基于HOLTEK MCU的心電儀遠程監控設計

王曉勤+郜發磊

摘 要：目前的心電監測系統為心臟病人診斷和治療提供了一個有效的手段。但是由于設備昂貴、系統拓展性差；心電波形辨認的專業性強等原因，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進行體溫檢測顯示；利用LED和蜂鳴器進行聲光報警；借助可靠、成熟的移動通信網絡，提出了以最直觀的中文短消息實現遠程報警的方法。

關鍵詞：HOLTEK MCU；心電儀；傳感器；遠程控制

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，目前的心電監測系統為心臟病診斷和治療提供了一個有效的手段。但是由于設備昂貴，系統拓展性差，心電波形辨認的專業性強，不適合一般人使用[1]。為了減輕經濟負擔及更好地了解自己的身體狀況，我們設計了具有ECG顯示、體溫顯示及應急遠程報警心電信號檢測功能的顯示儀。本設計特點基于HOLTEK MCU集心電信號顯示及體溫檢測為一體，并能實時遠程報警，操作簡單，使用者無需專業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 系統的構成

系統主要分為三部分：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進行體溫檢測顯示；其三，利用發光二極管和蜂鳴器進行聲光報警，借助可靠、成熟的通信網絡，以短消息實現遠程控制。系統主要有HT46F49E單片機[2]、TC35I通信模塊、鍵盤輸入模塊、液晶屏、溫度傳感器ZTP135、AT24C02存儲器及聲光報警器等。

2系統硬件設計

系統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探頭，通過導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。測量時在人體的手或腳內側面貼上探頭，為了保證測量的準確性，我們對測量探頭規定表示符號和導線的顏色。

本設計采用如下導聯方式：

（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（0）。

3 前置放大電路的設計

因為電信號不僅微弱，且對其波形清晰度要求也頗高，所以應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范圍等特點。因此選用AD620集成儀放大器。

4 系統濾波電路的設計

根據本設計的指標要求，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）低通濾波器的設計

為使濾波更好，其一，設計用二階濾波電路，在能得到同樣的數據指標下，采用電路結構較為單一的濾波器，如用濾波Sallen-Key電路，但是在模擬仿真時，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）高通濾波器的設計

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，為了達到好的濾波效果，在設計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，如此電路可達到增益為1的高通濾波效果。

（3）帶阻濾波器的設計

指標要求，加入陷波器以消除50Hz工頻干擾。在帶阻濾波器的選型上，為了達到較好的效果，考慮電路結構的簡略化，選用具有雙T正反饋的電路。雙T電路被廣泛地應用在零值網絡中，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計

由于心電信號十分微弱，所以在信號采集之后，我們設計了一級前置放大電路，但其放大倍數依舊達不到在LCD上顯示的幅值，所以必須設置主放大電路。因為單片機的輸入不支持負電壓，所以還需要設置一級加法器電路，以便將負電壓提到0點以上，為解決實際電壓的幅值，程序編寫時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性和可靠性，在設計中主要解決的問題是：信號如何放大、非接觸式測量、環境溫差等。鑒于此，我們在設計中采用了ZTP135傳感器和OP07運算放大器，對數模轉換問題及控制系統使用HT46F49E單片機。

6 鍵盤輸入設計方案

為了方便相關人員現場讀取達到精準的測量結果，我們需要解決的問題是：計算機不在外界干擾下工作、上電復位的準確度及單片機I/O口的占用。我們據此把鍵盤設計調整成矩陣式，在每一個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成2*2=4個按鍵，同時通過顯示屏直觀的還原出現場的體溫度數和心電信號圖形。

7 LCD液晶顯示屏的設計方案

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進行顯示。12864LCD模塊內部存儲了字符、字等，還可以用來展現圖形，本系統就是用它來顯示波形。其中1為高電平、0為低電平。

8 存儲部件設計方案

為了解決對報警記錄信息、人體溫度存儲問題，本系統采用了能夠保證掉電數據不丟失的片外存儲器AT24C02[3]。AT24C02特點：（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采用了二線制協議串行總線（I2C總線）及其傳輸規約進行雙向傳輸，傳輸速度增快。

9報警系統

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，因此醫生便通過對各波、段、間期的分析來判斷病人的情況。在本設計中我們也將對所采集的心電圖形的波、段、間期進行分析、比較，得到相應數據，再進行處理，通過TC35I通信模塊利用網絡遠程報警。

10 結束語

本文以HOLTEK MCU單片機為主控，接收采集信號和信號處理均由單片機來實現，通過判別人體的心電信號是否正常，系統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；若單片機接收到與正常人體溫度值和心電信號不一致的信號時，系統控制將通過網絡模塊實現短消息提示，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，具有一定預防身體疾病的作用。

參考文獻：

[1]楊雪.吳水才.張松.白燕萍.家庭心電遠程監護系統的新進展[J].生物醫學工程與臨床 2006（6） 391-394

[2]張鵬. HOLTEK HT46系列單片機.C語言實例教程[M].北京：北京郵電大學出版社，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：貴州工程職業學院，職稱：副教授 ，研究方向：電路與系統.