心電信號(hào)采集系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)方案一、課程設(shè)計(jì)概述1.1設(shè)計(jì)背景與意義心電信號(hào)（ECG）是反映心臟電活動(dòng)的生物電信號(hào)，其波形特征（如P波、QRS波群、T波）可用于心臟功能評(píng)估及心律失常等疾病初步診斷。本課程設(shè)計(jì)通過(guò)搭建小型化心電信號(hào)采集系統(tǒng)，掌握生物電信號(hào)的特性、前置放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)可視化等核心技術(shù)，培養(yǎng)電子技術(shù)、信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用能力，為后續(xù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)目標(biāo)功能目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)單導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、濾波、顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可清晰識(shí)別P波、QRS波群、T波；性能指標(biāo)：輸入阻抗≥5MΩ（減少信號(hào)衰減）；共模抑制比（CMRR）≥80dB（抑制工頻干擾）；帶寬0.05-100Hz（覆蓋心電信號(hào)有效頻率范圍）；采樣率≥250Hz（滿足Nyquist采樣定理，避免混疊）；信噪比（SNR）≥30dB（確保波形清晰）；教學(xué)目標(biāo)：理解心電信號(hào)的生理機(jī)制與特性，掌握模擬電路（放大、濾波）、數(shù)字電路（ADC）及嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)編程）的協(xié)同設(shè)計(jì)方法。1.3設(shè)計(jì)依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：《心電圖機(jī)技術(shù)要求》（GB9706.15-2008）、《醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：安全通用要求》（GB9706.1-2020）；理論基礎(chǔ)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)原理；參考資料：《生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量》（黃國(guó)亮著）、Arduino/PIC單片機(jī)編程手冊(cè)、心電信號(hào)濾波算法文獻(xiàn)。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成架構(gòu)本系統(tǒng)采用“傳感器模塊→模擬前端模塊→數(shù)字處理模塊→顯示存儲(chǔ)模塊”的四級(jí)架構(gòu)，具體組成如下：graphTDA[心電電極（傳感器）]-->B[模擬前端模塊（放大+濾波+電平抬升）]B-->C[數(shù)字處理模塊（單片機(jī)+ADC）]C-->D[顯示模塊（OLED屏）]C-->E[存儲(chǔ)模塊（SD卡）]C-->F[上位機(jī)（PC端，可選）]G[電源模塊（3.3V/5V）]-->AG-->BG-->CG-->D2.2各模塊功能說(shuō)明模塊名稱(chēng)核心功能關(guān)鍵技術(shù)要求傳感器模塊采集人體體表心電信號(hào)（I導(dǎo)聯(lián)：左臂-右臂）采用Ag/AgCl一次性心電電極，減少極化電位干擾模擬前端模塊1.差分放大（將μV級(jí)信號(hào)放大至V級(jí)）；2.濾波（去除工頻、肌電干擾）；3.電平抬升（將負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)為正信號(hào)，適配ADC輸入范圍）差分放大倍數(shù)≥1000倍；濾波截止頻率0.05Hz（低通）、100Hz（高通）、50Hz（陷波）數(shù)字處理模塊1.模數(shù)轉(zhuǎn)換（將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)）；2.數(shù)據(jù)處理（簡(jiǎn)單濾波算法優(yōu)化波形）；3.控制顯示與存儲(chǔ)ADC分辨率≥12位；采樣率250Hz；支持I/O口擴(kuò)展顯示存儲(chǔ)模塊1.實(shí)時(shí)顯示心電波形（2-3秒波形滾動(dòng)）；2.存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)（.txt/.csv格式）OLED屏分辨率≥128×64；SD卡支持16GB及以上存儲(chǔ)電源模塊為各模塊提供穩(wěn)定直流電源采用鋰電池（3.7V）供電，經(jīng)穩(wěn)壓模塊輸出3.3V/5V，紋波≤10mV三、硬件電路設(shè)計(jì)3.1傳感器模塊（心電電極）電極選擇：采用3個(gè)Ag/AgCl一次性心電電極（左臂LA、右臂RA、右腿RL），其中LA和RA為信號(hào)電極（采集I導(dǎo)聯(lián)信號(hào)），RL為右腿驅(qū)動(dòng)電極（抑制共模干擾）；連接方式：電極通過(guò)屏蔽線連接至模擬前端，屏蔽層接地（減少電磁干擾），線纜長(zhǎng)度≤1m（避免信號(hào)衰減）。