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摘 要：目前的心电监测系统为心脏病人诊断和治疗提供了一个有效的手段。但是由于设备昂贵、系统拓展性差；心电波形辨认的专业性强等原因，不适合一般人使用。本文讨论了一种基于HOLTEK MCU利用红外热电堆温度传感器ZTP135进行体温检测显示；利用LED和蜂鸣器进行声光报警；借助可靠、成熟的移动通信网络，提出了以最直观的中文短消息实现远程报警的方法。
关键词：HOLTEK MCU；心电仪；传感器；远程控制
0 引言
伴随着生活水平的增高，人们对健康就有了很高的要求。心脏疾病已成为危害人类健康和生命的主要疾病之一，目前的心电监测系统为心脏病诊断和治疗提供了一个有效的手段。但是由于设备昂贵，系统拓展性差，心电波形辨认的专业性强，不适合一般人使用[1]。为了减轻经济负担及更好地了解自己的身体状况，我们设计了具有ECG显示、体温显示及应急远程报警心电信号检测功能的显示仪。本设计特点基于HOLTEK MCU集心电信号显示及体温检测为一体，并能实时远程报警，操作简单，使用者无需专业知识便可知道自己的身体情况是否健康，便于普通家庭使用。
1 系統的构成
系统主要分为三部分：其一，心电信号的采集与显示；其二，利用红外热电堆温度传感器ZTP135进行体温检测显示；其三，利用发光二极管和蜂鸣器进行声光报警，借助可靠、成熟的通信网络，以短消息实现远程控制。系统主要有HT46F49E单片机[2]、TC35I通信模块、键盘输入模块、液晶屏、温度传感器ZTP135、AT24C02存储器及声光报警器等。
2系统硬件设计
系统收集主要是人的体表温度。测量过程中，在人体的体表安放一个探头，通过导线接到心电仪的放大器上，通过电位差值的大小就知道人体心电信号，从而还原成心电曲线图。测量时在人体的手或脚内侧面贴上探头，为了保证测量的准确性，我们对测量探头规定表示符号和导线的颜色。
本设计采用如下导联方式：
（1）LA：放大器同相输入端 （+）；
（2）RA：放大器反相输入端（-）；
（3）RL：放大器的参考点（0）。
3 前置放大电路的设计
因为电信号不仅微弱，且对其波形清晰度要求也颇高，所以应该具有输入阻抗较高、共模抑制比高、漂移小、噪声小、非线性度小，合适的频带及一定动态范围等特点。因此选用AD620集成仪放大器。
4 系统滤波电路的设计
根据本设计的指标要求，需要通过0.05Hz以上、105Hz以下的电波，且不能通过50Hz的干扰波。所以必须要用到低通、高通及带阻滤波器[3]。
（1）低通滤波器的设计
为使滤波更好，其一，设计用二阶滤波电路，在能得到同样的数据指标下，采用电路结构较为单一的滤波器，如用滤波Sallen-Key电路，但是在模拟仿真时，滤波效果与多重反馈型滤波电路具有一定差距，所以这里最终选择多重反馈型LPF。相比于Sallen-Key电路，多重反馈型滤波电路的高次谐波要小一些，而且高频衰减特性要好一些。
（2）高通滤波器的设计
截止频率为0.05Hz的低通滤波器的加入，促使心电信号的有用信号通过，滤除低于心电频率的信号干扰，为了达到好的滤波效果，在设计上使用高通多重反馈型滤波电路，但电路仿真后效果却没有增益为1的Sallen-Key高通电路，所以最终使用Sallen-Key电路。连接方式为Sallen-Key电路使用反馈输入端直接输出端反馈，如此电路可达到增益为1的高通滤波效果。
（3）带阻滤波器的设计
指标要求，加入陷波器以消除50Hz工频干扰。在带阻滤波器的选型上，为了达到较好的效果，考虑电路结构的简略化，选用具有双T正反馈的电路。双T电路被广泛地应用在零值网络中，由于Q值始终保持在1/4，可通过引入正反馈来消除。
（4）加法器与主放大电路的设计
由于心电信号十分微弱，所以在信号采集之后，我们设计了一级前置放大电路，但其放大倍数依旧达不到在LCD上显示的幅值，所以必须设置主放大电路。因为单片机的输入不支持负电压，所以还需要设置一级加法器电路，以便将负电压提到0点以上，为解决实际电压的幅值，程序编写时要将直流电压减去检测到的电压。为增加放大电路增益，增益值可设置为1000倍，以促使采集的电压信号最大为4mV。
5 体温的检测
由于人体电阻会对测量带来一定的误差，为了保证测量的精准性和可靠性，在设计中主要解决的问题是：信号如何放大、非接触式测量、环境温差等。鉴于此，我们在设计中采用了ZTP135传感器和OP07运算放大器，对数模转换问题及控制系统使用HT46F49E单片机。
