是超低功耗的微控制器，有活动
4、模式AM和5种低功耗模式LPM0LPM4，可灵活实现低功耗操作；供电电压范围为1836V，能更好的适应电池直接供电，而且内部集成12位ADC。2、心电信号采集处理模块通过电极，将微弱的心电信号通过放大、滤波等处理，最后将模拟信号送入单片机A/D转化成数字量。3、LCD液晶显示在LCD液晶上实时显示心电图。4、存储回放将心电信号存储于单片机，并可手动控制回放心电图。拟解决的主要问题1、低功耗设计（1）系统在睡眠状态时，电池仅向单片机供电，电源芯片停止工作，所有的外围器件均处在断电状态，此时单片机工作在超低功耗的LPM3方式。（2）系统CPU在睡眠时，外部低频晶振依然正常工作，DCO振荡器停止工作
5、，单片机的功耗在1UA以下。系统采用中断唤醒，唤醒后DCO振荡器建立正常工作时间小于6US，远小于外部的晶振的启振时问，这一过程的功耗也远低于外部晶振的启振。对于频繁唤醒的系统节省功耗是非常明显的。（3）MSP430内部集成的模块开启后也消耗电流，尤其是ADC、参考电压以及输出状态的I0口，因此，只有在进入温湿度采集程序的时候，才把ADC和参考电压打开，数据采集完毕后，在ADC中断服务子程序中关闭ADC和参考电压。不使用的I0口的功能设定为输入，需要与外围器件通信时再设定为对应的输出或输入功能。2、心电信号处理选择合适的心电信号放大器，抑制共模干扰，；选择合适的放大倍数，使心电信号在03V之间
6、；设计合适的有源滤波器，使心电图仪的高频响应达到要求；3设计50HZ陷波电路，降低输出噪声。三、研究的方法与技术路线本课题的设计主要包括两个部分硬件设计和软件设计。A硬件设计本课题基于单片机系统的简易心电图仪，可通过电极对心电信号进行检测，通过心电图信号处理电路对信号进行放大、滤波处理，接着通过单片机AD，对心电信号进行采集，最后通过LCD显示回放心电图。系统的硬件整体框图如下所示心电图信号处理电路单片机系统LCD回放显示电极B软件设计本课题拟采用MSP430F149单片机进行处理分析，对采集信号进行即时显示，还可对所测的心电图进行存储，具有回放功能。系统的软件整体框图如下所示主程序开始系统初
7、始化录入键按下执行存储子程序执行回放子程序结束检测扫描按键回放键按下YNYN4本设计能检测人体心电图功能，具有实时测量及显示的功能，可将测得的数据存储于FLASH中，并可回放显示。本设计轻便小巧，功耗低，适合家庭或户外急救等使用。同时，如果能将无线模块集成到该仪器中，可以实现这些心电图的传输，达到对病危病人的远程看护。四、研究的总体安排与进度1、101215101231前期项目准备，资料查找，研究各个芯片的使用方法，电路设计，画出开发板的PCB，基本跑通MS430PF149；2、100101100115制作前级放大电路。3、100116100315总体设计的联调；4、100315100401完
8、成毕业设计制作部分；5、100401100415完成并递交毕业论文及各个文件，准备答辩。五、主要参考文献1童诗白，华成英模拟电子设计基础第三版M北京高等教育出版社，200112沈建华，杨艳琴MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M北京清华大学出版社，200543谢兴红，林凡强MSP430单片机基础与实践M北京北京航空航天大学出版社，200814张晞，王德银MSP430系列单片机实用C语言程序设计M北京人民邮电出版社，200595邓鹏，李刚基于MSP430低功耗便携式心电图仪设计J科技创新导报，2008，366宋武，宋艳丽简易心电图仪的设计J现代电子技术，2009011361387熊正南
9、，陈治贵诊断学M北京北京大学医学出版社，2008098陈新黄宛临床心电图学M北京人民卫生出版社，2008109高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，模拟电子线路设计M电子工业出版社，200705510TEXASINSTRUMENTSMSP430X14XMIXEDSIGNALMICROCONTROLLER200111WINTERBB,WEBSTERJGDRIVENRIGHTLEGCIRCUITDESIGNIEEETRANSBIOMEDENG1983,3062666毕业设计文献综述电气工程与自动化基于MSP430F149的简易心电图仪设计随着生活水平的显著提高，人们对健康的关注越来越高了。无论
