基于單片機的心電信號采集系統設計

熊百川

摘要：人們生活節奏的加快和作息的不規律化使得心臟病的發病率顯著提升，心臟病因其隱蔽性和致命性在各種疾病中占據致死率的第一，是當今社會的首要健康殺手。而人們對心臟監護的需求越來越大，需要更方便便捷的心電信號采集系統。

關鍵詞：單片機;心電信號

1.引 言

心臟的節奏性收縮與舒放將血液輸送至全身，心臟的每個跳動周期都會使相應的生物電信號發生改變，將這些信號經過處理就可以得到心電信號。心電信號可以反應心臟的工作狀態和期間發生的變化，通過體表微弱的電位差變化可以測得。心電信號的采集在臨床應用非常廣泛，對于各種心臟疾病診斷有著不可或缺的作用，是檢查心臟的基本且必要的手段。而心血管疾病是醫學界的重點研究對象，多數廠商也會在這一領域投入大量資金，而隨著技術的發展，心電信號采集系統逐漸向著功能更加完善的方向發展下去。

大多數心電信號采集系統可以分為兩類，包括大型的醫院專用的高精密，體積大，維護成本高的設備，雖然這種設備采集數據比較大且精度較高，但同時限制也比較多。而另一種是可以隨時檢測的小型采集系統，而其核心為單片機及其控制電路。

由于心電信號易受干擾，帶寬窄，幅度小等特點，所以采集信號時如何更好的放大，濾波以及祛除漂移的干擾是目前大多數研究的重點，也有向著更加便攜的方向發展的設備。研究具有上述優點的低功耗心電信號采集系統有著重要研究意義。

2.設計的基本要求

由于心電信號離開人體表面微小距離后就無法檢測，此外信號幅度極小，頻率很低，容易受到外界的干擾，所以為了使設計的模塊能滿足基本需求，對該低功耗心電信號采集系統模塊有以下幾個基本的要求：

（一） 有合理的放大電路

因為心電信號大多較小，在mv級別甚至有時較難觀測，為了解決這一問題，需要合理的放大電路，將較難讀取的微小電信號放大成較容易觀測和采集的電信號，從而為后面的采集做好準備。

（二） 有合理的濾波電路

心電信號屬于人體電信號，人體電信號在采集中噪聲幅度甚至可能超過心電信號，并且會受到各種干擾。諸如人體在呼吸時產生的基線漂移，它會使采集的信號上下移動。肌肉收縮與舒放產生的肌電干擾的人體內在干擾，肌電信號是很大的高阻抗信號源。此外外界設備也會對心電信號產生各種干擾。所以需要設計合理的濾波電路將這些干擾噪聲控制在最小幅度內，可以以較低功耗實現心電信號的采集。

（三） 滿足長時間使用的低功耗

大型的心電信號檢測系統需要專門的供電，檢測以及更高昂的維護成本，所以本次設計要設計的心電信號采集系統要盡可能的降低長時間使用的發熱，并且保證日常可以使用的電源即可供電。

（四） 可以修改心電信號采集的頻率

心電信號是不斷變化的，在運動和平靜狀態下所采集的到的心率和心電都有所不同，需要可以調節采集心電信號的大小來確保每次采樣的QRS波都能大于設定值。

（五） 方便讀取的數值

可以通過顯示屏方便的讀取到當前心率，心電信號的變化以及峰值的大小，方便檢測異常的心電信號。由于為了降低功耗而降低了采集點數，所以準確的讀數需要一定的時間，但也不能太長導致不準確，需要平衡采集時間與采集準確度。

3.設計方案

硬件部分采用STM32F103C8T6作為主控元件，通過心電信號傳感器采集指尖脈搏，進行較長時間的采集保證準確度，時間太少可能得出的數據會有誤。再通過STM32單片機以及程序的結合來實現放大，通過電容來實現濾波，之后使用STM32單片機對處理過后模擬字信號進行采集轉換為數字信號，并同時完成降噪的過程。當采集的心電大于設定值時數值+1，采集15秒后計算得出心率，設定值根據人與狀態的不同進行微調。最后通過程序加載到OLED顯示屏上，將時間段內采集的信號進行運算，得出心率和心電。

軟件使用模塊化加載，分別設計復位電路，時鐘電路和交互電路的程序。ADC電路首先設置ADC的采集模式，調節中斷優先級，開啟0～3通道并設置采樣時間使ADC采集可以工作在預設狀態下。OLED模塊同樣進行初始化設置，開啟OLED顯示后進行清屏，然后高亮顯示屏，通過列的高位和低位地址設定點陣的顯示位置。最后通過驅動程序將處理好的數據送至顯示屏進行顯示。流程圖如圖所示：

4.結束語

本文通過對心電信號采集系統的研究和設計，在充分考慮到我國現在心臟病發病情況的實際狀況下，分析了心電監護在慢性病中的大量需求，介紹了生物電信號的產生和特點，在基于STM32單片機的基礎下，針對心臟病難發現，前期發病信號不明顯等特征設計出了從采集，放大，濾波，降噪到最終顯示的心電信號采集系統，可以隨時采集心電信號，避免了傳統的心電圖儀體積大，維護成本高的缺點，為心臟監護提供了便捷的方法。

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