(完整版)基于STM32的便携式心电图仪设计

目录

1 引言

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1.1 心电图仪在医学领域中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1.2 便携式心电图仪的发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2

2 系统总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

2.1 主要功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

2.2 系统设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

3 便携式心电图仪的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

3.1 最小核心系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

3.1.1 处理器的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

3.1.2 最小核心系统电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

3.2 人机交互界面的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12

3.2.1 显示界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12

3.2.2 按键设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3.3 前置放大电路以及右腿驱动电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

3.4 滤波电路以及陷波电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16

3.5 电源电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18

4 便携式心电图仪的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19

4.1 软件开发平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19

4.2 软件系统整体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21

4.2.1 软件总体分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21

4.2.2 STM32 软件系统设计流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21

4.2.3 软件总体流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

4.3 信号采集程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

4.4 数字滤波程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25

4.5 液晶程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26

5 系统调试结果及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27

5.1 调试手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27

5.2 测量调试以及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28

5.2.1 采集电路的测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28

5.2.2 滤波算法测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29

5.2.3 整体测试和结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30 结束语

⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34

1 引言

随着社会的进步、经济的发展以及人们生活水平的逐步提高，我国人口老龄化程度越来越严重，与此伴随的心脏病一类的疾病的发病率也不断攀升，人们的身体健康产生了巨大的威胁。相关数据表明，我国因心脑血管疾病死亡的人数将近占总死亡人数的一半[1]。根据相关部门的调查显示，我国每年大约有近一半的死亡病例为冠心病，而且死亡率还在逐年递增。每年约有16 万名患者接受支架植入手术，手术施行每年的增长率超过了五分之一。在我国因心脑血管疾病每年耗费达3000 亿元，由于受测试手段的局限，预防率、治疗率及控制率依然很低。预防率是有效防治心脑血管疾病的关键因素，而且有效的方便的心电监测仪器是完成这一任务的有力工具。

1.1 心电图仪在医学领域中的应用

人类的心脏有规律性的膨胀和收缩，从而使血液的循环。在心脏肌肉每次收缩之前，都会产生一股微小的生物电流，加上人体的体液能够导电，这些微小电流可以通过体液的传递就会反映到人体的表面皮肤上。不过受限于身体各部分组织不同、距心脏的距离不同，会造成体表的不同部位的电位有所不同。通过捕捉这个现象，将心电图显示出来的心电检测仪器，根据这些人体生物电信号，我们可以从不同角度观察心脏的活动情况。这是我们对心脏基本功能及其病理研究，具有重要的参考价值[2]。

心电图能够在一定程度上反映心律的运行状况，人的心肌受损的程度、发展过程以及心房、心室的功能结构情况都能通过它表现出来。这些都可以在心脏手术和药物的使用上提供重要的参考[3]。

常规心电监护设备体积笨重、价格昂贵和不便于携带，但是随着社会生活水平的提高，医疗器械家庭化开始逐渐进入我们的日常生活，家庭化的心电图仪器功能没有专业的大型的医疗设备齐全，但是它具有体积小、操作简单的优点，同时可以在一定程度上满足了人们的基本应用。我们可以用它在家庭或则其他地方很方便的进行心电图信号的测量，并根据进一步的处理，做基本的诊断，也可以把这些数据提交到专业机构做进一

步的详尽的诊断。这样也可以避免那些行动不便的病人，利用互联网技术，把数据通过远程传送的方式，提交到专业机构或指定的医院惊醒专业诊断和分析。

为了能够在更多场合更方便的诊断，各种各样的便携式心电图设备应运而生，常规心电图仪由于笨重只能在病人静卧的情况下记录的心电活动，历时时间短，获取的信息量很少，所以在有限时间内有些非正常的情况被发现的概率也是很低的。而便携式监护装置可以在随时随地的进行实时监护，并把数据存储起来。这样不仅可以节省时间，还可以得到实时的监护，所以研发便携式心电监护产品具有重要意义。本文主要研究的便携式心电图仪，即将普通心电图设备小型化、家庭化，具有低价位、体积小、便于携带和使用方便等特点。

1.2 便携式心电图仪的发展状况

1887年英国生理学Einthoven 通过对毛细管的静电计记录了心动的电流图[4]。1895 年他开始了对心脏动作电流的进一步研究，并通过对德?阿森瓦尔氏的镜影电流计的设计改进，提高了心电图的质量。1903 年他成功的设计了弦线式电流计，通过反射镜记录心动电流，解决了以前测量设备的惰性大，记录误差大以及需要繁琐的数学计算等缺点。同时，他又制定心电图的影线在纵坐标上波动1cm，代表1mV 的电位差，在横坐标上移动1cm 为0.4秒的标准。这种方法简单直观，并采用P、Q、R、S、T 等字母标出心电图上的各波，这种标记方法一致沿用至今。1912 年在他深入研究了正常心电图的波动范围后，提出了著名的“爱因托芬三角”理论。1924 年Einthoven 教授获得了诺贝尔生理学和医学奖[5]。总之这位被尊称为“心电图之父”的生理学家对心电图的创立及发展有着巨大的贡献。心电图从此开始逐步走进协助诊断疾病，并通过发展被广泛应用于临床。

随着社会的发展，心电图检测理论越来越成熟与完善，另外机械、电子、计算机等技术的迅猛发展，带动了医疗器械发生了革命性变化，极大的增强了心电图机的功能。随着现代科学技术的发展，特别是计算机、微电子、机械电子在医疗领域的广泛应用，极大的促进了心电设备的