10、是饮食、家居环境、生活习惯等方面，还是心理、生理方面的健康，人们都投注了很多的目光，越来越多的人希望能够通过简便的方式知道基本的身体状况。因此各类人体生理监护仪开始出现并呈不断的增多的趋势。心血管疾病是一种常见多发慢性疾病，由于病情隐蔽、发展危险性高等特点，使得心血管疾病成为死亡率最高的疾病之一，为当今社会的第一大健康杀手，及时发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据，但是目前由于心电图仪的应用场合的限制和仪器的价格昂贵，使得病人得不到实时监控，这对病人的病情诊断和治疗是极为不利的。因此，发展一种具有低功耗、便携式、低成本的心电图仪具有重要的意义和广阔的应用
11、前景，其既能够为临床治疗提供有价值的诊断资料，同时对心脏疾病的早期预防和心脏功能的评估也非常有益。由于心电图已经应用于各个层次的医疗机构的临床和科研中，特别是人们对其的深入认识和广泛用于临床的各个疾病。由于心电图仪的非创伤性和多功能化，使心电图不局限与心脏疾患的范围，而且可用于临床电解质检测，非心脏病的鉴别诊断等。随着人们生活节奏的加快和生活方式的改变，心血管疾病的发病率不断上升，心电图也在今后相当长的时间内更为重要。心电图仪正朝着便携式，低功耗，多通道，数字智能型，网络共享等方向发展。目前国内各大医疗器械厂商和科研单位都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，并且都研发出了各具特色的心电仪产品，
12、但是此类心电图仪还是没有得到很好的普及，究其原因，作者认为存在以下几个方面体积笨重、不便于携带很难在急求状态下及时进行心电监护工作，而且这些心电图仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一些规模有限的医疗机构或者个人则是沉重的负担，没有得到良好的普及。心电信号来源于心脏的周期性电活动。在每个心跳周期中，在心脏窦房结细胞内外首先产生电位变化，这种电位将会通过心肌细胞依次通过心肌细胞向心房和心室传播，并在体表不同部位形成依次有规律的电位变化。心电信号主要有以下特点信号弱，信噪比低，它源于人体内部的微弱电信号，它的幅度非常小，属于毫伏级，大约为0055MV；由于心电信号经过金属电
13、极取自人体表面，信号源内阻很大，而且，不同的人，或同一个人自身的差异，会导致阻抗不同，使放大器的输7出结果也会有很大的不同；电磁干扰大，只要是工频的50HZ干扰和其他电磁干扰；心电信号频率主要集中在005100HZ，信号频率较低。放大电路主要由前置放大部分、后级放大部分、滤波电路组成。单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。近几年，电子产品的低功耗设计越来越受到人们的重视。低功耗成为单片机技术发展的一个显著特点，一些大的单片机厂商都推出了自己的低功耗产品。如ATMEL的89C51系列、INTEL的80C31系列、PHILIPS的51LPC系列等。随着现代电子技术的发展，有些厂商为了使系
14、统的功耗进一步降低，已经开始研究超低功耗单片机，如EM公司的低功耗8位FLASH单片机EM812和TI公司的MSP430系列16位超低功耗单片机。MSP430单片机是一种超低功耗的微控制器，可使用电池工作很长时间。MSP430系列是由各种不同的应用模块组合而成的多种型号。MSP430为了实现代码效率最大化，其具有16位的CPU集成寄存器和常数发生器以及16位的体系结构。数字控制振荡器使所有低功耗模式从唤醒到运行模式的唤醒时间小于6US。MSP430单片机具有超低功耗的原因首先它MSP430采用1833V的电源电压。当时钟在8MHZ的时候运行，芯片的电流为200400UA，在时钟管段模式下，最低
