基于单片机的心电信号采集系统设计

熊百川

摘要：人们生活节奏的加快和作息的不规律化使得心脏病的发病率显著提升，心脏病因其隐蔽性和致命性在各种疾病中占据致死率的第一，是当今社会的首要健康杀手。而人们对心脏监护的需求越来越大，需要更方便便捷的心电信号采集系统。

关键词：单片机;心电信号

1.引 言

心脏的节奏性收缩与舒放将血液输送至全身，心脏的每个跳动周期都会使相应的生物电信号发生改变，将这些信号经过处理就可以得到心电信号。心电信号可以反应心脏的工作状态和期间发生的变化，通过体表微弱的电位差变化可以测得。心电信号的采集在临床应用非常广泛，对于各种心脏疾病诊断有着不可或缺的作用，是检查心脏的基本且必要的手段。而心血管疾病是医学界的重点研究对象，多数厂商也会在这一领域投入大量资金，而随着技术的发展，心电信号采集系统逐渐向着功能更加完善的方向发展下去。

大多数心电信号采集系统可以分为两类，包括大型的医院专用的高精密，体积大，维护成本高的设备，虽然这种设备采集数据比较大且精度较高，但同时限制也比较多。而另一种是可以随时检测的小型采集系统，而其核心为单片机及其控制电路。

由于心电信号易受干扰，带宽窄，幅度小等特点，所以采集信号时如何更好的放大，滤波以及祛除漂移的干扰是目前大多数研究的重点，也有向着更加便携的方向发展的设备。研究具有上述优点的低功耗心电信号采集系统有着重要研究意义。

2.设计的基本要求

由于心电信号离开人体表面微小距离后就无法检测，此外信号幅度极小，频率很低，容易受到外界的干扰，所以为了使设计的模块能满足基本需求，对该低功耗心电信号采集系统模块有以下几个基本的要求：

（一） 有合理的放大电路

因为心电信号大多较小，在mv级别甚至有时较难观测，为了解决这一问题，需要合理的放大电路，将较难读取的微小电信号放大成较容易观测和采集的电信号，从而为后面的采集做好准备。

（二） 有合理的滤波电路

心电信号属于人体电信号，人体电信号在采集中噪声幅度甚至可能超过心电信号，并且会受到各种干扰。诸如人体在呼吸时产生的基线漂移，它会使采集的信号上下移动。肌肉收缩与舒放产生的肌电干扰的人体内在干扰，肌电信号是很大的高阻抗信号源。此外外界设备也会对心电信号产生各种干扰。所以需要设计合理的滤波电路将这些干扰噪声控制在最小幅度内，可以以较低功耗实现心电信号的采集。

（三） 满足长时间使用的低功耗

大型的心电信号检测系统需要专门的供电，检测以及更高昂的维护成本，所以本次设计要设计的心电信号采集系统要盡可能的降低长时间使用的发热，并且保证日常可以使用的电源即可供电。

（四） 可以修改心电信号采集的频率

心电信号是不断变化的，在运动和平静状态下所采集的到的心率和心电都有所不同，需要可以调节采集心电信号的大小来确保每次采样的QRS波都能大于设定值。

（五） 方便读取的数值

可以通过显示屏方便的读取到当前心率，心电信号的变化以及峰值的大小，方便检测异常的心电信号。由于为了降低功耗而降低了采集点数，所以准确的读数需要一定的时间，但也不能太长导致不准确，需要平衡采集时间与采集准确度。

3.设计方案

硬件部分采用STM32F103C8T6作为主控元件，通过心电信号传感器采集指尖脉搏，进行较长时间的采集保证准确度，时间太少可能得出的数据会有误。再通过STM32单片机以及程序的结合来实现放大，通过电容来实现滤波，之后使用STM32单片机对处理过后模拟字信号进行采集转换为数字信号，并同时完成降噪的过程。当采集的心电大于设定值时数值+1，采集15秒后计算得出心率，设定值根据人与状态的不同进行微调。最后通过程序加载到OLED显示屏上，将时间段内采集的信号进行运算，得出心率和心电。

软件使用模块化加载，分别设计复位电路，时钟电路和交互电路的程序。ADC电路首先设置ADC的采集模式，调节中断优先级，开启0～3通道并设置采样时间使ADC采集可以工作在预设状态下。OLED模块同样进行初始化设置，开启OLED显示后进行清屏，然后高亮显示屏，通过列的高位和低位地址设定点阵的显示位置。最后通过驱动程序将处理好的数据送至显示屏进行显示。流程图如图所示：

4.结束语

本文通过对心电信号采集系统的研究和设计，在充分考虑到我国现在心脏病发病情况的实际状况下，分析了心电监护在慢性病中的大量需求，介绍了生物电信号的产生和特点，在基于STM32单片机的基础下，针对心脏病难发现，前期发病信号不明显等特征设计出了从采集，放大，滤波，降噪到最终显示的心电信号采集系统，可以随时采集心电信号，避免了传统的心电图仪体积大，维护成本高的缺点，为心脏监护提供了便捷的方法。

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