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基于STM32的脉搏心率检测仪的信号处理算法与实时心率监测实现脉搏心率检测仪是一种能够检测人体脉搏和计算心率的设备。
在这个任务中，我们将探讨基于STM32的脉搏心率检测仪的信号处理算法和实时心率监测实现。
一、信号处理算法信号处理算法是脉搏心率检测仪的核心，它能够从人体的脉搏信号中提取出心率信息。
以下是一个基于STM32的脉搏心率检测仪信号处理算法的示例：1. 利用ADC采集模块获取脉搏信号：STM32通过ADC采集模块可以将模拟信号转换为数字信号。
我们需要将脉搏信号连接到STM32的ADC输入引脚，并设置ADC的采样频率和分辨率，以获取准确的脉搏信号。
2. 预处理脉搏信号：通过预处理脉搏信号可以去除噪声和基线漂移。
这可以通过使用数字滤波器和差分运算来实现。
例如，我们可以使用低通滤波器去除高频噪声，并使用高通滤波器去除低频噪声。
差分运算可以帮助提高信号的边缘性。
3. 提取脉冲峰值：在脉搏信号中，心脏搏动会导致信号的峰值。
我们可以使用峰值检测算法来提取出脉冲峰值。
一种简单的方法是找到信号中的极大值点。
通过计算两个相邻极大值点之间的时间间隔，我们可以得到一个粗略的心率值。
4. 心率计算和平滑滤波：通过上述步骤，我们得到了脉冲峰值的时间间隔，然后可以通过简单的算法将其转换为心率值。
此外，为了提高心率值的准确性，我们还可以应用平滑滤波算法。
例如，我们可以使用移动平均滤波器来抑制心率值的突变。
二、实时心率监测实现实时心率监测是脉搏心率检测仪的另一个重要功能。
以下是一个基于STM32的实时心率监测实现的示例：1. 显示实时心率值：使用STM32的LCD显示屏或者其他合适的显示设备，将实时心率值显示出来。
可以通过GPIO引脚连接到相应的显示设备，根据心率值的变化实时更新显示。
2. 设置心率阈值报警：对于一些特定应用场景，我们可以设置心率的阈值范围，并在心率超过或低于设定阈值时触发报警。
通过使用STM32的GPIO引脚连接到蜂鸣器或者应急设备，当心率超出设定阈值时触发报警。
51单片机电池电量检测系统设计1. 简介本文档描述了一种使用51单片机设计的电池电量检测系统。
该系统旨在监测电池的电量，并通过51单片机进行数据处理和显示。
该系统适用于需要监测电池电量的各种设备，如智能手表、无人机等。
2. 系统设计2.1 系统架构该电池电量检测系统由以下主要组件构成：•51单片机：作为系统的核心处理器，负责数据采集、处理和显示。
•电压测量模块：用于测量电池的电压。
•LCD显示模块：用于显示电池电量信息。
•按钮模块：用于系统操作和设置。
2.2 硬件设计2.2.1 电压测量模块电压测量模块主要由一个ADC转换器组成，用于将电池电压转换为数字量，以便51单片机进行处理。
2.2.2 LCD显示模块LCD显示模块用于显示电池电量信息。
可以使用基于液晶技术的LCD模块，通过51单片机控制显示电池电量的百分比或其他信息。
2.2.3 按钮模块按钮模块用于系统的操作和设置。
可以通过按钮模块实现电池电量的复位、设置电池类型等功能。
2.3 软件设计2.3.1 系统初始化系统初始化时，51单片机将初始化ADC转换器、LCD显示模块和按钮模块。
设置合适的ADC参考电压，配置LCD显示模块的参数，并对按钮模块进行初始化。
2.3.2 电池电量测量系统将定时读取ADC转换器的数值，转换为电池电压。
然后，根据电池的电压和电池类型进行电量计算，并将计算结果存储在内存中。
2.3.3 数据显示每次电池电量测量完成后，系统将更新LCD显示模块上的电量信息。
可以通过LCD显示百分比、图形等形式显示电池电量信息。
2.3.4 系统操作通过按钮模块，用户可以对系统进行操作，如复位电池电量计数、设置电池类型等。
3. 总结本文档描述了一种使用51单片机设计的电池电量检测系统。
通过ADC转换器测量电池电压，并使用LCD显示模块显示电池电量信息。
此系统可广泛应用于电池电量监测领域，提供方便和准确的电量监测功能。
基于单片机的脉搏测量仪设计毕业脉搏测量仪是一种用于测量人体脉搏的仪器，可以根据脉搏信号来分析人体的心率和心律。
基于单片机的脉搏测量仪具有体积小、功耗低、成本低等优点，适用于个人使用和医疗机构。
设计一个基于单片机的脉搏测量仪的系统主要分为硬件设计和软件设计两个部分。
硬件设计部分包括传感器、滤波电路、放大电路和显示电路等。
首先，选取合适的传感器感知人体脉搏信号。
一种常用的传感器是心率传感器，它能够非侵入式地探测人体脉搏信号。
心率传感器一般采用光电技术，通过血液中的脉搏信号的变化来测量心率。