15、电流只有01UA；其次，MSP430具有独特的时钟系统设计，具有多个时钟源，包括内部DCO振荡器和外部告诉、低功耗晶体振荡器。CPU和各功能模块所需要的时钟源通过系统时钟模块来产生，时钟源可以在指令的输入下关闭和打开，对总体的功耗实现控制；MSP430单片机具有高效的源程序，其采用精简指令集，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令、大量的寄存器以及片内数据存储器、高效的查表处理指令。MSP430F149是TI公司的MSP430系列超低功耗微控制器中的一种。它有2个16位定时器、8路快速12位A/D转换器、2通道串行同步/异步通信信号接口和48个I/O引脚等构成的微控制器。其
16、特点如下电源电压范围1836V；超低功耗；待机模式16UA；5种省电模式；关闭模式（RAM保持）01UA；活动模式280UA1MHZ，22V；16位RISC结构；快速唤醒模式（6US内待机模式唤醒）；快速的数据处理能力，内部自带硬件乘法器；内部集成看门狗定时器防止程序跑飞；高处理速度，指令周期为125NS；8通用串口支持SCI、SPI模式；多个I/O支持中断模式，满足系统对外部中断的请求；带内部参考、采用保持和自动扫描特性的12位A/D转换器；片内集成模拟比较器；片上集成60KB的FLASH和2KB的RAM同时提供256字节的信息FLASH；参考文献1郭继鸿，张萍，动态心电图学M，北京，人民卫
17、生出版社，2003。2王志禄，王世霞，何昕，简明心电图工作指南M，兰州市甘肃科学技术出版社，201007。3董贾寿，医学器材与管理M，成都市西南交通大学出版社，2006。4史锡腾，李雷，杨东明，等，单片机开发应用实例，基于PC网络心电监测仪设计与制作M，武汉市华中科技大学出版社，200903。5童诗白，华成英，模拟电子设计基础，第三版M，北京高等教育出版社，20011。6高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，模拟电子线路设计M，电子工业出版社，200705。7沈建华，杨艳琴，MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M，北京清华大学出版社，20054。8谢兴红，林凡强，吴雄英，MSP
18、430单片机基础与实践M，北京北京航空航天大学出版社，20081。9张晞，王德银，张晨等，MSP430系列单片机，实用C语言程序设计M，北京人民邮电出版社，200905。10铭正同创，MZL0512864模组编程手册EB/OL,200705。11李智奇，白小平，程晓龙，等，MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计M，西安西安电子科技大学出版社，2008。12TEXASINSTRUMENTSMSP430X14XMIXEDSIGNALMICROCONTROLLER200113WINTERBB,WEBSTERJGDRIVENRIGHTLEGCIRCUITDESIGNJIEEETRANSBIOME
19、DENG1983,3062669本科毕业设计（20届）基于MSP430F149的简易心电图仪设计10摘要【摘要】本设计实现了一款低功耗、低成本且携带方便的基于MSP430F149的简易心电图仪设备。该心电图仪以低功耗单片机MSP430为核心，通过前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路和LCD显示模块使得该仪器具有显示心电图功能及具有存储回放功能。本文围绕简易心电图仪的实现和应用两个方面，首先对心电图仪的基本现状做了表述，接着介绍本设计的前级模拟电路、单片机系统以及软件设计，最后介绍了此设计的应用和发展前景。【关键词】心电图；低功耗单片机；信号处理。11ABSTRACT【ABSTRACT】T
20、HISDESIGNISREALIZEDINALOWPOWERCONSUMPTION,LOWCOSTANDCONVENIENTTOCARRYELECTROCARDIOGRAMINSTRUMENTEQUIPMENTWHICHISBASEDONMSP430F149THEELECTROCARDIOGRAMINSTRUMENTUSETHEMSP430LOWPOWERCONSUMPTIONMCUASTHECORE,THROUGHPREAMPLIFIER,AMPLIFIER,FILTERCIRCUIT,VOLTAGEELEVATINGCIRCUITANDLCDDISPLAYMODULE,MAKINGTHEI
