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学号：10417122常州大学毕业设计（论文）开题报告（2014届）题目基于单片机的肌电信号监测系统设计学生孙振学院信息科学与工程学院专业班级自动化101校内指导教师吕继东专业技术职务讲师二○一四年三月题目：基于单片机的肌电信号监测系统设计一、前言1．课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1课题研究的意义：肌肉的生物电活动形成的电位随时间变化的波形称为肌电图（EMG）。肌电信号（EMG）是肌肉中运动单元动作电位（MUAP）在时间上和空间上的叠加，表面肌电信号则主要是浅层肌肉EMG和神经干上电活动的综合效应。因此肌电信号的检测处理得到了越来越广泛的应用。在临床医学中，肌电图测试已成为日常诊断某些椎体外神经肌肉病变的有力手段。在体育训练和运动生物学领域中，肌电也已成为对运动员或其他人员的分析的依据。所以，用表面肌电信号的检测与分析也为人们所重视【4】。近年来,随着计算机技术与数据处理技术的发展,越来越多的学者开始从事表面肌电信号(sEMG)的研究,并将其广泛地应用于肌肉生理、肌肉代谢、康复医学及体育运动等方面的研究和神经肌肉疾病诊断。与此同时,由于生物电信号的微弱性,怎样有效获取sEMG也是一项具有挑战性的研究。因此,研制出一种性价比高、方便实用、性能稳定的sEMG数据监测系统具有重要意义。[3]1.2国内外研究现状和发展趋势：国外：国外的肌电放大采集系统发展半个多世纪，已经较好的解决了原始信号的提取放大分析。加拿大Thought公司是全球表面肌电领域的领导厂商，经过三十年的持续发展，其表面肌电的提取、分析、训练技术已成为全球公认的最高标准。其全球专利数字传感器技术，有效的还原原始信号，可以对多路的肌电，心电，脑电等生理参数进行分析。提供多种函数运算,同时支持全程数据分析、分段分析、实时分析，和开放数据输出至SPSS、MatLab、ASCLL。荷兰BioSemi公司的ActiveTwo采用280通道，24位解析度能有效的检测肌电和脑电，其应用程序可直接与电脑相连。国外公司肌电采集系统能很好的完成肌电信号的提取采集，但是由于高昂的价格和较差的兼容性，以及较差的便携性，对于我们的康复工程和假肢控制带来不便。[2]国内:在国内生理信号采集技术已有几十年的技术积累。70年代末，国内医学信息技术进入了新的发展阶段。许多专家开始了以赶超国际医学研究水平为目标的课题实施。而真正以微型计算机为基础的革命性生物医学工程研究则从80年代初开始。83年后，由Z--80至8086/8088CPU及PC总线机种与DOS系统的普及，尤其是国产化优质价廉的采集控制接口产品的推广，给国内生理医学工程技术的发展，注入了强有力的增长剂。国内近几年肌电采集放大系统发展迅速。南京大学微弱信号研究中心研制的HB-851系统能采集到原始的肌电信号，能够比较好的消除噪声的影响。Pclab生物信号采集处理硬件主要完成对各种生物电信号（如：心电、肌电、脑电）与非电生物信号（如：血压、张力、呼吸）的采集，并对采集到的信号进行调理、放大，进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。特别是近2年合肥旭宁有限公司的表面肌电仪可以选择有线/无线模式，存储器保存原始肌电数据，数据完整性，在不需要计算机干预的情况下，独立实现肌电信号采集和存储。对于国内进行的已经研究出来的采集系统，也都能较好的实现肌电信号提取采集，但是对于我们日后进行的假肢控制依旧会因为设备体积，繁琐性带来不便。[2]发展趋势：自1791年伽伐尼(Galvani)证实肌肉收缩与电有密切关系以来，1851年法国的杜波依斯一雷蒙德(Dudois-Reymond)首先检测到人体肌肉随意收缩时能产生电信号，随后1922年加塞(Gasser)和厄兰格(Erlangre)利用阴极射线示波器代替传统的检流计观察到肌电图，并因此而荣获1944年的诺贝尔奖。