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便携式心电监护仪的研究与设计0401.docx

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：9.60M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1 绪论
    1.1课题研究的背景及意义
    1.2课题研究的发展情况
    1.3本文的主要工作
    2 系统研究的总体方案
    2.1 心电信号的生成及特点
    2.2 课题研究主要问题
    2.3 总体设计方案
    3硬件电路的设计
    3.1电源电路设计
    3.2 Arduino单片机最小系统设计
    3.3 心电采集模块的设计
    3.3.1 仪表放大器
    3.3.2 右腿驱动放大器
    3.3.3 基准电压缓冲器
    3.3.4 快速恢复电路
    4、系统软件的设计
    4.1 对Arduino IDE的介绍
    4.2 单片机程序设计
    4.3 Processing的简介
    4.4 上位机程序的设计
    5、系统调试与性能指标
    结 论
    致 谢
    参 考 文 献
    附录A 总电路图
    附录B 实物图
    附录C 程序
    毕业设计说明书 学生姓名： 陈泽祥 学 号： 20144472 学 院： 专业年级： 题 目： 指导教师： 评阅教师： 计算机与信息工程学院 电子信息工程 2014 级 便携式心电监护仪的研究与设计 桂玲 李琳 讲师 副教授 2018 年 6 月
    摘要 随着社会的发展和人们物质水平的不断提高，人们越来越关注自身的健康问 题，再加上近些年来的人口老龄化日益严重，许多中老年人患上心血管疾病的几 率逐年增加，心电监测仪是预防和检测心血管疾病的重要设备。本文设计了一款 便携式的心电监测仪，本次设计的心电监护仪是由电压源供电模块、Arduino 单 片机核心处理模块、心电检测模块以及心电图显示模块构成。电源模块使用稳压 芯片设计所需的电压值；单片机处理模块采用 Arduino 最小系统实现心电信号处 理；心电模块的设计利用了 AD8232 心电采集芯片，实现对心电信号的提取、放 大及滤波。利用 Processing 编写上位机实现心电图的显示，测试结果表明，基 本符合要求。最后写了调试本设计便携式心电监护仪的结果以及结论，为后续监 测仪的研究做了参考及借鉴。本次设计的系统是具有实用性很强，体积小并且携 带很方便的特点。 关键词 心电图；Arduino 单片机；上位机；AD8232 芯片 Title: Research And Design of Portable ECG Monitor Abstract: With the development of society and the continuous improvement of the people's material level, people pay more and more attention to their health problems. In addition, the aging of the population in recent years is becoming more and more serious, and the chances of cardiovascular disease of many middle-aged and elderly people are increasing year by year. ECG monitor is an important equipment for preventing and testing cardiovascular diseases. In this paper, a portable ECG monitor is designed, which is practical, small and portable. The ECG monitor is composed of
    power module, MCU processing module, ECG detection module and ECG display module. The power module uses the voltage stabilizer chip to design the required voltage value. The MCU processing module uses the Arduino minimum system to process the ECG signal. The design of the ECG module uses the AD8232 ECG collection chip to realize the extraction, amplification and filtering of ECG signal. Processing is used to write the upper computer to display the ECG. Then the design is tested, which basically meets the requirements. Finally, the existing problems and future development trend of portable ECG monitor are introduced, which will be a reference for subsequent monitoring research. Keywords: ECG; Arduino MCU; upper computer; AD8232 chip
    目 录 1 绪论 ............................................................. 1 1.1 课题研究的背景及意义 ............................................1 1.2 课题研究的发展情况 ..............................................1 1.3 本文的主要工作 ..................................................2 2 系统研究的总体方案 ............................................... 2 2.1 心电信号的生成及特点 ........................................... 2 2.2 课题研究主要问题 ............................................... 4 2.3 总体设计方案 ................................................... 4 3 硬件电路的设计 ..................................................5 3.1 电源电路设计 ....................................................6 3.2 Arduino 单片机最小系统设计 ......................................6 3.3 心电采集模块的设计 ............................................. 9 3.3.1 仪表放大器 ................................................... 9 3.3.2 右腿驱动放大器 .............................................. 