21、NSTRUMENTHASTHEFUNCTIONOFDISPLAYELECTROCARDIOGRAMANDSTORAGEANDPLAYBACKELECTROCARDIOGRAMTHISTHESISFOCUSESONTHEIMPLEMENTANDAPPLIANCEOFTHESIMPLEELECTROCARDIOGRAMINSTRUMENTFIRSTLY,ITELABORATESTHECONCEPTOFELECTROCARDIOGRAMINSTRUMENTTHENITINTRODUCESTHEPREAMPANALOGCIRCUIT,MICROCONTROLLERSYSTEMANDSOFTWAREIM
22、PLEMENTATIONOFTHISDESIGN,ANDFINALLYTHEAPPLICATIONANDDEVELOPMENTPROSPECTSOFTHISDESIGN【KEYWORDS】ELECTROCARDIOGRAM；LOWPOWERCONSUMPTIONMCU；SMALLSIGNALPROCESSING。12目录1引言1311选题的意义和背景1312心电图仪概述13121心电图仪的发展13122国内研究现状1413主要研究内容及目标142心电信号的放大1521心电信号15211心电信号的特点16212心电信号对电路的要求1622运算放大器的选择1723电路结构17231前置放大电路17
23、232后级放大电路19233滤波电路20234电平抬升电路223系统硬件设计2331超低功耗单片机概述2332MSP430F149最小系统设计23321MSP430F149单片机简介24322按键LED显示模块26323LCD显示模块27324FLASH存储模块294软件设计3041IAR编译器介绍3042系统软件设计30421按键软件设计31422FLASH软件设计32423LCD软件设计345心电图仪的测试4051性能测试40511测试仪器40512测试数据和结果40513系统功能测试4052测试结果分析416总结42参考文献43致谢错误未定义书签。附录44131引言11选题的意义和背景随
24、着物质生活水平的显著提高，人们对健康的关注度也越来越高了。无论是饮食、家居环境、生活习惯等方面，还是心理、生理健康方面，人们都投注了越来越多的目光，越来越多的人希望能够通过简便的方式知道基本的身体状况。因此各类关于人体生理监护仪开始出现并呈不断的增多的趋势，便携式心电图仪就是其中之一。根据世界卫生组织的统计，全世界因心血管疾病每年死亡的人数将近1700万，占全部死亡人数的30左右，并且预计到2020年，全球死亡因心血管疾病人数将超过2000万，心脏病将成为世界上导致死亡的最主要因素。而在我国，每年死于心血管疾病的死亡人数占到了总死亡人数的44，远高于国际基本水平。由此，预防并且及时发现心血管疾
25、病对于人类是具有重要意义的1。12心电图仪概述心电图仪是用来记录病人的心电活动的仪器，它通过测量人体的生物电信号，可以用来诊断心肌梗塞、心律失常等心血管疾病。心电图最早始于英国的WALLER对鸽子和青蛙心脏的研究，经过荷兰生理学教授WILLIAMEINTHOVEN后来被称为心电图学之父对信心图的研究，并在1903年设计制造了第一台弦线式心电图仪。1957年，HOLTER发明了世界上第一台动态心电图仪，并在1961年使它应用于临床。心电图设备主要可分为HOLTER的动态监测系统和静态监测系统。121心电图仪的发展随着计算机的广泛应用，科技的显著发展和医学理论的不断完善，心电图仪也不断的革新当中，
26、主要表现为（1）记录方式的改变心电图仪由热笔式记录方式向热阵式转变，使记录频率显著提高，因此提高了心电波形的准确性。（2）同步多导联记录可以同时测量观察多路导联对同一心动周期内的波形，能显著提高测量的准确性，对于早搏的定位，心律失常的分类以及其他心电图鉴别诊断有重要意义。（3）数字化技术的运用通过数字信号处理技术，使心电信号处理的速度能力以及准确率得到保证。（4）自动诊断分析功能的完善目前心电图正朝着自动诊断的方向发展2。常用的临床心电图仪有以下几种14（1）ECG6151型心电图仪ECG6151型心电图仪是微处理器控制的单道小型心电图仪，它体积较小，重量轻，便于携带，主要用于巡诊以及野战抢救