将心率传感器与单片机进行接口连接。
其次，对传感器输出的脉搏信号进行滤波处理。
脉搏信号包含许多杂散噪声，需要通过滤波电路进行滤波处理，以减小噪声对信号的干扰。
常用的滤波器有低通滤波器，可以滤除高频噪声信号。
再次，通过放大电路对滤波后的脉搏信号进行放大，以增加信号的幅度，方便后续的分析处理。
放大电路采用运放电路，通过调整放大倍数和增益可以使信号更好地显示。
最后，通过显示电路将放大后的脉搏信号进行显示。
显示电路可以选择液晶显示屏、LED指示灯或者数码管等。
设计时要考虑显示界面的清晰度和易读性。
软件设计部分包括数据采集、信号处理和心率计算等。
数据采集模块负责从传感器获取脉搏信号，以一定的采样频率采集信号，并存储到单片机的存储器中。
信号处理模块对从传感器得到的脉搏信号进行处理，如滤波、放大等。
滤波可以采用数字滤波算法，如均值滤波、中值滤波等。
放大可以通过调整放大倍数和增益来实现。
处理后的信号可以传递给心率计算模块。
心率计算模块负责根据处理后的脉搏信号计算心率。
心率计算可以采用峰值检测算法，通过寻找脉搏信号的峰值来计算心率。
可以设置一个合适的阈值，当脉搏信号超过阈值时，认为达到峰值。
设计完成后，通过实验验证系统的准确性和可靠性。
可以与专业医学仪器进行对比，比较测量结果的一致性。
可以使用心电图或其他血压计进行参考。
综上所述，基于单片机的脉搏测量仪设计可以实现对人体心率的测量和分析，具有体积小、功耗低、成本低等优点。
基于单片机的远程监测系统的实时监测与报警机制设计实时监测与报警机制是一个基于单片机的远程监测系统中至关重要的部分。
它能够及时检测到系统中的异常情况，并发送报警信号给用户，以便用户能够及时采取措施来解决问题。
本文将详细介绍基于单片机的远程监测系统的实时监测与报警机制的设计，并提供一种有效的实现方案。
1. 系统架构设计首先，我们需要设计系统的架构。
一种常见的设计方案是将系统分为传感器模块、单片机模块和远程通信模块。
传感器模块负责采集数据，单片机模块负责处理采集到的数据，并根据设定的阈值进行监测和报警，远程通信模块负责与用户进行通信并发送报警信号。
2. 数据采集与处理传感器模块负责采集数据，可以包括温度、湿度、压力等多个参数。
采集到的数据将通过模拟输入引脚或数字输入引脚输入到单片机中进行处理。
单片机可以使用AD转换器将模拟信号转换为数字信号，然后进行相关的数据处理和分析。
3. 监测与阈值设定单片机模块通过读取传感器模块采集到的数据，可以实现对监测参数的实时监测。
监测参数可以根据具体需求进行设定，例如温度是否超过某个阈值、湿度是否过高等。
单片机通过比较采集到的数据与设定的阈值，可以判断系统是否出现异常情况。
4. 报警机制设计一旦单片机模块发现系统出现异常情况，需要及时向用户发送报警信号。
报警信号可以通过声音、光线或者无线通信的方式进行传递。
例如，单片机可以通过蜂鸣器发出警报声音，或者通过LED灯闪烁进行提示。
此外，单片机还可以利用远程通信模块，将报警信息发送给用户的手机或者电脑，以便用户能够及时收到报警通知。
5. 远程通信模块设计远程通信模块起着将单片机模块与用户进行连接的重要作用。
它可以采用无线通信技术，例如Wi-Fi或者蓝牙等，实现与用户设备的无线连接。
通过远程通信模块，单片机可以将实时监测到的数据和报警信号发送给用户，并接收用户的指令进行相应的操作。
以上是基于单片机的远程监测系统的实时监测与报警机制的设计方案。
9种不同类型心电监护仪的设计方案，包括便携式、远
随着人们生活节奏加快，人口逐渐老龄化，心脏疾病成为危害人类健康和生命的主要疾病之一。
心电监护系统为心脏病人诊断和治疗提供了一个有效的手段，对心脏疾病的防治和诊断具有重大的意义，本文为大家介绍几种心电监护仪的设计方案，包括便携式，低功耗，远程监控等类型。
基于Android 的低功耗移动心电监控系统的设计方案
本文通过研究人体心电信号的各项主要特征和实际监测应用需求，设计开发了一套无线传感心电信息监测系统，该系统通过嵌入内衣穿戴的智能电极对心电信号进行采集处理，并通过目前已成为移动设备标配的蓝牙无线数据网络将心电数据发送至Android 智能监控终端进行接收数据的存储、管理和分析。
基于Linux 和MiniGUI 的心电监护仪设计
本介绍一种基于Linux 和MiniGUI 的心电监护系统，能够满足患者随时随地对心电进行方便快捷的监测，及时地发现异常情况并采取有效的措施，从而更好地保护人们的身体健康。
基于TMS320LF2407A DSP 的心电监护系统分析
本文设计了一种以TMS320LF2407A DSP 为信号处理器的心电监护系统，该系统把心电信号的采集、分析和显示集成于一体,而且系统体积小、成本低、便于携带、实用性强。
