移动式生物信号检测装置方案.docx

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移动式生物信号检测装置方案

移动式生物信号检测装置方案

移动式生物信号检测装置

设计方案

基于MSP430单片机的生物信号检测系统

学校：

成都信息工程学院

队伍名称：

EDA零组

参赛队员：

余海曾锐王发修

指导教师：

姚振东

摘要

本生物信号检测系统以超低功耗的MSP430单片机为中央处理单元，以MCS-51单片机作为上位机，将收到从机的信息加以显示与判断。

通过LCD液晶屏显示所测数据的波形，特征。

硬件电路部分主要采用对微弱的生物电讯号，如心电，呼吸值，体温，血压等信号进行放大，滤波，去干扰，采集等。

做到滤谐波，工频信号，做到较精确的测到所需要的信息的一个系统。

所选用的电源是可工作长时间的圆形锂电池。

上位机主要是一个数据的分析和显示，主要硬件电路为数据接受无线模块和液晶显示电路。

软件系统部分主要包括以下几步份：

1，数据采集机：

（即下位机）微弱电信号经放大·滤波·去干扰后的ADC转换，MSP430对ADC过来的数据的采集；

2，数据存储（下位机单片机内部RAM，暂存）

3，数据转存/发射（FSK调制的无线收发模块）

4，数据处理机：

（即上位机）数据接收和处理，按存储的进栈先后，读出数据，对数据处理并做显示以及基本的医学分析。

本系统利用开发工具Keil51和IAR-MSP430进行编程开发，通过串口和ISP方式烧录程序。

这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。

关键字：

移动式，生物电信号，检测系统，数据转存，上位机，下位机，LCD显示。

3.2.1.2呼吸信号的输入…………………………………..………………………8

3.2.1.3血压信号的检测输入…………………………………………………..8

3.2.2信号通道选择………………………………….…………...………………8

3.2.3前置放大电路………………………………………………………………8

3.2.4滤波电路…………………………………….……………………………….9

3.2.5工频陷波模块………………………………………………………………10

3.2.6隔离电路……………………………………...…………………………….11

3.2.7主控器件的选择……………………………………………………………12

3.2.8ADC芯片的选择……………………………………………………………12

3.2.9数据转存选择………………………………………………………………12

3.2.10显示于存储………………………………………………………..………13

3.2.11时钟模块……………………………………………………………………14

3.2.12电源模块…………………………………………………………………..13

4.2呼吸信号分析………………………………………………………………13

4.3血压信号分析………………………………………………………………..14

第五章硬件电路设计14

6.2.1MSP430数据采集协议...………………………………………………….18

6.2.2发射与接收协议……………………………………………………………18

6.2.3FFT数字滤波……………………………………………………………….18

第一章:

前言

心脏是人体血液循环系统中的重要器官，依靠它的节律性搏动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。

它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。

人们不能凭着直观判断心脏健康与否，而是需要精确的仪器加以测量，通过对测得的心电波进行分析比较，最后做出诊断。

心电图典型波形如下图所示：

　　心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系，心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来，这就是心电图为什么能得到广泛应用的原因，主要应用有：

1．分析与鉴别各种心率失常。

2．一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。

3．判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。

4．指示心脏房室肥大情况，从而协助各种心脏疾病的诊断。

……

在国内外，关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。

尽管这样，在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点，心电特征波形分析定位结果并不尽如人意，但任然有着较好得发展前景。

此外，人的体温，呼吸，血氧饱和度，也是检测人身体健康与否的重要参数，所以，血氧检测仪器和呼吸检测仪器也是现在追求高生活质量的人们的迫切希望得以发展的设备与技术！

第二章：

设计任务

（一）

图1简易频率计示意图

（二）、要求

第三章：

总体方案设计与论证

3.1设计思想

利用超低功耗的MSP430单片机做采集的下位机，实现对心率·体温·呼吸，血压等信号通过ADC转换过来的数据进行采集，通过无线发射模块转存，利用8位的STC89C52对存储的数据进行处理，显示波形，对数据进行分析，根据所测数据作一些基本的医学生理判断,如心跳是否过快，心率是否不齐，呼吸是否急促，血压是否过高等等！

3.2单元模块电路比较

3.2.1输入电路

3.2.1.1心电信号的输入

方案一：

采用64个铜质单电极点，表面涂上电解液，以8*8的形式均匀排布在5*5cm的柔性朔料片上，电极点直径2.5mm极间距为5mm，标测时的固定方式为用手将电极片压在心外膜上而不是将电极片缝到心外膜上！

但是用以个5*5cm的膜片，不便于安装，而且增加了电极间的相互磁场干扰，而且做工要求相当高。

方案二：

采用心音压电薄膜传感器，压电复合材料薄膜由压电陶瓷和聚合物复合而成，既具有压电陶瓷的强压电效应，又具有有机材料的柔韧性，阻抗易于空气，水，皮肤匹配。

该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有高灵敏度，频率响应范围宽，抗过载和强冲击能力强，抗干扰性好，容易操作。

并且低频效应好，但是不能对心率的实时变化进行检测，所以不与采用！

但是可以用来单独做心率的测量。

方案三：

就是用两金属片（一般选铜片）作为电极的正负极，在电极上涂上对人体无毒害的电解液，作为基本的输入信号的提起，这个方式比较简单，容易操作，价格成本低，但是实际操作中会出现由于电解液的挥发和流失，造成测量出现误差，甚至错误。