27、。ECG6151型心电图仪的功能有自动选择导联、自动进行增益控制、自动调节基线位置、自动记录导联心电图等。（2）ECG6511型心电图仪ECG6511型心电图仪与ECG6151型结构原理与功能相似，其为便携式直流交流两用单导联心电图仪，这种类型目前在临床应用最为普遍机型之一，其图如图11（左）所示。（3）ECG8110K型心电图仪ECG8110K型心电图仪是一种小型智能化的心电图仪，它可对采集的心电图进行自动分析，并打印出心电图结果，其图如图11（右）所示。（4）心向量图仪心向量图仪可以显示整个心跳周期当中的心电向量图。普通的心电图只反映心电向量的一个分量即为一维向量，而完整的心电向量是一个三
28、维向量。这种心电图主要用于诊断心肌梗塞和心房心室肥大、传导阻滞等疾病3。图11ECG6511左和ECG8110右122国内研究现状目前国内各大医疗器械厂商和科研单位都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，并且都研发出了各具特色的心电仪产品，但是此类心电图仪还是没有得到很好的普及，究其原因，作者认为存在以下几个方面体积笨重、不便于携带很难在急求状态下及时进行心电监护工作，而且这些心电图仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一些规模有限的医疗机构或者个人则是沉重的负担，没有得到良好的普及。13主要研究内容及目标本设计从体积小、价格低、方便携带等几个方面着手，采用以MSP430F
29、149超低功耗单片机为核心，通过前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路和LCD显示模块使得该仪器具有显示心电图功能及具有存储回放功能。本设计重点在于方便携带，主要适用于医生单人出诊、家庭或户外心脏功能测试等需要小型轻便的心电图仪场合，较小的尺寸也就意味着其功耗较低，可用干电池供电，也适用于野外探险等场合。最后，本设计最终价格适宜，15能满足绝大部分普通家庭和农村基层医院购买。本设计的主要研究方向主要包括以下内容（1）具备心电图设备的基本功能，通过单片机采集信号并通过LCD显示心电图波形；（2）能够存储心电图波形，并且回放显示；（3）微型化设备，即使心电图仪方便携带；（4）低成本，可为大部分
30、普通人群所接受。2心电信号的放大21心电信号心电信号是由于心脏周期性跳动产生的电活动。在每个心跳周期中，心脏窦房结细胞内外电位产生快速的变化会使人体体表的不同部位都会产生有规律的电位变化。心电图（ECG）则是通过对体表不同部位的电位信号进行采集，放大，并实时显示所得的波形。标准心电图如图21所示，横轴为时间T，纵轴为电压V。PRQSTUPR段PR期间QT期间ST期间QRS期间ST段02SEC015MV图21心电图正常人的心电图波形幅值P波纵坐标正常幅值为02MV，横坐标时间宽度为011S；R波纵坐标正常幅值为0515MV；S波纵坐标正常幅值为02MV；T波纵坐标正常幅值为0105MV；PR期间
31、横坐标时间宽度为01202S；16QRS期间横坐标时间宽度为00601S；ST段横坐标时间宽度为012016S；211心电信号的特点心电信号的特点（1）心电信号强度弱，具有较低的信噪比。人体心电信号的幅值约为20V5MV，是一种人体内部的微弱电信号。首先由于其较小的幅值，需要将心电信号放大500左右才能将它显示出来；其次，心电信号的信噪比较低，信号的放大一度难以办到。（2）心电信号频率低。心电信号的频带宽度为005100HZ。（3）心电信号源阻抗大。心电信号是由金属电极通过人体体表检测而来，而不同的人体表面或者同一个体自身都存在差异，会导致电极与皮肤之间的阻抗变化，从而使放大器的输出结果存在一
32、定的偏差。一般心电信号源阻抗约为1100K，因此，放大器需要较大的输入阻抗与其匹配，才能使上述原因引起的误差减小。（4）环境中的电磁干扰大。由于心电信号强度较弱，而平时的环境中存在各种电磁干扰，主要为50HZ工频干扰，使心电信号被这些干扰所淹没。因此，只有在放大电路中滤除强大的干扰信号，才能使放大电路正常工作。212心电信号对电路的要求通过心电信号的特点，总结出以下几个对放大电路的基本要求。（1）放大电路需要高增益。增益及放大器的放大倍数。由于心电信号幅值为20V5MV，要转化为进入A/D的03V的输入信号，其放大倍数约为500倍。（2）放大电路需要高输入阻抗。由于心电信号源内阻在1100K，