6 键盘输入设计方案
为了方便相关人员现场读取达到精准的测量结果，我们需要解决的问题是：计算机不在外界干扰下工作、上电复位的准确度及单片机I/O口的占用。我们据此把键盘设计调整成矩阵式，在每一个键之后加入水平线和直线且在相交的地方不给予直接相连。如此，我们既解决了端口的占用还可以架构成2*2=4个按键，同时通过显示屏直观的还原出现场的体温度数和心电信号图形。
7 LCD液晶显示屏的设计方案
利用液晶显示屏12864LCD来显示所检测的心电信号波形和人体温度。在键盘输入过程中对所写入的状态进行显示。12864LCD模块内部存储了字符、字等，还可以用来展现图形，本系统就是用它来显示波形。其中1为高电平、0为低电平。
8 存储部件设计方案
为了解决对报警记录信息、人体温度存储问题，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的片外存储器AT24C02[3]。AT24C02特点：（1）该芯片是采用了I2C总线的存储器，大大省掉了MCU端口的引脚与电路板上的布线范围。（2）AT24C02采用了二线制协议串行总线（I2C总线）及其传输规约进行双向传输，传输速度增快。
9报警系统
由于正常的心电图波、段、间期与非正常的波、段、间期存在微小的差异，因此医生便通过对各波、段、间期的分析来判断病人的情况。在本设计中我们也将对所采集的心电图形的波、段、间期进行分析、比较，得到相应数据，再进行处理，通过TC35I通信模块利用网络远程报警。
10 结束语
本文以HOLTEK MCU单片机为主控，接收采集信号和信号处理均由单片机来实现，通过判别人体的心电信号是否正常，系统更好地将心电信号和温度值较为直观地展示到LCD屏上，使操作者能观察心电波的变化与体温变化；若单片机接收到与正常人体温度值和心电信号不一致的信号时，系统控制将通过网络模块实现短消息提示，使用户无论身在何处，家里人都可以通过短信了解其身体情况，具有一定预防身体疾病的作用。
参考文献：
[1]杨雪.吴水才.张松.白燕萍.家庭心电远程监护系统的新进展[J].生物医学工程与临床 2006（6） 391-394
[2]张鹏. HOLTEK HT46系列单片机.C语言实例教程[M].北京：北京邮电大学出版社，2010
作者简介：
王晓勤（ 1980年4月2 日出生），性别：男 ，籍贯：四川省泸洲市，单位：贵州工程职业学院，职称：副教授 ，研究方向：电路与系统.
关键词：HOLTEK MCU；心电仪；传感器；远程控制
0 引言
伴随着生活水平的增高，人们对健康就有了很高的要求。心脏疾病已成为危害人类健康和生命的主要疾病之一，目前的心电监测系统为心脏病诊断和治疗提供了一个有效的手段。但是由于设备昂贵，系统拓展性差，心电波形辨认的专业性强，不适合一般人使用[1]。为了减轻经济负担及更好地了解自己的身体状况，我们设计了具有ECG显示、体温显示及应急远程报警心电信号检测功能的显示仪。本设计特点基于HOLTEK MCU集心电信号显示及体温检测为一体，并能实时远程报警，操作简单，使用者无需专业知识便可知道自己的身体情况是否健康，便于普通家庭使用。
1 系統的构成
系统主要分为三部分：其一，心电信号的采集与显示；其二，利用红外热电堆温度传感器ZTP135进行体温检测显示；其三，利用发光二极管和蜂鸣器进行声光报警，借助可靠、成熟的通信网络，以短消息实现远程控制。系统主要有HT46F49E单片机[2]、TC35I通信模块、键盘输入模块、液晶屏、温度传感器ZTP135、AT24C02存储器及声光报警器等。
2系统硬件设计
系统收集主要是人的体表温度。测量过程中，在人体的体表安放一个探头，通过导线接到心电仪的放大器上，通过电位差值的大小就知道人体心电信号，从而还原成心电曲线图。测量时在人体的手或脚内侧面贴上探头，为了保证测量的准确性，我们对测量探头规定表示符号和导线的颜色。
本设计采用如下导联方式：
（1）LA：放大器同相输入端 （+）；
（2）RA：放大器反相输入端（-）；
（3）RL：放大器的参考点（0）。
3 前置放大电路的设计
因为电信号不仅微弱，且对其波形清晰度要求也颇高，所以应该具有输入阻抗较高、共模抑制比高、漂移小、噪声小、非线性度小，合适的频带及一定动态范围等特点。因此选用AD620集成仪放大器。
4 系统滤波电路的设计
根据本设计的指标要求，需要通过0.05Hz以上、105Hz以下的电波，且不能通过50Hz的干扰波。所以必须要用到低通、高通及带阻滤波器[3]。