基于S3C2410 设计三导联远程心电监护
本方案是基于S3C2410 设计三导联远程心电监护系统，可以对心脏病患者进行实时监护。
具有无线传输功能，因而患者可以不受时间和空间的限制使用本系统。
系统的24 小时无间断心电图记录功能，足以捕捉突发性的异常心电数据，为医护人员提供有力的诊断依据。
基于单片机的病室监护系统设计1设计的背景及目的病室监护系统是集中了各种专业知识和医疗技术，以及各种监护设备，医护人员根据这些先进的医疗设备所监测到的数据，对病人进行救护和治疗，这样就提高了医护人员的工作效率和救护的快速性和及时性，是提高医院和病室护理水平的必要设备之一。
近年来常常出现因护士医生的粗心而导致某些医疗事故，不仅给病人及病人家属造成了相当程度上的损害，同时也影响了医院的声誉。
因此，针对医院看护问题，应设想出一套病房监护系统的方案。
整个监护系统的核心部分是输液报警器再辅之以温度检测仪、脉搏检测仪、心电信号等。
输液报警器的作用是当输液结束时能够自动关闭输液管。
温度检测仪是利用温度传感器，随时监控病房内的病人的体温以利于护士及时作出相应的措施。
脉搏检测仪是利用脉搏传感器，通过病人的手指就可以测到脉搏，跟传统意义上的人工测试脉搏相比，大大的节约了人力物力资源。
心电信号检测器是对病人的心电做记录，随时监控病人的心电信号以利于护士及时作出相应的措施。
本设计是以AT89C51为核心的病床监护系统，对该系统的硬件和软件结构进行了相应的描述。
通过对病区的数据采集，实现医院医疗人员值班室和病人房之间的通信呼叫联系，具有使用方便、操作简单等特点。
随着全球老龄化进程的加快，全球生存环境的恶化，以及人类对健康关注的增加，医疗行业正快速膨胀。
由于医疗行业的客户是患者，医疗行业比任意一个行业都需要提高客户满意度。
患者希望得到最佳质量的护理和服务，因为他们的生命就掌握在服务提供者的手里，所以他们提出要求的苛刻程度超过其他任何客户。
如何更好的满足患者的要求，提高患者的满意度，是从事医疗行业的所有管理人员应该思考的问题。
在中国，约在30,000个医院中仅30％的医院拥有自己的信息管理系统,拥有前端电话接入系统的医院就更少了，前端电话接入系统包括智能话务引导，智能话务分配，传真自动收发，呼叫管理监控，短信自动收发与管理，电子邮件的收发管理等系统，这些子系统是独立于后端的业务层。
第24期2023年12月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.24December,2023作者简介:朱智(1994 ),男,江苏徐州人,助理实验师,本科;研究方向:控制工程㊂基于单导联ECG 监护系统的嵌入式技术课程案例设计朱㊀智(无锡太湖学院物联网工程学院,江苏无锡214063)摘要:针对嵌入式技术课程中理论抽象和设备技术深度不足的问题,文章设计出单导联ECG 监护系统的案例,致力于提升学生在嵌入式领域的学习体验㊂课堂教学采用案例展示㊁教师分析㊁学生分组设计仿真和小组答辩等形式,以提高学生的参与度㊂研究结果表明,以嵌入式技术在单导联心电监护系统中的应用为背景,能够有效地激发学生的学习兴趣,加深学生对系统概念的理解,提高学生在心电信号分析设计方面的综合能力,实现理论与实践的有机结合㊂关键词:ECG 监护系统;嵌入式技术;教学案例中图分类号:G642㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀ 微机与单片机嵌入技术 课程作为电子信息等专业的必修课,旨在培养学生将理论知识与实际工程设计相结合的能力[1]㊂该课程全面涵盖了系统架构㊁硬件原理与驱动㊁软件指令体系和编码等多个设计方面,与硬件和嵌入式操作系统也密切相关[2]㊂然而,教师在授课时面临学生对抽象概念的难以理解㊁跨学科挑战以及设备限制和实验条件不足等问题㊂技术更新速度快和理论难与实践相结合等问题也增加了课程的教学难度[3]㊂为解决这些问题,创新性的教学方法和产业界的合作显得尤为重要㊂采用创新教学方法,如案例教学和实践项目,提高学生对抽象概念的理解和实际操作能力;加强与产业界的合作,提供实践机会和现代化设备支持,确保学生紧跟技术发展[4]㊂这些综合性的举措帮助课程更贴近实际应用,更好地培养学生的综合能力㊂大部分高校教学以实践创新为主,但在实际操作过程中却面临着教学内容和案例相对枯燥,缺乏系统性和实际应用,导致学生难以深刻理解[5]㊂微机与单片机嵌入技术 课程中,为了帮助学生更深入理解嵌入式概念,课程引入了案例展示㊁教师分析㊁学生分组设计仿真和小组答辩等教学环节,提高了学生的参与度㊂本文设计单导联ECG 