基于单片机的心电测量仪研究与实现.doc

郑州航空工业管理学院毕 业 论 文（设 计） 题 目基于单片机的心电测量仪的研究与实现 摘 要心脏病威胁着人体健康，而心电图可以诊断这类疾病，心电图中的心电信号即是本设计要测量的。本设计基于Arduino，它是一种以单片机为基础的新型开发平台，通过将开发板接口与AD8232心电传感器模块连接，实现心电测量仪的效果。AD8232心电模块，可以用于心电测量，也可以测量其他生物电信号，是一种集成模块。该模块内部包括仪表放大器，运算放大器，右腿驱动电路等电路。通过从体表提取心电信号，进行放大、滤波之后得到一个清晰的模拟心电信号，再通过模数转化之后显示。本设计使用 Arduino IDE 操作软件以及配套的processing 软件，将获取的心电信号通过USB接口传输到PC机上显示波形，以此达到观测目的。本设计分软硬件亮部分，硬件部分主要电路包含在AD8232模块中，软件部分主要为显示程序。关键词心电测量；单片机；AD8232；信号采集Research and implementation of ECG measuring based on SCM131308424 Shen Shu Hang Tutor:Wang Chun Yan LecturerAbstractHeart disease has always been a threats to health, and ECG is a significant way to diagnose, the ECG signal is designed to measure in this paper.This design uses the Arduino development platform, it is the use of Atmel company of AVR microcontroller and combining AD8232 ECG sensor module that achieve the effect of the ECG measurement. AD8232 module, which can be used in electrical measurement, and can also measure other biological electrical signals. In another perspective,it is a kind of integration module.There are an operational amplifier,a specialized instrumentation amplifier ,a right leg driver amplifier and other moudule in it.In addition,the AD8232 includes leads off detection circuitry and an automatic fast restore circuit that brings back the signal shortly after leads are reconnected.Through extracting the ECG signals from body surface, we can get a clear signal which is an analog signal after amplification and filtering,and then by the A/D modules the signal can be shown .This design uses the Arduino IDE operating software and processing software, will obtain the ECG signal transmission to the PC through USB interface display waveform and achieve observating the signal.This design divided into two parts, the hardware is included in the basic AD8232 module, software part is to display program.Key WordsECG measuring；SCM；AD8232；signal acquisition目 录一、绪论1（一）心电信号研究背景与研究意义1（二）心电测量仪的发展现状2二、心电信号及系统整体设计3（一）心电信号的构成3（二）心电信号的特点3（三）心电电极4（四）心电导联5（五）系统整体框图5三、硬件电路部分设计7（一）心电信号采集7（二）仪表放大电路7（三）右腿驱动电路9（四）滤波电路101.