而且本身用得市场上金属片的电导性就良莠不齐，也会给测量带来很大的误差！

但是通过改进金属片的材质和电解液的成分，可以使这些误差减小！

比较上述三个方案，我们觉得采用第三种方案通过改进后是能得到比较准确而且操作相对与第一种要简单的效果的方案，用检测电频的方式测，能较准确的采集到心律变化，得到心率图。

所以我们暂定用此方法。

3.2.1.2呼吸信号的输入

方案一：

利用呼吸阻抗法原理。

它借助测量心电的胸部监护电极，采用高频激励脉冲使信号调制到其之上，然后对信号进行解调，放大，滤波，得到稳定的·清晰的呼吸曲线。

此种方法利用高频载波的方式实现信号的检测，能有效的实现呼吸信号的检测，而且是通过调幅方式将呼吸信号调制在62.5KHZ上，与心电信号的电频信号分开了。

方案二：

呼吸测量采用电桥检测电路，电桥的一臂接入热敏电阻作为温度传感器，该传感器置于鼻孔下端，呼吸过程中的呼吸气温的变化ΔT通过温度传感器使电桥失衡，并使输出电压产生ΔV的变化，后经差动放大器放大100倍以上，最大输出电压可至3V。

这种方法测试电路电路简单，达到的电路要求也不是很高，而且器件容易买到，但是这个也又个缺点：

就是性能随热敏电阻的参数波动性大，而且一般的热敏电阻的性能都一般。

通过比较，用高频调制的方法测呼吸信号，相对第二种能较精确的实现对呼吸信号的检测，且能通过得到的数据在LCD显示屏上显示其波形。

电路如下：

3.2..1.3血氧饱和度的测法

方案一：

利用血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对不同波长的光的吸收系数不同，将含动脉血管的部位（手指等）放在发光管和一个光电管之间，发光元件发出两种波长的光信号，通过手指的不同吸收，由此引起光电管输出的电信号强度随血液的脉动而周期性改变，再经过分离、滤波、放大、A/D转换成数字量，显示相对应的血氧饱和度值

方案二：

原理一样，就是直接使用血氧探头，这样的设备虽然方便和精确，但是一个价格太高，二是一个完整模块不是我们作为学生学习的好方法。

所以；综合两者，我们选择用第一种方式，用光电管测接收通过手指的光强度。

3.2.2信号通道选择

由于采集信号之间存在着干扰，不利于后级处理，因为采集不是实时进行，每天只采集数次，其余时间都处于低功耗模式。

所以我们对3路信号进行不同时段的采集，模拟开关连通采集哪一路信号。

3.2.3前置放大电路

由于整个系统是检测的微弱的生物信号，所以相比与生物信号，其他杂质信号就要强得多，尤其是共模信号的干扰是最严重的，所以前置放大电路采用以INA333为电路主元件的差动放大电路，抑制共模输入的干扰！

该电路重要功能如下：

1.差分输入，同相输入可以提高输入阻抗，提高共模抑制比。

2.前端无源高通网络，该电路起到了隔直的作用。

3.低功耗精密运放OPA333用于共模驱动和右腿驱动。

4.采用对称的前置电路，可以抑制共模干扰，同时采用共模驱动和右腿驱动电路，都抑制了工频干扰进入后续电路。

电路图如下：

（在做PCB板的时候注意输入信号端用地线隔离）

3..2.4全波整流

呼吸信号是经过调幅调制了的，我们在前置放大后要对呼吸信号进行解调，在次我们也需要用到电子模拟开关，全波整流电路如下：

3.2.4滤波电路

采用一阶无源高通滤波器和三阶巴特沃思低通滤波器作为本系统的滤波电路，一阶无源高通滤波器的截至频率为0.05Hz,三阶巴特沃思滤波器的截至频率为100Hz，放大倍数为1倍。

电路图如下：

3.2.5工频陷波模块

因为我们所在的空间无所不存在着50HZ的工频信号，它在我们所需要的有用信号频率范围之内。

方案一：

我们采用双Ｔ网络作为去除50Hz工频干扰的电路。

优点为：

稳定性好，频带

电路图如下：

方案二：

采用电感，电子，电容等无源器件搭成LC陷波电路

优点是：

带宽为一个点，陷波特性好。

缺点是难于调试，且稳定性不高。

电路图为：

综合考虑我们采用了方案一。

3.2.6隔离电路

方案一：

用分立的光电对管，连接主运放与前级电路，达到光电隔离与主放大一起。

优点是：

价格低廉，在市场上很容易买到，而且电路简单；缺点是：

电路的隔离作用效果不明显，而且会带来其他干扰信号，；

方案二：

用专用的隔离放大芯片，如ISO100，ISO124,INA133U，等，这些芯片内部都集成了光电对管，集成电路性能本来就比分立元件好，而且这些芯片都是高精度的低功耗的，所以能很好的起到光电耦合的效果。

但价格太高。

综合考虑我们决定使用方案一

电路图如下：

.

3.2.7主控器件的选择

方案一：

基于可编程器件，如FPGA，DSP，CPLD等实现对生物信号的采集与处理，能实现高速，大量的处理与采集信号

方案二：

基于所学的最基本的MCS-51单片机实现对信号的采集与处理，但是由于速度慢和功耗高，内存小的缺点，所以基本不与采用在采集系统

方案三：

由于题目要求需要能实现一天不间断的检测，所以考虑低功耗处理器，跟过搜索资料与比对，发现TI公司的MSP430系列单片机能实现超低功耗的要求，而且速度还是能基本能跟上采集的要求，

综合上述，我们最终选择用MSP430单片机做下位机采集数据，用51系列的STC89C52做上位机处理数据，显示与转存数据。

3.2.8ADC芯片数据采集选择

方案一：

由于