监护系统案例以解决 微机与单片机嵌入技术 理论学习内容抽象的问题㊂该教学案例帮助学生掌握外围电路设计㊁STM32处理器的性能㊁结构和编程㊂通过案例教学和上机训练,学生将获得更为丰富的实际动手经验,为今后微控制器系统的设计和应用打下更为坚实的基础㊂1㊀ECG 生理检测原理1.1㊀ECG 信号产生原理㊀㊀心电信号是心脏组织发生电兴奋时产生的电信号[6]㊂如图1所示,在静止状态下,心肌细胞膜呈极化状态,即膜内负电荷㊁膜外正电荷㊂受到刺激时,细胞膜通透性改变,导致细胞膜内外电荷分布发生变化,形成心脏的去极化,也称为除极㊂复极是电荷恢复到极化状态的过程㊂心脏通过周期性的除极和复极,在人体表面形成电位差,伴随着心脏的收缩与舒张[7]㊂图1㊀心脏传导在心脏收缩之前,窦房结肌细胞等组织发生离子流动,产生微弱电流㊂电流按特定顺序通过心脏壁的传导组织传导到各部位,触发心肌细胞兴奋,导致心脏跳动㊂心脏电兴奋引起规律的电位变化,形成心电信号[8]㊂该信号通过周围组织传导,合成心电图(Electrocardiogram,ECG)㊂通过仪器和电极导联,微弱的心电信号被放大采集,描绘出时间-电压曲线图,即心电图㊂1.2㊀ECG 信号的时域波形㊀㊀心电图是记录心脏活动的时域波形图,受个体差异㊁环境电磁场和电极放置等因素的影响,显示的波形可能有些许差异㊂标准心电图如图2所示,描述了一个周期内各个波段的组成㊂图2㊀正常周期心电图各波段一个心电图周期主要包括以下波段㊂P 波:表示左右心房电位随时间变化,除aVR 导联外,其他导联呈向上波形㊂T 波:出现在QRS 波群之后,方向与QRS 波群一致,代表心室复极时电位变化㊂P -R 波段:P 波结束到QRS 波群开始的直线,反映房室结传导情况,正常情况下短于0.2s㊂QRS 波群:反映心室去极化,包括Q 波㊁S 波和尖锐的R 波,宽度为0.06~0.10s,R 波高度不超过4mV㊂S -T 波段:QRS 波群结束到T 波开始,表示心室肌去极化完成后的缓慢恢复,正常情况下趋近等电位线,变化不超过0.1mV㊂1.3㊀ECG 信号噪声来源㊀㊀人体产生的微弱心电信号幅值通常不超过5mV,频率在0.05~100Hz㊂然而,该信号容易受到脑电㊁肌电等其他生理电信号以及仪器和电磁环境的影响,导致难以清晰分辨㊂在心电图中,噪声表现为肌电干扰㊁工频干扰和基线漂移[9]㊂(1)肌电干扰:人体存在20~5000Hz 的肌电信号,其不规则㊁密集的高斯噪声会叠加在心电信号上㊂通过低通滤波器可有效去除该高频噪声㊂(2)工频干扰:使用市电作为电源会引入50Hz工频信号及其谐波,对微弱电信号产生较大影响,使心电信号模糊不清㊂采用小波变换㊁经验模态分解或滤波器可有效抑制工频信号㊂(3)基线漂移:人体呼吸或身体晃动产生0.05~2.00Hz 的低频噪声,导致信号频带与基线不同水平,使整体波形发生漂移㊂通过陷波器或滤波器处理,有助于解决基线漂移问题,确保心电图分析准确㊂2㊀单导联ECG 监护系统案例设计2.1㊀系统总体构成㊀㊀本课程案例要求设计一种能够实时监测㊁预警的单导联ECG 监测系统,实现心电信号采集显示㊁心率计算㊁心电诊断预警㊂整个系统分为2个部分:采集端与客户端,如图3所示㊂采集端主要由心电采集电极㊁心电信号调理单元㊁微处理器信号处理单元㊁电源及蓝牙透传模块组成;客户端为Android App㊂心电信号调理单元通过电极片采集人体含有噪声的心电模拟信号,信号经放大处理后转化成数字信号,由SPI 通信方式传输给心电信号预处理单元;预处理单元接收到数据后通过数字滤波器滤波后将波形显示在显示屏上,同时将数据(心电值㊁心率㊁R -R 间期)通过蓝牙透传模块打包发送给Android 客户端㊂2.2㊀课程案例㊀㊀本课程采用案例展示㊁教师分析㊁学生分组设计仿真和小组答辩的教学模式,要求各小组合作探讨实现以下主要工作㊂(1)采用ADS1292R 与STM32F407主控设计制作一款心电监测模块㊂绘制原理图且打印PCB,焊接元器件,上电后能够正常使用,且运行稳定㊂(2)根据ADS1292R 芯片的数据手册完成驱动程序的编写,包括芯片的启动代码编写㊁读取数据程序的编写,SPI 通信驱动与芯片指令系统的移植㊂(3)使用巴特沃斯低通数字滤波器,滤除心电信号中掺杂的人体高频噪声㊂(4)设计一种差分动态阈值QRS 波群识别算法,能够识别R 波波峰,计算出R -R 间期与心率值㊂(5)使用Android Studio IDE 设计Android App 的接收并显示数据与波形㊂2.3㊀系统测试2.3.1㊀采集端心电采集测试㊀㊀将监测电极片联接人体后,通过导线连接到采集端口㊂如图4所示,心电监测模块使用正常㊂调整心电信号发生器的心率值为60次/min㊂通过Watch 