整个19世纪和20世纪初叶，许多学者对神经肌肉电现象进行的大量研究并建立大量学说，为临床肌电图学的建立和应用、肌电控制假肢的出现以及肌电信号检测分析在康复医学、运动医学、运动生物力学等各个领域的广泛应用奠定了理论墓础。20世纪中叶以来，随着电子技术的迅猛发展和电子计算机的出现以及神经肌肉生理学研究的进展，新的检测和记录技术已经使人们可以对肌电信号和神经肌肉功能进行极为细致的研究。复杂的信号处理与分析技术的出现和微处理器的引入使得肌电信号的定性分析成为可能。这为肌电信号检测处理的广泛应用开拓了良好的前景。早在1950年，肌电信号就已经被应用于假肢的控制方面，首先在苏联，然后是欧洲、加拿大和美国，但当时只是利用这种肌电信号的功率作为控制参数而不是利用这种信号的整个时间（与时间有关的）模式。由于信号的功率只是信号的单一参数，所以只能在为数不多的多功能控制中得到应用（即在若干关节上控制若干个假肢功能），在这些多功能的应用中，需要采用多电极的办法（约有10个电极场），例如波士顿臂、Utah臂和瑞典臂。在这些情况中，只考虑这些信号功率的空间分布作为功能判别的依据，即作为决定哪一个假肢功能被激发的依据。只有在紧凑的、快速的和具有相当效力的微机出现以后才有可能考虑整个肌电图信号的时间模式，由单（或两个）场多参数的随机信号时间模式来代替在多场信号功率中获得信息。目前，国内使用的大部分肌电控制假肢仅有一个自由度，上海交通大学清华大学都曾研制过单自由度肌电假肢，它通过拾取截肢者残端的一对拾取肌（如腕伸肌和腕曲肌）的表面肌电来控制假手驱动电机的正反转，使其模拟人手的张合运动。但是多自由度假肢的肌电控制尚未成熟，如果患者需要实现两个以上自由度的控制，通常是采用多电极、多阈值或顺序控制等传统方式，由患者通过触碰开关或多次用力来实现，采用这类方式控制的多自由度肌电假肢因存在操作不方便、误动作多、仿生性能差等缺点而在市场上较少见。[4]2．课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题目标：基于51单片机设计出一套能够实现对肌电信号放大、监测、采集显示的系统，并且最终讲肌电信号通过串口展示在计算机上。研究内容：1.肌电信号的拾取以及对信号的放大。2.肌电信号的采集过程中程序编写与调试。3.肌电信号的显示并最终保存显示结果。关键问题：1.肌电信号本身是一种较微弱的电信号。检测和记录表面肌电信号，需要考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响,提高信号的保真度。2.肌电信号采集过程中依旧混杂着许多噪声，肌电信号实际精度不高，可以考虑通过一些仿真软件继续设计更加复杂和优良的滤波电路。3.由于人的个体差异性，残疾人肌电信号的特殊性，需要进行大量的实际测试以求的更加合适的肌电信号放大倍数，保证肌电信号的准确性。4.系统的采集往往依旧需要依靠计算机为依托，需要设计一种可以实现无线数据传输的肌电信号采集系统，使得肌电信号数据采集更加及时和方便。二、研究方案的确定研究路线、方法，拟使用的主要仪器、药品2.1肌电信号特性1.微弱性由于肌电信号是伴随着肌肉产生并且从人体皮肤表面提取出的一种微弱的电信号，一般只有微伏级电压信号。2.交变性肌电信号是一种无序的交流电压信号，它与肌肉冲动时产生的肌张力大致成比例(在幅值上，在不同力度的肌肉运动下所取得的肌电信号幅值也是不相同的。3.对称性将肌电信号的采样数据进行算术相加，然后除以总点数，就得到算术平均值。根据肌电信号的数学模型我们可以知道肌电信号可以当成是由许多正弦波相互叠加后组成的，因此正相值和负相值相加后趋向零。4.低频特性人体皮肤表面肌电信号的频谱范围为0～1000Hz之间，功率谱的最大频率随肌肉而定，通常在10～200Hz之间，EMG信号的主要能量集中在200Hz以下（占了80%以上）。经过多组实验可以看出，尽管不同肌肉各频段的能量分布有所差别，但是它们的主要能量分布在200Hz以下。5.不同肌肉的肌电信号存在差别性通过实验发现：在频域上，不同肌肉的肌电信号，其频率的幅值不仅存在频率范围上的差别，更重要的是在功率谱的分布各有特征；在能量幅值上，肌电信号的峰值根据不同人的肌电信号的峰值也会不同。