带通滤波器102.50HZ陷波电路11（五） 后置放大电路12四、Arduino平台及相应软件14（一）Arduino简介14（二）Arduino软件介绍15五、软件部分和波形显示17（一）模数（A/D）转换17（二）波形显示17六、总结19致谢20参考文献21附录22基于单片机的心电测量仪的研究与实现学号：131308424 作者：沈书航 指导教师：王春彦 职称：讲师一、绪论现代化社会中，人们越来越关注身体健康状况。当前，老龄化人口的比重正不断加重，而心脏病这类随着年龄增长患病几率越高的疾病也在增加。根据数据显示，在美国，每年死于心血管疾病至少有100多万人，死于心脏病的人数更多。心脏病发病很危险且没有规律，是威胁人们健康的一种疾病。研究表明，通过锻炼身体以及周期体检可以预防心脏病，因此心脏病患者按时有规律地做常规心脏检测，能有助越病症的发现，提早预防和治疗。然而这就要求病患人员常常要去医院检查，在一定程度上给人们生活带来的不必要的麻烦，所以设计一款轻便，简洁，易携带的心电测量仪是十分有意义的。（一）心电信号研究背景与研究意义 人类很早就开始测量心电，同时由于心电信号相比于其他的生物信号更易测量，并且规律比较明显，从而在医学的发展过程中心电仪一直处于重要地位。心电图对于某些心血管疾病诊断也十分有用，它可以有效分析，确定病情，因此在心血管疾病上心电测量仪作用显著，这也促使了海内外学者对心电的研究。过去对于心电图的分析只能通过笔和纸的演算，非常繁琐不便，但在1970年以后计算机飞速发展，对心电图的分析也大大提升，不仅效率高，而且更准确快速。1在这一阶段，市面上也大量出现了民用心电测量仪。 虽然心电仪发展迅速，但对于标准严格的医疗行业，心电测量的精度还远远不达标，这是因为现今对心电的分析还没一个统一规定，心电信号的各个波的识别也不精确，因此进一步研究发展更为精确的心电测量仪意义重大。（二）心电测量仪的发展现状目前，心电测量仪在医疗行业中运用十分广泛，同时该类设备在操作上便捷，观察记录简单，医院对其的需求也在增长，在临床的应用上颇受重视。在现代化科学发展中，专业的医疗心电测量仪已经成为医疗电子器件中不可缺少的一类仪器。同时科技的不断发展，促进了心电测量仪在医用监护仪技术的推广，让其在现代监护仪发展中占据了一大领域。心电测量监护，是通过测算和分析患者的生理参数，与正常的数值对比，分析出患者病症的程度。在过去因为技术能力不足，只能偶尔间断的测量患者生理参数，如今这个问题随着技术提升，已经可以通过计算机解决，通过完善的心电监护体系，可以在每时每刻监测患者病情，从而大大降低了希望率，保障了患者安全。这一系列心电测量的发展变化，使得心电监护体系愈加完善。29二、心电信号及系统整体设计（一）心电信号的构成见图2-1，可以了解到一个完整的心电波形具有具有五个波段：分别为P波、Q波、R波、S波和T。第一段P波，当心房兴奋时，会产生一个电位就是P波；在P和R之间，有一段P-R间期，是心电图等电线；QRS段，为QRS波群，是心室除极波，若该波群产生异常，会出现心肌梗死等危险；之后的ST段，是一段恢复极的波，常处于基线上；最后的T波，为心室复极波，T波异常，通常会有冠心病等症状。图2-1 典型心电波形（二）心电信号的特点首先，心电信号是一种生理参数，其特点如下：（1） 心电信号不稳定，由于人体与外界联系密切，且人体的各项机能通过心电信号的信息来反映，同时由于人体内脏是按特定机理分布于人体的腹腔和胸腔的，各器官之间会互相影响，所以外界刺激的变（2） 化常常会影响心电信号。因此，由于心电信号不确定的变化，我们要严格按照频谱特性来测量、处理和分析。（3） 心电信号具有低频特性，频率范围在0.05到100HZ，主要能量在17HZ上集中.（4） 心电信号具有干扰性。心电信号常常会受到来自生物体内的干扰，会受到很强的干扰。这些干扰因素主要来源于呼吸干扰、肌电干扰、肺部活动干扰；还有来自外部如50HZ工频干扰。由于人体心电信号强度远小于50HZ,但心电信号有常常含有50HZ频率，所以该工频干扰是最主要的干扰信号。（5） 心电信号具有近场检测特点，即需要从人体表面获取信号，离开体表测量就会影响准确度。（6） 心电信号还具有其他如：微弱性，随机性等特点。（三）心电电极 心电电极又称导引电极，作为一种导体，它通常用于提取人体的电信号。心电信号检测的准确度对电极的极化特性、电阻的阻抗和稳定性等因素十分依赖。现在心电检测是常使用表皮电极来检测。常用的表皮电极有：软电极、干电极、吸附电极等。其按不同材料可分为不锈钢电极、锌银铜合金电极、银-氯化银电极等。生活中常常用到的则是一次性电极，应为其使用方便，清洁卫生，所以本设计采用的也是一次性电极，其材料使用镀银-氯化银组成，不必消毒，用完即扔，可以避免交叉感染。见图2-2为常见的电极：图2-2 常见电极（四）心电导联心电导联，是用于获取人体心电信号。所谓心电图导联， 就是在人体不同部位贴上电极贴，心电测量仪正负极与导联线相连，通过这种方法，可以检测出来自于人体微弱的电位信号，这种电位信号差就是初始的心电信号。