窗口观察R -R 间期与心率值,Watch 窗口如图5所示㊂图3㊀单导联ECG监护系统结构框架图4㊀采集端与信号发生器连接图5㊀R -R 间期与心率值2.3.2㊀滤波效果测试㊀㊀人体心电信号是一种毫伏级别的微弱信号,频率在0.05~100.00Hz,很容易受到人体肌电与外界环境干扰,因此需要对采集的生理信号通过滤波处理㊂系统采用巴特沃斯低通滤波器滤除人体夹杂电信号㊂通过对信号的对比,发现系统使用滤波器可以从人体嘈杂的电信号中提取出平滑的心电信号㊂2.4㊀案例实施㊀㊀在近2年的教学安排中,课程团队先后在4个电子信息教学班中引入 单导联ECG 监护系统案例 ㊂通过实验视频和实物演示,教师帮助学生形成对嵌入式技术的整体认识,随后对案例进行总体分析㊂在此基础上,以2~4名学生为一个小组,展开对案例的仿真分析和讨论㊂每名学生独立负责系统中的一个模块,包括心电采集电极㊁心电信号调理单元㊁微处理器信号处理单元㊁电源及蓝牙透传模块㊂学生通过自主设计和仿真这些系统模块,更好地将所学的基本理论应用于实践㊂小组成员独立完成单元模块设计和仿真后,各小组探讨了系统关键参数对传输效率和输出功率等性能指标的影响,并进行联合仿真㊂最终,各小组通过总结报告㊁实物展示和课堂答辩的形式展示设计成果,实现小组间的互相学习和共同提升㊂课后,学生反馈表示,这个案例有助于建立系统的知识体系,能够将理论知识应用到实际情境中㊂通过案例,学生更好地理解了嵌入式技术在案例模块中相互作用的原理,培养了科学的工程实践思维㊂教学实践结果显示,在课程配套的综合实验中,学生对案例系统的搭建过程更为顺利,团队协作㊁问题分析和解决能力得到提高,知识体系更加全面㊂3 结语㊀㊀单导联ECG监护系统案例与嵌入式技术的有机融合是基本理论与学科前沿的应用㊂该案例鲜明凸显了嵌入式技术的研究焦点,特别强调其在构建ECG 监护系统的单元电路和各功能模块基本理论方面的紧密联系㊂通过此案例的设计,学生能够直观领悟所学课程理论在实际场景中的应用,从而更深入地理解基本理论的实际运用㊂案例独特的应用背景有助于激发学生的创新思维,提升学生对问题进行分析和解决的能力㊂参考文献[1]张巧芬,吴黎明,王桂棠.微机原理与单片机技术课程思政教学改革的探索[J].中国现代教育装备, 2023(17):111-113.[2]陈逸菲,马辰来,翟慧茹,等.SPOC课程学习行为数据分析 以微机原理及单片机技术课程为例[J].软件导刊,2021(9):248-252.[3]徐蓓玲. 现代教育技术 课程的面授课教学设计[D].聊城:聊城大学,2022.[4]黄同,拓欣,刘劲飞.民办高等学校教学质量评价体系研究与实践 以延安大学西安创新学院为例[J].科技风,2023(33):47-49,59.[5]黄同,拓欣,刘劲飞.民办高等学校教学质量评价体系研究与实践 以延安大学西安创新学院为例[J].科技风,2023(33):47-49,59.[6]KUMAR A,TOMAR H,MEHLA V K,et al. Stationary wavelet transform based ECG signal denoising method[J].ISA Transactions,2021(114):251-262.[7]李家豪.基于二维化十二导联ECG信号分类与冗余性研究[D].济南:齐鲁工业大学,2023.[8]魏平俊,杨耀华,胡征慧,等.基于VMD和平滑滤波的ECG去噪方法[J].电工技术,2023(9):17-21.[9]KHER R.Signal processing techniques for removing noise from ECG signals[J].Journal of Biomedical Engineering,2019(101):1-9.(编辑㊀李春燕)Case design of embedded technology course based on single-lead ECG monitoring systemZhu ZhiSchool of Internet of Things Engineering Wuxi Taihu University Wuxi214063 ChinaAbstract In response to the challenges of theoretical abstraction and insufficient depth of device technology in embedded technology courses this paper presents a case design of a single-lead ECG monitoring