33、则所选取的放大器的输入阻抗至少应该达到1M以上。假设心电信号源内阻为10K，放大器的输入阻抗为1M，则信号源内阻与输入阻抗之比为1/100，输入信号在信号源内阻上的压降将大大减小，甚至可以忽略不计。（3）放大电路需要高共模抑制比。由于信号源是差模信号，而干扰源都是共模信号，因此选用高共模抑制比的放大器可以有效抑制各种电磁干扰。假设使用的放大器CMMR为80100DB，则一个100MV的共模信号相当于1V的差模信号的输出。通过这种高共模抑制比的放大器可以有效的抑制共模形式的输入干扰信号，从而有效的放大以差模信号输入的生理信号。（4）放大电路需要低输入失调电压17理想的放大器失调电压为零，当放大器
34、输入为零时，输出端得电压即为放大器的失调电压大小。因此，在放大器工作时，需要在输入端加上一个补偿电压，使输入为零时，输出电压为零。输入失调电压是衡量放大器质量的一个重要参数，这个参数越小放大器越好。（5）放大电路需要低温漂温漂是指输入电压随着温度的变化而变化，选用低温漂的放大器有利于减小失调电压所造成的误差，提高心电信号的准确度4。22运算放大器的选择在心电图仪的设计中，通过电极采集进来的信号具有幅度小，含有较大的共模干扰，需要进行放大，滤波处理才能将心电图清楚的显示出来，因此，对放大器的选择尤其重要。本设计采用精密仪表运放AD620对电极采集的心电信号进行前置放大，滤除电极采集信号中的共模干
35、扰；后级电路通过采用运放OP07对电路进行后级放大，和低通滤波；采用LF353进行50HZ的滤波处理；最后通过电压抬升电路将心电信号转换到合适的电压供单片机A/D采样。23电路结构心电信号放大电路主要由前置放大电路、后级放大电路、低通滤波电路和50HZ陷波电路组成，最后通过电压抬升电路将信号输入单片机进行采样。231前置放大电路前置放大电路主要由AD620精密仪表运放和一些简单的元器件构成。AD620仪用放大器是美国AD公司的产品。它的核心是具有三级运放电路，具有高共模抑制比，较好的温度稳定性，放大频带宽，噪声小并且其精确度高，使用简单，应用十分广泛。其主要的技术指标如下增益11000；共模抑
36、制比100DB；输入偏置电流10NA；输入阻抗109；带宽120KHZ（放大100倍）；工作电压18V；失调电压50V；工作温度范围55125。由于AD620体积小，功耗低，噪声小及供电电源范围广等特点，使它特别适合应用于心电图检测仪上。AD620的芯片引脚图如图22所示12345678AD620RGRGVSOUTPUTREFVSININ图22AD620的芯片引脚图AD620的工作原理如图23所示18A1A2A3OUTVINVINRGR1R2R3R4R5R6图23AD620原理图反馈电阻R1R2247K，放大器A1，A2共同组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出，将共模增益、失调电压、零点漂
37、移等误差进行了补偿，电压增益可以通过电阻RG来调整，由于电路高度对称，因此改变增益电阻RG不会改变输入阻抗，后级的A3增益为1，具有较高的共模抑制比和出色的抗干扰能力。增益电阻RG与放大倍数之间的关系为4941KGRG或494KRGG115V5V74581AD620RARLLAC1R1R2R3R4R5236OP07保护隔离图24前置方法电路19图24所示为用AD620设计的前置放大电路。电路中R5为增益反馈电阻，其中R5825K，前级放大器放大倍数为G7。放大器OP07的作用是使用了右腿屏蔽驱动电路，给差分信号提供参考地。心电图仪的电极分别夹在测试者得右手（RA），左手（LA）和右脚（RL）。
38、电极到AD620的导线采用屏蔽线，屏蔽线中的双绞线与RL相连，这样可以有效的屏蔽50HZ工频干扰对心电信号的干扰。232后级放大电路后级放大电路主要有OP07运算放大器组成。OP07有如下特点超低失调电压10V；超低失调电压飘逸02V/；有长期的稳定性02V/月；宽共模输入范围140V；宽的电源电压范围3V18V；很多应用承和不需要调零；工作温度范围55125。运放OP07的芯片引脚图如图25所示12345678OP07OFFSETNULL1OFFSETNULL2VCCOUTPUTNCVCCININ图25OP07的芯片引脚图电极采集的信号经过AD620前置放大后，将信号输入给OP07进行后级放