3.2模擬前端模塊（核心電路）3.2.1差分放大電路采用儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)差分放大，優(yōu)勢(shì)是輸入阻抗高、CMRR大，電路設(shè)計(jì)如下：放大倍數(shù)計(jì)算公式：A_v=1+\frac{2R_G}{R_1}，其中R_G為增益電阻，R_1為內(nèi)部固定電阻（24.7kΩ）；設(shè)計(jì)參數(shù)：取R_G=247Ω，則放大倍數(shù)A_v=1+\frac{2×247}{24700}=101倍（一級(jí)放大），后續(xù)通過(guò)運(yùn)算放大器LM358進(jìn)行二級(jí)放大（10倍），總放大倍數(shù)1010倍，滿足μV級(jí)信號(hào)放大需求。3.2.2濾波電路50Hz陷波電路（去除工頻干擾）：采用雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路，中心頻率50Hz，衰減≥20dB，元器件參數(shù)：R=16kΩ，C=200nF（計(jì)算公式：f_0=\frac{1}{2πRC}）；低通濾波電路（去除高頻肌電干擾）：采用二階RC低通濾波，截止頻率100Hz，參數(shù)：R=16kΩ，C=100nF；高通濾波電路（去除基線漂移）：采用一階RC高通濾波，截止頻率0.05Hz，參數(shù)：R=33MΩ，C=0.1μF。3.2.3電平抬升電路由于心電信號(hào)包含負(fù)電壓成分（范圍約-0.5V~+0.5V），而ADC輸入通常為0-3.3V，需通過(guò)加法電路抬升電平：采用運(yùn)算放大器LM358，將信號(hào)與1.65V參考電壓（3.3V/2）疊加，輸出信號(hào)范圍變?yōu)?.15V~2.15V，適配ADC輸入范圍。3.3數(shù)字處理模塊3.3.1單片機(jī)選型與ADC設(shè)計(jì)單片機(jī)選擇：采用ArduinoUno（基于ATmega328P芯片），優(yōu)勢(shì)是編程簡(jiǎn)單、外設(shè)豐富，內(nèi)置10位ADC（若需更高分辨率，可外接12位ADC芯片ADS1115）；ADC參數(shù)配置：輸入通道：選擇模擬輸入引腳A0；參考電壓：采用內(nèi)置3.3V參考電壓；采樣率：通過(guò)編程設(shè)置為250Hz（每隔4ms采樣一次）。3.3.2數(shù)據(jù)處理流程單片機(jī)讀取ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)（范圍0-1023，對(duì)應(yīng)電壓0-3.3V）；通過(guò)軟件算法進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)：采用滑動(dòng)平均濾波（窗口大小5點(diǎn)），平滑波形，減少隨機(jī)噪聲；將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示模塊和存儲(chǔ)模塊，同時(shí)可通過(guò)串口上傳至PC端（波特率9600bps）。3.4顯示與存儲(chǔ)模塊OLED顯示模塊：選用0.96英寸I2C接口OLED屏（128×64分辨率），通過(guò)I2C協(xié)議與單片機(jī)通信，編程實(shí)現(xiàn)心電波形的實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示（橫坐標(biāo)為時(shí)間，每格代表80ms；縱坐標(biāo)為電壓，每格代表0.1V）；SD卡存儲(chǔ)模塊：采用SPI接口SD卡模塊，通過(guò)SPI協(xié)議與單片機(jī)連接，將原始采樣數(shù)據(jù)（時(shí)間戳+電壓值）以.csv格式存儲(chǔ)，便于后續(xù)用MATLAB或Excel分析。3.5電源模塊供電方案：采用3.7V鋰電池（容量1000mAh）供電，通過(guò)AMS1117-3.3V穩(wěn)壓模塊輸出3.3V，為單片機(jī)、OLED屏、ADC供電；通過(guò)AMS1117-5V穩(wěn)壓模塊輸出5V，為模擬前端電路供電；低功耗設(shè)計(jì)：在不影響性能的前提下，關(guān)閉單片機(jī)未使用的外設(shè)（如串口、定時(shí)器），OLED屏在無(wú)操作時(shí)進(jìn)入休眠模式，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間（預(yù)計(jì)續(xù)航≥4小時(shí)）。四、軟件程序設(shè)計(jì)4.1編程環(huán)境與語(yǔ)言編程環(huán)境：ArduinoIDE（適用于ArduinoUno）或MPLABXIDE（適用于PIC單片機(jī)）；編程語(yǔ)言：C/C++（Arduino使用基于C++的封裝語(yǔ)言，語(yǔ)法簡(jiǎn)潔）。4.2主程序流程graphTDA[系統(tǒng)初始化]-->B[初始化單片機(jī)I/O口、ADC、I2C/SPI接口]B-->C[初始化OLED屏、SD卡模塊]C-->D[SD卡創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件（如ECG_20250101.csv）]D-->E[ADC開(kāi)始采樣（250Hz）]E-->F[讀取采樣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為電壓值]F-->G[軟件滑動(dòng)平均濾波]G-->H[發(fā)送數(shù)據(jù)至OLED屏，顯示心電波形]H-->I[將數(shù)據(jù)（時(shí)間戳+電壓值）寫(xiě)入SD卡]I-->J{是否按下停止鍵？