system aimed at enhancing students learning experience in the field of embedded systems.The classroom instruction adopts a format of case presentation teacher analysis student group simulation design and group defense to increase student engagement.The research results indicate that using the application of embedded technology in a single-lead electrocardiogram monitoring system as a background effectively stimulates students interest in learning deepens their understanding of system concepts improves their overall competence in electrocardiogram signal analysis and design and achieves an organic integration of theory and practice.Key words ECG monitoring system embedded technology teaching case。
基于单片机的人体健康检测系统1. 任务背景随着社会发展和人们生活水平的提高，对健康的重视程度也越来越高。
人们意识到健康的重要性，并希望能够时刻关注自己的身体状况。
基于单片机的人体健康检测系统就应运而生，它可以帮助人们实时监测自己的身体健康情况，提前预防和控制疾病。
2. 设计目标基于单片机的人体健康检测系统的设计目标如下：•实时监测关键生理指标，例如心率、血压、血氧饱和度等；•提供便捷的数据显示和分析，使用户能够直观了解自己的身体状态；•高精度的测量和可靠的数据传输；•可以定时提醒用户进行身体健康管理。
3. 系统组成基于单片机的人体健康检测系统主要由以下几个部分组成：3.1 单片机模块单片机模块是整个系统的核心，它负责采集和处理各种生理指标的数据。
常用的单片机包括Arduino和树莓派等，它们具有易于编程和丰富的扩展性。
3.2 传感器模块传感器模块用于采集人体的生理信号，例如心电图传感器、血压传感器和血氧传感器等。
传感器模块需要将采集到的信号转换成数字信号，然后传输给单片机进行处理。
3.3 显示模块显示模块用于展示测量结果和提醒用户。
常见的显示模块包括液晶显示屏和LED灯等。
3.4 数据传输模块数据传输模块将测量结果传输给用户终端设备，例如手机或电脑等。
常用的数据传输方式有蓝牙和Wi-Fi等。
4. 系统工作流程基于单片机的人体健康检测系统的工作流程如下：1.传感器模块采集人体的生理信号，并将信号转换成数字信号。
2.单片机模块接收传感器模块传输的数据，进行处理和分析。
3.单片机将处理后的数据显示在显示模块上，供用户查看。
4.数据传输模块将测量结果传输给用户终端设备，例如手机或电脑等。
5.用户可以通过终端设备查看历史数据、设置提醒和进行数据分析等。
5. 系统优势基于单片机的人体健康检测系统相比传统的人体健康检测设备有以下优势：•体积小巧、便携性好，可随时随地使用；•低功耗设计，长时间使用无需频繁更换电池；•高精度的测量结果，可靠性高；•数据传输方便快捷，用户可以随时查看自己的健康状况。
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1 绪论 当今心血管疾病已成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一，心脏病的死亡率仍居首位。据统计，世界上平均每年约几百万人死于此类疾病，我国因心血管疾病死亡人数约占总死亡人数的44％，很多心脏病人是由于未及时发现病变延误了治疗而最终导致死亡[1]。因此，对心血管疾病的诊断、预防是当今医学界面临的首要问题。尽早地发现心血管系统疾病征兆，及时地了解心脏病状况，对疾病的预防和及时诊治具有重要的意义。 1．1 心电监测系统的发展背景及意义 心脏是人体的重要器官，在人的生命过程中，心脏不断地、有节律地收缩与舒张，将血液从静脉吸入心脏，并射入动脉实现其泵血的功能。