健康人的肌电信号大体可以找到较好的肌电信号的规则，但是残疾人由于肌腱损伤程度、残疾时间、肌肉疲惫程度等因素的影响，使得与正常人的肌电信号有着较大的不同。2.2研究路线方法:2.2.1信号的放大表面肌电信号是一种非常微弱的生物电信号，在设计肌电信号采集系统时，要根据其特性进行放大，人体是一导电体受到周围的电场，磁场的干扰肌电信号的采集，影响有用信号的提取放大。所以如何设计放大电路和滤波电路成为肌电信号系统采集的关键。对于数据采集系统的开发，在设计方案之前，首先必须对所要采集的对象进行分析研究，在此基础上，根据实际对象的要求来确定系统所需要完成的数据采集任务和技术指标；其次，还要在保证满足性能指标的前提下，尽可能地合理对芯片进行选型，降低系统成本，以便使应用得到较高的性价比。本课题对肌电信号的采集、特征提取可以用来控制假肢，手势识别和分析肌肉疲劳程度等。设计框图：单元电路设计：1．电极：近年来，随着检测技术和信号处理手段的进步，研究如何用表面EMG信号代替针电极EMG进行全面临床无损诊断，已经成为医学和生物医学界研究的恶热点之一。表面电极测量一般会带来比较明显的工频干扰，一般用工频陷波器来滤除。本设计电极采用Ag／AgCl表面电极，它的极化电压很小，能很快稳定下来，有利于肌电信号的检测。2．高频滤波电路：3．前级保护电路：保护电路要求在输入出现高压时不会损毁电路，二极管选用低漏电的微型二极管1N4148，其最大允许通过的瞬时电流为100mA。它在干扰电极的冲击下，一旦电压过大就会阻隔，使得仪器本身不会被破坏。4．前级放大电路（右腿驱动）：本部分电路包括并联输入差分放大，高通滤波，仪用仪器（三运放）以及右腿驱动电路组成。电路开始选择双运放放大，增益为3，图中R3=R4=20K。这样既可以提高差模电压，也不会加大极化电压的影响。fCR21然后是高通滤波，选择截止频率为10赫兹。根据取R5=R6=10K，C2=1.59μF在R5与R6之间加跟随器构成共模驱动，消除共模信号的影响。右腿驱动电路，电路参数如图所示，该电路可以有效抑制共模干扰的能力。电容的作用是使是驱动电路工作稳定。由于肌电信号的幅值在0.02~5mV之间，因此放大器的总增益为1200~3000。仪用放大器的增益选为200.根据A=1+50K/Rg,得Rg=250Ω.我选用了低噪声的集成仪用放大器MAX4194作为放大器的核心元件来抑制放大器本身的噪声。同时，最大限度地提高肌电信号前置放大器的增益。不仅可以有效地抑制电子器件的噪声，还能提高电路的共模抑制比。MAX4194利用2.5~7.5V的单电源或+-1.35~3.75V的双电源工作,静态电流仅约为9933μA.MAX4194为满摆幅输入和输出放大器,摆幅范围为VVeeee++00．．22vv～～VVcccc——11．．11vv。。放大器的输入失调电压VVooss仅约±±5500μμvv，，失调电压输入失调电流IIooss典型值为±±11．．00μμAA，，失调电压输入偏置电流II，，典型值为为66nnAA。。失调电压MAX4194是一种可变增益放大器.放大器的应用领域比较广泛,其中包括医疗设备,热电偶放大器,4~20mA环路发射器,数据采集系统,流量传感器,桥式放大器,传感器/换能器接口,电池供电的便携式设备等.下面是MAX4194的管脚图和内部结构图。2.2.2信号采集肌电信号采集系统的特点及其设计思路肌电信号的幅值和能量是非常微弱，幅值只有μV～mV数量级，所以为了采集出肌电信号需要对微弱的肌电信号信号进行相应的放大处理，才能达到AD采集单元的要求。由于人体本身就是一个导电体，外界的工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰和影响肌电信息的检测，所以信号的滤波和电路的屏蔽就成为了放大电路研究的重点。肌电信号的采集电路包括以下几部分：输入电极、前置放大、低通电路、50Hz工频滤波电路、高通电路、可变增益放大电路、有效值电路等针对表面肌电信号这一对象，考