当前，国际社会常用为规定的导联体系是12导联，其包括标准I、II、III导联。这里由于篇幅所限，不一一列举，本文所用导联方式即为标准I、II、III导联，选择人体的三个肢体:左上肢，右上肢和左下肢为三级导联。见图2-3为导联线：图2-3 三导联线（五）系统整体框图本设计主要分为信号提取、信号处理、信号传输和信号显示。信号提取部分，主要依靠一次性电极贴和一根三导联的导联线来采集信号。接着将提取到的心电信号前置放大，这是由于心电信号微弱，只8有几毫伏，而我们的处理器工作电流必须是几伏的电压，因此进行放大，接着依次进行滤波，后置放大，由于提取的为模拟信号，需进行A/D转换，将信号传输给MCU,并通过USB数据线，将信号传输到PC机上，用相应的软件显示波形。见图2-4为系统结构框图：右腿驱动电路图2-4 系统整体框图单片机MCUPC机显示滤波电路后置放大电路仪表放大电路电极（LA）电极(RA)电极(RL)人体电极（LA）电极(RA)电极(RL)人体仪表放大电路后置放大电路滤波电路单片机MCUPC机显示 USB数据传送三、硬件电路部分设计本设计硬件电路部分主要包括：心电采集、仪表放大电路、滤波电路、后置放大电路四个部分。（一）心电信号采集由前面所述，本设计采用标准三导联方式采集心电信号，导联线有三种颜色：红、白、黑的接口，具体可见图3-1。 白线（LA）贴上一次性电极贴后，贴在左上肢； 红线（RA）贴上一次性电极贴后，贴在右上肢； 黑线（RL）贴上一次心电极贴后，贴在右下肢。具体如下图所示：图3-1 导联线贴图（二）仪表放大电路本文所用仪表放大电路用于将微弱的电信号放大到能使单片机微处理器能识别的电信号，通常人体电信号只有毫伏级，而单片机接受的信号电压通常为伏特级，这就要求放点电路的放大倍数在1000倍以上。图3-2 仪表放大器本设计选用INA118PB低功耗仪表放大器，作为电路放大，INA118 它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大。其原理图见图3-2：根据心电信号的特点，这就要求设计的放大电路具有：（1） 高增益，通常总的增益应在1000倍以上；本设计中，前置放大电路放大若干倍数，主放大电路（后置放大电路）再放大若干倍数，使得。（2） 高输入阻抗，由于信号源内阻在100K以上，在此设计的运放需有1M以上阻抗。（3） 高共模抑制比（CMRR），这是因为人体本身具有各种电磁波，而这些干扰大多是共模的，会对心电信号参生干扰，因此共模抑制比较高的放大器很必要。通常选用CMRR在80100dB的放大器。（4） 其他还有诸如低输入失调电压、电流，体温漂等要求。本设计前置放大电路由两个运算放大器（OPA2604AP）和一个仪表放大器组成。其中两个运放OPA2604AP组成一个差分放大电路，该差分放大电路能抑制共模信号，而差模信号则可以正常通过。此差分放大电路可以减小环境变化对电路的干扰，如温度噪声等，因此可以有效去除心电信号中的共模成分，原理图见图3-3：图3-3 前置仪表放大电路（三）右腿驱动电路所谓右腿驱动电路，实际是一种共模反馈电路，其作用主要是为了抑制来自于人体的共模信号，减小共模信号对心电信号的干扰。它通过将电极与右腿相连，获得的信号即为人体自身的信号，将其反馈给输入信号，以达到抑制共模信号的作用。本设计的右腿驱动电路，具有抑制共模信号，减小位移电流的作用，电路原理图见图3-4：图3-4 右腿驱动电路该电路的信号通过接口3，将信号反馈给INA118P，从而形成反馈回路。（四）滤波电路1.带通滤波器众所周知，设计带通滤波器的目的，是为了滤除干扰信号。由第二章的心电信号特点，我们可以知道，心电信号主要集中在一个特定频率范围，大致是0.05到100HZ,而主要集中在17HZ左右，因此适当地对信号进行滤波刷选是很有必要的，可以大大减少无关信号的干扰。本设计的带通滤波器作用同样如此，不需要太过精确，只需将获取的心电信号频率刷选在一定范围，见图3-5所示电路，C6和R9构成低通滤波，滤除0.5HZ以下的信号；由C5和R8构成高通滤波，将100HZ以上频率滤除,这样将频带范围内地心电信号保留，而滤除了无关信号。图3-5 带通滤波器2.50HZ陷波电路在我们生活中，充斥着众多看不见的电磁波，平常生活中这些电磁波基本不会干扰我们，但在对电信号敏感的试验中，它却无法忽略。在心电信号的提取过程中，有一项不可忽略的干扰信号，就是50HZ工频干扰，它是由市电电压以电磁波辐射传递到四周，从而影响心电信号的提取。而在此前的信号滤波中，只是将信号0.5100HZ以外的信号过滤，但对50HZ工频信号却无可奈何，因此设计该陷波电路，以滤除这一干扰信号。具体电路见图3-6所示。图3-6 50HZ陷波电路（五）后置放大电路后置（主要）放大电路，又称主要抬升电路。经前面的前置放大电路后，已经对信号放大了一定倍数，为满足需要，此电路需提升的放大倍数则在100倍左右，故又叫电平抬升电路，这样才能满足心电信号处理的要求。