心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电监测系统(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图(ECG) [1]。心电图是反映心脏内兴奋产生、传导和恢复的过程中的电位变化的综合波形。它不仅与单个心肌细胞动作电位的曲线有明显的不同，而且因测量的电极放置的位置和连接方式的不同而有所差异。心电信号是最早应用于医学的人体生物电之一，如今医学界人士已经可以通过对心电信号的分析研究对心血管相关病变做出预测和诊断。因此，及时准确和完整地进行心电信号提取，并提供有效的辅助分析和诊断手段是一项重要而有意义的研究课题。 1．2 心电监测系统的发展现状 目前，国内各大医疗器械厂和科研单位都在心电监测系统的开发上投入了大量的资源，并且都开发了各具特点的心电监测系统产品。电子医疗技术的突飞猛进以及临床医学的相互促进，已经出现了各种各样的心电监测产品，常见的有床边心电监测、动态心电监测、电话心电监测和天线心电监测等。 1.2.1 床边心电监测 床边心电监护是在病床边对被监护者进行持续或间断的心电监测，它是心脏监护的重点内容。自1962年创立了冠心病监护病房以来，国内外均先后开展了床边心电监护。目前，心电监护已广泛应用到临床各种危重病和非危重病的监护，各种手术、 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 45 页
特殊检查与治疗的监护。 由于床边心电监护的开展，提高了临床诊断水平与医疗质量，大大提高了危重病人的抢救成功率，起到预防和减少医疗事故或医疗纠纷的作用，也减轻了医护人员劳动强度，提高了工作效率。 1.2.2 动态心电监测 动态心电图是用一个磁带或固态式记录器24小时连续不断的记录病人在日常活动状态下的心电信息，然后通过计算机回放、分析和编辑打印[2]。 动态心电图记录了不同体位、不同状态、不同时间的心电变化，一次获得的信息长达2.16Km，十余万次心搏和十余万次心动周期，现已成为诊断心率失常、心肌缺血、评估起搏功能和药物疗效的高新技术。 1.2.3 电话心电监测 电话传送心电监护是指通过电话传送患者的心电信息到监护/接收中心进行计算机处理，医护人员根据患者的症状及传送的心电图对其分析判断后实施电话诊断、护理、处置而进行的监护，具有使用方便、不受时间、空间和地域限制等特点。它是心血管领域心电监护系统的一个突破和进展，它的应用对院外心脏病急救护理、心脏病家庭电话遥控诊治、护理有着非常重要的意义。 TTM作为临床心电监护向院外延伸的一种新的手段，对心律失常、心肌缺血和心肌梗死等有可靠的监护效果，对有症状，偶发、短暂的心律失常和一过性心肌缺血有独到的监测作用。对严重心律失常、心肌梗死和心绞痛，它较心电图(ECG)诊断更准确，对院外心脏病的急救处理、护理指导具有很大的价值。它大大地缩短了医患、护患之间的距离，给患者一种安全感，从而稳定了患者不安的心理状态，消除了心理压力和负担，减少了心脏病的诱发因素。作为长期监护的患者，则在不断得到急救、护理指导的同时，提高了自救、自护能力。 TTM系统在国内的应用处在起步阶段，院外急救护理也是一个新的课题，需更进一步探讨、总结和提高，以更好地造福于全社会的心脏病患者。 但是，如今有很多心电监测仪还没有得到普及，还存在一些问题： （a）提供的心电处理功能和记录的心电信息有限，医生从中难以得到全面的电信息，降低了医生对疾病诊断的正确率。 （b）一般都采用了数字信号处理器作为心电数据分析的核心器件，而数据通信、液晶显示、实时时钟、程序存储器等都需要外扩专门的功能器件，因此结构比较复杂， 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 45 页
体积比较大，同时功耗也比较大，价格比较昂贵，一般患者难以承受。 （c）与之配套的监护网络和心电数据处理中心尚不完善。 1．3 心电监测系统的未来发展方向和展望 传统的基于PC机平台的心电监测仪价格昂贵，体积庞大，不便于移动且主要集中在大医院而无法实时监测患者的病情，给医生和患者带来了很大的不便。 近年来，随着计算机网络、通信等相关技术的迅速发展，心电监测技术已经逐渐应用到远程医疗领域中，使得医院为心脏病患者的远程保健服务成为可能。未来的心电监测系统会具有成本低、体积小、可靠性高、操作简单等优点，会继续向全信息、固态记录、多导联同步采集等方向发展，适用于个人、中小医院和社区医疗单位，为家庭保健和远程医疗等新兴的医疗途径提供良好的帮助和支持。