（1）低通滤波器的设计
为使滤波更好，其一，设计用二阶滤波电路，在能得到同样的数据指标下，采用电路结构较为单一的滤波器，如用滤波Sallen-Key电路，但是在模拟仿真时，滤波效果与多重反馈型滤波电路具有一定差距，所以这里最终选择多重反馈型LPF。相比于Sallen-Key电路，多重反馈型滤波电路的高次谐波要小一些，而且高频衰减特性要好一些。
（2）高通滤波器的设计
截止频率为0.05Hz的低通滤波器的加入，促使心电信号的有用信号通过，滤除低于心电频率的信号干扰，为了达到好的滤波效果，在设计上使用高通多重反馈型滤波电路，但电路仿真后效果却没有增益为1的Sallen-Key高通电路，所以最终使用Sallen-Key电路。连接方式为Sallen-Key电路使用反馈输入端直接输出端反馈，如此电路可达到增益为1的高通滤波效果。
（3）带阻滤波器的设计
指标要求，加入陷波器以消除50Hz工频干扰。在带阻滤波器的选型上，为了达到较好的效果，考虑电路结构的简略化，选用具有双T正反馈的电路。双T电路被广泛地应用在零值网络中，由于Q值始终保持在1/4，可通过引入正反馈来消除。
（4）加法器与主放大电路的设计
由于心电信号十分微弱，所以在信号采集之后，我们设计了一级前置放大电路，但其放大倍数依旧达不到在LCD上显示的幅值，所以必须设置主放大电路。因为单片机的输入不支持负电压，所以还需要设置一级加法器电路，以便将负电压提到0点以上，为解决实际电压的幅值，程序编写时要将直流电压减去检测到的电压。为增加放大电路增益，增益值可设置为1000倍，以促使采集的电压信号最大为4mV。
5 体温的检测
由于人体电阻会对测量带来一定的误差，为了保证测量的精准性和可靠性，在设计中主要解决的问题是：信号如何放大、非接触式测量、环境温差等。鉴于此，我们在设计中采用了ZTP135传感器和OP07运算放大器，对数模转换问题及控制系统使用HT46F49E单片机。
6 键盘输入设计方案
为了方便相关人员现场读取达到精准的测量结果，我们需要解决的问题是：计算机不在外界干扰下工作、上电复位的准确度及单片机I/O口的占用。我们据此把键盘设计调整成矩阵式，在每一个键之后加入水平线和直线且在相交的地方不给予直接相连。如此，我们既解决了端口的占用还可以架构成2*2=4个按键，同时通过显示屏直观的还原出现场的体温度数和心电信号图形。
7 LCD液晶显示屏的设计方案
利用液晶显示屏12864LCD来显示所检测的心电信号波形和人体温度。在键盘输入过程中对所写入的状态进行显示。12864LCD模块内部存储了字符、字等，还可以用来展现图形，本系统就是用它来显示波形。其中1为高电平、0为低电平。
8 存储部件设计方案
为了解决对报警记录信息、人体温度存储问题，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的片外存储器AT24C02[3]。AT24C02特点：（1）该芯片是采用了I2C总线的存储器，大大省掉了MCU端口的引脚与电路板上的布线范围。（2）AT24C02采用了二线制协议串行总线（I2C总线）及其传输规约进行双向传输，传输速度增快。
9报警系统
由于正常的心电图波、段、间期与非正常的波、段、间期存在微小的差异，因此医生便通过对各波、段、间期的分析来判断病人的情况。在本设计中我们也将对所采集的心电图形的波、段、间期进行分析、比较，得到相应数据，再进行处理，通过TC35I通信模块利用网络远程报警。
10 结束语
本文以HOLTEK MCU单片机为主控，接收采集信号和信号处理均由单片机来实现，通过判别人体的心电信号是否正常，系统更好地将心电信号和温度值较为直观地展示到LCD屏上，使操作者能观察心电波的变化与体温变化；若单片机接收到与正常人体温度值和心电信号不一致的信号时，系统控制将通过网络模块实现短消息提示，使用户无论身在何处，家里人都可以通过短信了解其身体情况，具有一定预防身体疾病的作用。
参考文献：
[1]杨雪.吴水才.张松.白燕萍.家庭心电远程监护系统的新进展[J].生物医学工程与临床 2006（6） 391-394
[2]张鹏. HOLTEK HT46系列单片机.C语言实例教程[M].北京：北京邮电大学出版社，2010
作者简介：
王晓勤（ 1980年4月2 日出生），性别：男 ，籍贯：四川省泸洲市，单位：贵州工程职业学院，职称：副教授 ，研究方向：电路与系统.