39、大。后级放大电路采用二级同相放大电路，如图26所示。放大倍数由反馈电阻R6和R7，R8和R9决定。5V5V5V5VR6R7R8R9OP07OP07图26后级放大电路20第一级放大倍数为1617RGR2第二级放大倍数为2819RGR3后级放大倍数为12GGG4233滤波电路尽管通过前级放大电路以及后级放大后，共模信号被有效的抑制，但由于电极与人体接触时，因为不同的人体、导线等因素造成的一些不平衡因素依然存在，这些干扰会对放大器的工作造成严重的影响，因此，在放大器电路中滤波是很必要考虑的问题5。在心电信号检测时，电极与人体皮肤会产生直流极化电势，如图27所示为隔直电路，即高通电路，用来滤除电路中的
40、直流信号。C2R10图27隔直电路由于心电信号的频率主要集中在005HZ100HZ，则005LFHZ。选取C210F，R10510K，则36102110031222510101010LFHZRC5如图28所示为一个贝塞尔滤波器，即二阶低通有源滤波器。其中R11R12，C3C4则滤波器的传递函数为2113113112UOUTSGSUINSSRCSRC6令SJ，11301RC；则上式为200121GJJ7幅频响应表达式为2122200121GJ8相频响应表达式为0202ARCTAN1J9其中01131RC为特征频率。在电路中，取C3C4001F，R11R12150K。则特征频率为631131110
41、5220011015010HFHZRC105VOP075VC3C4R11R12VINVOUT图28二阶低通有源滤波器电路如图29所示为有源双T结构50HZ陷波器电路的设计。双T电路结构基本是双对称型的，取R13R14R15R1610K，C5C6C7C8330NF，最大衰减频率为0491351150223141033010FHZRC11放大器LF153A用来加正反馈。以改变阻抗，反馈量由R17和R18的分压来决定。取R1756K，R1851K，则品质因素为17171811025025356115651QRRR12后级的OP07用来解决前面得陷波电路与后级电路之间的阻抗变换问题，通过电压跟随22把
42、滤波后的信号传递给下一级电路6。LF353A5VLF353B5V5VOP07R13R14R15R16C6C5C7C8R175VR18图2950HZ陷波器电路234电平抬升电路由于心电信号处理电路所得到的心电信号为双极性信号，而实际接入A/D的信号必须为单极性信号，因此需要设计电平抬升电路。如图210所示为电平抬升电路，即在原来的交流信号上叠加上一个直流电压。5V5VOP07R20R19C9图210电平抬升电路所叠加的直流电压大小为1920195RURR13233系统硬件设计31超低功耗单片机概述超低功耗单片机是相对于普通单片机和低功耗单片机而言的。普通单片机具有如下特点（1）体积小，价格低，易
43、于大批量产品化，能应用于各种智能式控制设备以及各种智能仪表仪器。（2）面向数据运算及对象控制，能有效解决各种简单或复杂的控制任务。（3）有较强的抗干扰能力，温度适应范围广，可以在各种恶劣的环境下可靠地工作。（4）可以通过多机和分布式控制，大大提高系统的可靠性以及效率。（5）单片机的应用领域主要有工业控制、智能化仪器仪表、日常生活中的电器产品、计算机网络与通信方面和计算机外部设备等。超低功耗单片机除了具有普通单片机的特点，还具有如下特点（1）超低功耗设计是超低功耗单片机最显著的特点，其工作电压和工作电流较普通单片机低，因此耗电量较小。（2）超低功耗单片机将更多的外围模块直接集成到芯片中，使单片机
44、高度集成化，且使单片机更微型化和便于携带。（3）超低功耗单片机可以依靠软件改变内部特殊功能寄存器，来选择不同的功能电路，使不需要运行的模块停止工作来减少功耗。（4）超低功耗单片机具有高速和低速两套时钟。系统运行的频率与电源的功耗成正比，设置高速和低速时钟，在满足系统功能的情况下，能有效的降低系统功耗。（5）超低功耗单片机一般具有多种节能工作模式，为系统的功耗管理提供性能保证。总之，单片机体积小、功能丰富、价格便宜等优点使它广泛应用于微机产品中。单片机的出现使过去采用模拟电路、脉冲电路、组合逻辑电路的电路系统可以通过单片机取代。传统的逻辑电路设计方法正在演变为软件和硬件相结合的方法，许多电路设计