10 3.3.3 基准电压缓冲器 .............................................. 11 3.3.4 快速恢复电路 ................................................ 11 4、系统软件的设计 ................................................. 13 4.1 Arduino IDE 简介 ...............................................13 4.2 单片机程序设计 ................................................ 14 4.3 Processing 简介 ................................................15 4.4 上位机程序的设计 .............................................. 16 5、系统调试与性能指标 ............................................. 17 结 论 ........................................................... 21 致 谢 ........................................................... 22 参 考 文 献 ....................................................... 23 附录 A 总电路图 ....................................................25 附录 B 实物图 ......................................................26 附录 C 程序 ........................................................27
    中南林业科技大学本科毕业设计 便携式心电监护仪的研究与设计 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 随着社会的不断发展和人们素质的不断提高，人们越来越关注自身的健康问 题[1]。再加上近年来人口老龄化不断加剧，许多中老年人每年患有心血管疾病的 数量正在不断增加。像高血压，血栓闭塞性脉管炎，冠心病等等。目前，心血管 疾病已成为威胁人类生命的最严重的疾病。据不完全统计，中国大约有 3.9 亿人 患有心血管疾病，并且平均每年大约有 450 万的人死于心血管疾病。一个人每 8 秒就会死于心血管疾病。全世界由于心血管疾病死亡的人数已经远远超过任何其 他疾病总和。 在这种严重的形势之下，提高检测和预防心血管疾病的方法是必要的，而预 防心血管疾病的最直接的方式就是检测一个人的心电信号。目前，医院的心电监 护仪价格昂贵，维修费用比较高，许多人担负不起这种昂贵的检测费用，并且也 不能随时随地去查看自己的心电信号。除此之外，当医生测量这些参数时，他们 必须由患者执行，如果患者是传染病患者，则缺点是显而易见的。因此，设计一 款在任何时间、任何地点都能够随时随地检测自己心电信号的便携式心电监护仪 对预防和检测心血管疾病具有很重要的意义。本文采用了以 Atmega328 芯片为处 理器核心芯片的 Arduino 单片机进行便携式心电信号监护仪的设计与研究。它的 体积比较小而且成本低，除此之外，它还具有便于携带并且实用性强等特点。 1.2 课题研究的发展情况 自从 1905 年开发出第一台心电图仪以来，心电图仪的发展经历了两个重要 阶段。第一阶段是从 1905 年到 1962 年。这一次是普通的心电图仪，或者是静态 心电图仪的发展和临床应用的阶段。另一个阶段，美国科学家 Holter 发明了 Holter 仪器，它可以监测患者的心肌生理变化以及各种工作和生活条件下疾病 的程度和严重程度，特别是对于各种偶发性，隐性心律失常在检测无痛性心肌缺 血方面非常有效。 随着连续电子和信息技术的发展以及电子信息技术在医疗系统应用方面的 深化，世界各国尤其是欧洲和美国的国家都提出了小型化，根据家庭的需要，建 立了心电监护设备远程医疗系统。自二十世纪八、九十年代以来，通过电话线传 1
    中南林业科技大学本科毕业设计 便携式心电监护仪的研究与设计 输 ECG 信号的心电监护中心的建立已经在国外开始，并且随后开发用于传输心电 信号的数字电话。国内在心电领域的研究没有西方的起步早，并且相对来说起点 比较高。然而，随着中国经济的不断改善，人们对健康的关注度越来越高[2]，监 测产品的需求也在不断增加。中国第一台具有自主知识产权的数字式心电图机是 在 1996 年由深圳邦健生物医疗设备公司所生产，经过 20 多年的发展，我国的心 电检测领域的产品有了很大提升。近年来，国内人员在智能手机平台上开发了一 些基于摄像头心率检测功能的软件。其测量方法是使用手机的补光灯作为光源， 然后在手机摄像头上检测毛细血管搏动来监测心率变化。此种方法适合于心率测 量，但无法提供心电图形的测量。本次设计就是针对现在的心电图机出现的普遍 问题而研究的一种易于测量、携带的一种心电监护仪。 1.3 本文的主要工作 本文主要设计了一种实用性强、体积小、便于携带的心电监测仪。该监测仪 可以实现心电图的提取、放大、滤波以及 ECG 的显示。核心是由单片机处理模块、 心电采集模块以及心电图显示模块构成。 2 系统研究的总体方案 2.1 心电信号的生成及特点 心电图是使用心电图仪从心脏的中心每个心动周期形参产生的电活动变化 的图表，它是从体表来记录。心肌细胞正常情况下电位外面是正的里面是负的， 当受到电激动时，细胞的电位就逐渐变为外面是负的里面是正的，这就是心肌细 胞的除极过程，除极完毕，心肌细胞又渐渐恢复为外正内负，这就完成了复极。 在除极和复极的过程中就会产生心电波形。由于心肌细胞的去极化和复极化，心 房和心室的肌肉细胞被激发，进而收缩和放松。这些运动在身体表面的任意两点 形成一定距离的电位差。我们在身体表面检测到的电位差通常就称为心电信号。 正常的心电图活动始于窦房结，并且在一系列传导最终激发心室后，这种有 序的电动传播引起电位变化，在心电图上形成相应的频带。心电图上主要分为： P 波、PR 段和 PR 间期、QRS 波群、ST 段和 T 波、QT 间期，有时在 T 波之后还会 出现一小段的 U 波。正常心电波形如图 2.1 所示。 2
    中南林业科技大学本科毕业设计 便携式心电监护仪的研究与设计 图 2.1 心电波形 人体的导联连接方式分为好多种，本次设计采用的是单导联系统，将医用电 极正极贴在左上肢上面，医用电极负极贴在右上肢上面。图 2.2 为人体导联连接 图： 3
    中南林业科技大学本科毕业设计 便携式心电监护仪的研究与设计 2.2 课题研究主要问题 图 2.2 人体导联连接图 课题设计要实现心电图的采集和采集后心电图的完整显示，需要解决的问题 有以下几个： （1） 整个系统的供电系统怎样设计，采用什么样的电源； （2） 如何实现人体心电图的提取及心电信号放大； （3） 采集完的心电信号怎样滤除噪声干扰，如何保证信号的完整性； （4） 利用什么实现心电图的显示，如何实现 ECG 的实时显示。 2.3 总体设计方案 通过查找资料以及实际尝试进行方案选择，来确定心电监护仪的整体结构。 本设计整体分为四个模块，采用 LM1117 稳压芯片设计电源电路给整个系统的供 电、以 Atmega328 单片机为核心处理器、采用 AD8232 芯片来对心电图进行采集 和处理和利用 Processing 编写上位机程序来显示采集的心电图。通过编写程序 以及硬件电路设计实现 ECG 的实时的显示及上传。整个方案的系统框图如图 2.3 所示： 图 2.3 整体系统框图 4
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