熊百川

摘要：人們生活節(jié)奏的加快和作息的不規(guī)律化使得心臟病的發(fā)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(jù)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(jiān)護的需求越來越大，需要更方便便捷的心電信號采集系統(tǒng)。

關鍵詞：單片機;心電信號

1.引 言

心臟的節(jié)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(fā)生改變，將這些信號經(jīng)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(tài)和期間發(fā)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(yī)學界的重點研究對象，多數(shù)廠商也會在這一領域投入大量資金，而隨著技術的發(fā)展，心電信號采集系統(tǒng)逐漸向著功能更加完善的方向發(fā)展下去。

大多數(shù)心電信號采集系統(tǒng)可以分為兩類，包括大型的醫(yī)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(shù)據(jù)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(tǒng)，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(shù)研究的重點，也有向著更加便攜的方向發(fā)展的設備。研究具有上述優(yōu)點的低功耗心電信號采集系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)要盡可能的降低長時間使用的發(fā)熱，并且保證日?？梢允褂玫碾娫醇纯晒╇姟?/p>

（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(tài)下所采集的到的心率和心電都有所不同，需要可以調節(jié)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(shù)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(shù)，所以準確的讀數(shù)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(shù)據(jù)會有誤。再通過STM32單片機以及程序的結合來實現(xiàn)放大，通過電容來實現(xiàn)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(shù)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(shù)值+1，采集15秒后計算得出心率，設定值根據(jù)人與狀態(tài)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(jié)中斷優(yōu)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(tài)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(shù)據(jù)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(tǒng)的研究和設計，在充分考慮到我國現(xiàn)在心臟病發(fā)病情況的實際狀況下，分析了心電監(jiān)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(fā)現(xiàn)，前期發(fā)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(tǒng)，可以隨時采集心電信號，避免了傳統(tǒng)的心電圖儀體積大，維護成本高的缺點，為心臟監(jiān)護提供了便捷的方法。

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