此电路主要由一个OP07C运算放大器和若干电容电阻组成，电路原理图见图3-7所示：图3-7 后置放大电路综合上述各个硬件模块，就是所需的心电传感器前端，它能将从人体体表提取的电信号进行一系列加工，最终传输给单片机。在此本设计的硬件部分已设计完成，接下来的章节将设计通过Arduino开发平台和相应的软件，把心电信号在PC机上显示成波形。四、Arduino平台及相应软件本设计选用Arduino开发板来与心电模块结合，从而达到心电信号波形的显示。在Arduino开发过程中常用的软件为Arduino IDE以及Processing程序处理软件。（一）Arduino简介Arduino IDE基于Processing IDE开发，是一个用于计算机，让其更好感知和控制外界的物理计算平台。它的基础是一个开源的微控制电路板，同时还有集成开发环境用作软件开发。它的开发环境类似Java和C语言。创作者通过是在用Arduino和Processing软件可以很快地实际出互动作品。如今Arduino已是全球流行的开源硬件，作为开发平台也十分受欢迎。同时，Arduino开发简便，更注重开发者自身的创意，使开发者能自如地实现创作，是如今硬件开发的潮流和趋势。Arduino是开源硬件平台，它所具有的优势就是价格低廉，部分模块可以手工组装。任何人都被允许生产电路板的复制品，还能重新设计，甚至销售原设计的复制品。Arduino其实是包含硬件部分（各种型号的Arduino板）和软件部分（Arduino IDE），下面是几款比较流行的Arduino开发板，见图4-1；图4-1 Arduino单片机Arduino电路板结构图见图4-2：图4-2 Arduino电路板结构（二）Arduino软件介绍 Arduino使用Arduino IDE进行编程,这是一款简单便捷的小软件，但同时也能满足各类基本的编程需求。通常只需在网上下载IDE,按装完驱动打开即可运行，其界面见图4-3：图4-3 IDE软件和Processing软件界面 此外，还用到一个Processing。Processing对于编程者是开源的，同时作为一种平台，它服务的对象通常是有灵感的编程人员和艺术家。为了实现作品的灵动性和互动能力，他们便会借助Processing,实现图像或影像的动态和静态化。一开始，该软件只是作为帮助人们实现编程并将之能显现出来的的学习工具，后来才逐渐演变成了一个完善的专业工具软件。见图4-3为Processing软件界面，因为这些小软件界面简洁，使用方变简单，在此不具体介绍使用方法。五、软件部分和波形显示（一）模数（A/D）转换在第四章中，我们设计了心电传感器前端，但由于采集的心电信号为模拟信号，而Arduino的AVR单片机是用的ATMEGA328P微处理器，因此需进行模数转换后，信号才能为芯片所识别。在此，本设计使用Arduino IDE 软件中的自定义函数 anglogread()和anglogwriter()来实现模数转换。（2） 波形显示本设计的波形显示使用Processing软件，在前面已介绍过它的作用和用途，在此进行操作说明。当将心电传感模块与Arduino连接完成之后，我们通过一根USB数据传送线与PC机相连，将IDE与Processing软件安装在电脑上。首先，定义Arduino开发板上的各输入输出接口，这里我们将10,11定义为输入口，用于检测是否有导联输入，将A0口作为模拟信号输入口，信号会通过串口传输到PC机上，然后载入Arduino的程序如下。将程序载入Arduino开发板后，就可以运行Processing软件，将波形显示程序添加到Processing，程序框图见图5-2所示，就会在电脑屏幕上显示出心电波形。波形显示见图5-1所示：图5-1 心电波形图图5-2 程序流程图六、总结总结以上，可以了解到，本次毕设以Arduino为开发基础，设计了心电传感器前端，同时通过相应软件实现了心电信号在电脑上的显示，当然本设计的心电测量仪还有待于完善，其精度也有待提高，这方面还需查阅更多资料准备更多的研究。本次毕业设计到此就告一段落了，在为期四个月的时间里，从最初的选题，查找资料，方案设计一点点开始，到现在完成设计，付出很多但也收获颇丰。在电路设计部分，一开始遇到很大困难，很多电路知识不是非常清楚，只好回过头翻书，但也因此对电路有了很深刻的印象。同时由于本毕设题目的性质，让我对心电方面的知识有了一个深入的了解，明白了心电测量对于治疗这方面疾病的重要性，拓展了课堂以外的知识，增强了理论知识与实际产品的结合，将理论与实际起来，收获颇丰。致谢转眼大学四年即将结束，我们的毕业设计也迈入尾声，在此诚挚感谢那些曾在我遇到困难时帮助我的同学，特别感谢我们的指导教师，在毕设期间，于百忙之中为我们解答各类困惑，为我的毕设提供理论指导，使我能完善本毕业设计。俗话说良师益友，良师我想就应是我们的指导老师了，同时也十分感谢室友的关怀和协助，正是有了他们的陪伴，我才能在求学之路上不断奋发，并共同前进。良