2 系统设计方案论证 2．1 心电监测系统的总体设计要求 本课题的题目是基于单片机的心电监测系统设计。 要求心电监测信号经采集装置输入到前置放大器，信号放大8倍以后，再经过滤波电路进行滤波，滤掉0.05Hz以下频率与105Hz以上频率，同时阻止50Hz工频干扰信号的通过。经过滤波的信号通过后级放大电路将其放大到伏特级别，再经过加法器电路将其波形提升到0V以上，便于单片机A/D转化电路直接转化为数字值。经过处理的心电信号最终由简易的示波器显示到液晶屏上，以便使用者能够实时方便的观察到心电波的变化与形态。 液晶屏选用具有KS0108控制器的12864LCM,采用AT89C51单片机进行数据的处理并驱动显示屏显示波形。 2．2 心电监测系统的系统结构设计 对于心电信号的采集，采用标准导联方式进行采集。心电信号是一种微弱的电信号，要先利用前置放大电路将信号放大8倍。由于人体信号源中存在各种噪声干扰，为了抵消这些干扰，可以设计一个补偿电路。对于放大以后的信号，让它通过滤波电路进行滤波。心电信号中存在0.05Hz以下的频率信号、105Hz以上的频率信号和50Hz的工频干扰信号，需要让心电信号依次通过低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器，经过滤波电路以后的信号变的比较干净。然后为将心电信号放大到伏特级别，让其通 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 45 页
过一个主放大电路。同时，为了便于单片机和ADC0808的信号采集和处理，可以让心电信号通过一个加法器电路，将波形提升到0V以上。然后通过显示电路让经过单片机处理的信号显示在液晶屏上。整个系统的结构图如图2.1所示。
图2.1 系统结构图 2．3 心电监测系统设计的可行性论证 在所学的知识中，对于心电信号采集，可以利用特定的传感器进行心电信号的采集；对于前置放大电路，可以采用集成仪表放大器AD620进行信号的前置放大；对于补偿电路，可以用运算放大器和反馈电阻组成补偿电路；对于滤波电路，可以利用有源滤波器电路通过计算设计出符合要求的低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器；对于主放大电路，可以利用集成运算放大器对信号进行再次放大；对于加法器电路，可以利用集成运算放大器来进行加法器的设计；对于心电信号的数字化以及分析处理，可以利用单片机和ADC0808来设计硬件电路；对于显示电路，可以让心电信号在液晶上显示。A/D转换电路，显示电路以及单片机对心电信号的分析处理需要进行软件的编写。 通过论证，上述的系统结构设计方案可行，可以达到心电监测系统的设计要求。
3 硬件电路设计 3．1 心电信号采集电路的设计 临床上心电信号主要从体表收集，检测时将测量电极安放在体表相隔一定距离的
补偿电路 仪表放大器 前置电路 滤波器电路 主放大电路 同相加法器 ADC0808 单片机 心电信号采集 显示电路 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 45 页
两点，电极通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与心电监护仪的放大器相连，测量出电极在体表的电位差就是心电信号，描成曲线就是心电图。在测定心电信号波形时，电极安放的位置以及导线与放大器连接的方式，称为心电仪的“导联”。 将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电仪连接的方式称为“标准导联”。习惯上对这些电极规定了表示符号和连接导线的颜色，如表3.1所示。 表3.1 导联标记 电极的部位 右臂 左臂 左腿 右腿 表示符号 RA LA LL RL 导线颜色 红 黄 蓝（绿） 黑 标准导联直接把两个肢体的电位加到心电放大器的输入端，所描述的波形即为两
点电位差的变化。 标准Ⅰ导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-），左臂（LA）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。 标准Ⅱ导联：右臂（RA）接放大器反相输入端（-），左腿（LL）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。 标准Ⅲ导联：左臂（LA）接放大器反相输入端（-），左腿（LL）接放大器同相输入端（+），右腿（RL）作为参考电极，接心电放大器的参考点。本课题采用标准Ⅰ导联方式，右腿（RL）的参考电极连接补偿电路[3]。
图3.1 信号采集电路输入端示意图 在本次的设计中，采用标准Ⅰ导联方式，即如图3.1所示，IO1端作为参考电极