45、问题将转化为程序设计问题7。32MSP430F149最小系统设计MSP430F149最小系统硬件结构如图31所示24图31MSP430F149最小系统硬件结构图321MSP430F149单片机简介MSP430F149属于TI公司的MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是一种16位超低功耗的混合信号处理器，其16位体系结构以及16位的CPU集成寄存器和常数发生器使得MSP430代码效率化最大。通过数字控制振荡器可以使单片机在所有低功耗模式下从唤醒到运行的唤醒时间小于6S。MSP430F149单片机由2个16位定时器、8路快速12位A/D转换器、两个通用串行同步/异步通信信号接口和48个I
46、/O引脚等构成。其的主要特点如下（1）超低功耗；（2）电源电压范围1836V；（3）待机模式16A；（4）关闭模式（RAM保持）01A；（5）活动模式280A1MHZ，22V；（6）具有五种省电模式；（7）快速唤醒模式（6S内从待机模式唤醒）；（8）具有快速的数据处理能力，内部自带硬件乘法器；25（9）在8MHZ工作模式下，具有高处理速度；（10）具有多个I/O支持中断模式满足系统对外部中断的需求；（11）通用串口支持SPI和SCI模式；（12）带内部参考、采样保持和自动扫描特性的12位A/D转换器；（13）有3个捕获/比较寄存器的16位定时器TIMER_A支持PWM和CAP功能；（14）有7
47、个捕获/比较寄存器的16位定时器TIMER_B支持PWM和CAP功能；（15）片内集成模拟比较器；（16）片上集成60KB的FLASH和2KB的RAM同时提供256字节的信息FLASH；（17）串行在线编程，无需外部编程电压，具有安全熔丝可编程代码保护8。MSP430系列单片机的超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围设备、高度的工作稳定性和方便高效的开发环境使它在短短几年内发展迅速，应用也日趋广泛。MSP430F149的原理框图如图32所示图32MSP430F149的原理框图其引脚排列图如图33所示26图33MSP430F149引脚排列图322按键LED显示模块MSP430所
48、有的端口都有控制输入输出方向和进行输入、输出的能力。P1、P2端口能够响应外部中断，大部分端口都具有第二功能，所有的管脚功能都可以单独配置。每一个端口都有PXDIR、PXIN、PXOUT三个寄存器，拥有第二功能的端口可以通过PXSEL寄存器来选择端口的第二功能。P1、P2口可以配置为输入信号上升沿或下降沿触发中断功能，但必须注意固定的电平不会引起MSP430触发中断。一般通过设置PXIE、PXIES、PXIFG寄存器来设置中断。键盘功能一般通过中断或者查询来实现，由于查询会大量耗费CPU的使用，一般使用中断来实现。键盘功能分为非行列式键盘和行列式键盘，前者的缺点是占用I/O端口比较多，如果按键
49、较多或I/O口紧张，则应该使用行列式键盘。相比较而言，行列式键盘的软件复杂，执行起来消耗CPU的资源也较多。本设计由于MSP430F149端口资源丰富，所以选择非行列式键盘，按键外部电路加入硬件去抖，并在软件中进一步处理按键按下和放开时的抖动。27键盘硬件电路如图34所示VCCVCCVCCKEY1KEY2KEY310K10K10K01U01U101010P15P16图34键盘硬件电路如图35所示为LED硬件显示电路，单片机端口输出高电平LED为暗，端口输出低电平LED为亮。配置端口寄存器主要有PXDIR、PXOUT两个寄存器9。36010KVCCP32805036010KVCCP338050LED1LED2图35LED硬件电路323LCD显示模块本设计采用MZL0512864LCD模组，它是一块小型的12864点阵LCD显示模组，MZL0512864有如下特点（1）具有12864点阵FSTN；（2）1/64占空比和1/9偏压比；（3）单电源供电对比度编程可调；（4）仅写入串行SPI接口方式；