}J--否-->EJ--是-->K[關(guān)閉SD卡文件，系統(tǒng)休眠]4.3核心子程序設(shè)計(jì)4.3.1ADC采樣子程序//Arduino示例代碼（ADC采樣）floatreadECG(){intadcValue=analogRead(A0);//讀取ADC值（0-1023）floatvoltage=adcValue*(3.3/1024.0);//轉(zhuǎn)換為電壓值（0-3.3V）floatecgVoltage=voltage-1.65;//減去電平抬升的1.65V，還原原始信號(hào)（-1.65V~+1.65V，實(shí)際有效范圍-0.5V~+0.5V）returnecgVoltage;}4.3.2滑動(dòng)平均濾波子程序//滑動(dòng)平均濾波（窗口大小5點(diǎn)）floatslidingFilter(floatnewData){staticfloatdataBuffer[5];//數(shù)據(jù)緩沖區(qū)staticintbufferIndex=0;floatsum=0;dataBuffer[bufferIndex]=newData;//新數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)bufferIndex=(bufferIndex+1)%5;//循環(huán)更新索引for(inti=0;i<5;i++){sum+=dataBuffer[i];}returnsum/5;//返回平均值}4.3.3OLED顯示子程序//繪制心電波形（以128×64OLED為例）voiddrawECG(floatecgVoltage){staticintx=0;inty=map(ecgVoltage,-0.5,0.5,63,0);//將電壓值映射為OLED屏的y坐標(biāo)（0-63）if(x>=128){//當(dāng)x軸滿屏?xí)r，清空屏幕并重置xoled.clearDisplay();x=0;}oled.drawPixel(x,y,WHITE);//繪制當(dāng)前點(diǎn)oled.display();//刷新顯示x++;//x軸坐標(biāo)遞增}4.3.4SD卡存儲(chǔ)子程序//數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡voidsaveData(floatecgVoltage){FiledataFile=SD.open("ECG_DATA.csv",FILE_WRITE);//打開(kāi)文件（若不存在則創(chuàng)建）if(dataFile){unsignedlongtime=millis();//獲取時(shí)間戳（毫秒）dataFile.print(time);dataFile.print(",");dataFile.println(ecgVoltage);//寫(xiě)入心電電壓值dataFile.close();//關(guān)閉文件}}五、系統(tǒng)測(cè)試與性能驗(yàn)證5.1測(cè)試環(huán)境搭建硬件連接：按系統(tǒng)架構(gòu)連接各模塊，確保電極與人體接觸良好（涂抹導(dǎo)電膏），屏蔽線接地可靠；軟件準(zhǔn)備：在ArduinoIDE中上傳程序，PC端安裝串口助手（如SSCOM）或MATLAB，用于接收和分析數(shù)據(jù)；測(cè)試對(duì)象：健康成年人（無(wú)心臟疾病史），測(cè)試時(shí)保持靜坐，避免肢體運(yùn)動(dòng)（減少肌電干擾）。5.2功能測(cè)試信號(hào)采集測(cè)試：觀察OLED屏是否顯示穩(wěn)定的心電波形，能否清晰識(shí)別P波（幅度較小，位于QRS波群前）、QRS波群（幅度最大，為主要特征波）、T波（位于QRS波群后）；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試：測(cè)試結(jié)束后，取出SD卡，通過(guò)電腦查看.csv文件，驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否連續(xù)存儲(chǔ)（每4ms一條記錄），格式是否正確（時(shí)間戳+電壓值）；上位機(jī)通信測(cè)試：通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳至PC端，用MATLAB繪制心電波形，對(duì)比OLED屏顯示結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)據(jù)一致性。5.3性能指標(biāo)測(cè)試性能指標(biāo)測(cè)試方法預(yù)期結(jié)果實(shí)際測(cè)試結(jié)果輸入阻抗用阻抗分析儀測(cè)量模擬前端輸入阻抗≥5MΩ-CMRR輸入1V/50Hz共模信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)幅度，計(jì)算CMRR（CMRR=20lg(差模增益/共模增益)）≥80dB-帶寬輸入不同頻率的正弦信號(hào)（0.05Hz~100Hz），測(cè)量輸出幅度，繪制幅頻特性曲線0.05-100Hz內(nèi)幅度衰減≤3dB-采樣率統(tǒng)計(jì)1秒內(nèi)ADC采樣次數(shù)250次/秒-信噪比采集靜息狀態(tài)下心電信號(hào)，計(jì)算信號(hào)有效值與噪聲有效值的比值（SNR=20lg(V_s/V_n)）≥30dB-5.4常見(jiàn)問(wèn)題與調(diào)試方法常見(jiàn)問(wèn)題可能原因調(diào)試方法波形無(wú)顯示或雜亂1.電極接觸不良；2.電源紋波過(guò)大；3.干擾嚴(yán)重1.重新涂抹導(dǎo)電膏，確保電極貼合皮膚；2.檢查穩(wěn)壓模塊輸出，增加濾波電容；3.加強(qiáng)屏蔽，將右腿驅(qū)動(dòng)電極接地QRS波群不清晰1.放大倍數(shù)不足；2.濾波參數(shù)不當(dāng)1.調(diào)整AD620的增益電阻R_G，增大放大倍數(shù)；2.優(yōu)化陷波電路參數(shù)，增強(qiáng)50Hz干擾抑制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)失敗1.SD卡未格式化；2.SPI接口接觸不良1.將SD卡格式化為FAT32格式；2.重新插拔SD卡模塊，檢查引腳焊接六、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求6.1報(bào)告結(jié)構(gòu)引言：課程設(shè)計(jì)背景、意義、目標(biāo)及主要內(nèi)