简易心电图仪设计报告

简易心电图仪 设计报告

制作人:

余波（2010080060021） 张雯霁（2010013100033） 李翔鹏（2010013100004）

摘要：针对心电监护设备体积笨重、价格昂贵和不便于携带的局限性，设计了一种基于STM32芯片能够实时监控并且价格低廉的便携式心电信号采集仪。相比静态心电监护仪，具有可移动化、便于携带和实时的优点。能够存储24 h心电数据并可以通过USB接口与PC机进行数据传输。采用TFT-LCD实时显示心电波形，具有良好的人机交互界面。

1． 系统整体设计

1.0引言

心脏病作为一种常见多发慢性疾病，长期以来一直威胁着人类的健康，及时发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据，但是目前由于心电图机的应用场合的限制和HOLITER的价格非常昂贵，使得病人得不到实时监控，这对病人的病情诊断和治疗是极为不利的。便携式心电图设备的出现使心电信号能够在更多场合进行采集，它既可以实现可移动化，又可以实时的对心电信号进行分析。通过内置大容量存储器件能够对患者进行长时间的实时监护，并记录患者的心电数据，通过USB接口与PC机进行数据传输，以提交到专业医疗机构做进一步分析和诊断。

1.1系统整体设计概述

系统原理框图可以用图1表示。心电信号由电极获取，送人心电采集电路，经前置放大、主放大、高低通滤波、电平抬升后，得到符合要求的心电信号，并送入到STM32的ADC进行AD转换。为了更好地抑制干扰信号，在电路中还引入了右腿驱动电路。系统控制芯片采用STM32，TFT-LCD的触摸功能加上少量按键可以建立良好的人机交互环境，可以通过LCD实时显示和回放，采用SD卡可以存储24 h的心电数

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据，数据通过USB可靠地传输到PC机，以便对心电数据做进一步的分析。

2.系统主要硬件结构及电路

系统主要划分为三大部分：心电采集电路，主要完成心电信号的提取；带通滤波及主放大电路，用于调理采集到的信号，使之符合处理要求；STM32处理电路，完成心电信号的显示、分析、存储和数据传送功能。

2.1心电采集电路

心电采集电路是整个便携式心电图仪的核心，直接决定整个系统性能的好坏。心电采集电路主要包括：输入缓冲及前置放大、右腿驱动、高低通滤波器、主放大和电平抬升。体表心电信号的频率主要集中在0．05～100 Hz，幅度为10mV～4 mV，典型值为1 mV，是一种低频率的微弱双极性信号。而STM32的ADC输入端电压范围是0-3.3 V，因此需要对心电信号进行放大和电平抬升，总体放大倍数约为1 000倍，然后再通过电平抬升电路抬高1 V左右。心电测量中，实际的电极不可能完全对称，这样将会引起基线漂移现象，还有无处不在的电源工频干扰(50 Hz)，肌电干扰等，这些都要求心电前置放大器必须有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上。心电前置放大电路及右腿驱动电路如图。

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0C239pF2224V4120-5 V R72.8kΩ16190V10-5 V 2158183R62.8kΩR5390kΩ14U5133718617405C5200pF910R130114V85 V OP07CHU4186V3-5 V 0U16720V75 V INA118U390kΩC339pF00V27718OP07CH5 V 50C1R2390kΩ039pFV1-5 V 6R36341U22V6-5 V 214U3R410kΩ2263817390kΩ817034OP07CHV55 V 0OP07CH20V95 V 0 图1.前置放大电路

本设计选用INAl18仪表放大器作为系统前置放大器，它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输人阻抗等特点，它的增益可达1 000倍，计算公式为G=1+50 k／Rg。电极极化电压最大可达

300 mV，为了防止前置放大器进入截止或饱和状态，必须限制其放大倍数，这里增益取10，由G一1 +50／Rg得出Rg=5．6 kom，外部电阻Rg选用阻值为5．6 kom的精密线绕电阻。由于人体的阻抗和心电电极阻抗非常大，所以在前置放大前设计了一级跟随作为信号缓冲。为了更好地抑制50 Hz干扰，采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连，以降低人体的共模电压。

2.2带通滤波及主放大电路

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心电信号频带主要集中在0．05--100 Hz，因此带通滤波器设计的带宽为0．03--30 Hz以滤除干扰信号。带通滤波器用高低通滤波器来构成，如图所示，基于小型化和成本考虑，硬件滤波只用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器，虽然设计了右腿驱动电路，但是仍然有50 Hz干扰进入电路，本文不再设计50 Hz陷波器，而改为用软件的方法通过设计数字滤波器来滤除工频干扰，实验结果表明，通过高低通滤波后的信号波形清晰、特征明显，虽有一定得工频干扰，但完全可以用软件设计来滤除。

00R2150kΩ536241027V35 V 1847V4-5 V U294C247uFU13R126351kΩV2-5 V OP07CH678018C1100nF0V15 V OP07CH0 图2.高低通滤波电路

图中高通滤波器由OP07、c2、R2。组成，设置其截至频率为f=0．03 Hz，低通滤波器由OP07、c1、R1，组成，设置其截止频率为，一30 Hz。主放大电路要放大100倍左右，为更好地适应实际应用加入滑动变阻器使其倍数可调。

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