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1、长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计基于蓝牙的单导心电无线传输模块设计Design of Single Lead ECG Wireless Transmission Module Based on Bluetooth学 生 姓 名专 业生物医学工程学 号指 导 教 师学 院生命科学技术学院二一四年六月 毕业设计（论文）原创承诺书1.本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于蓝牙的单导心电无线传输模块设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人
2、的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日摘 要随着社会的发展，人们对健康要求的不断提高，使得便携式心电信号监护系统越来越受人
3、们的欢迎。本文以嵌入式微控制器STM32L151C8和低功率蓝牙芯片HC-06为基础，设计了一便携式心电信号采集和无线传输系统。系统以低功耗、便携式为设计原则，标准化、模块化为设计思想，提出并实现了系统硬件电路方案，完成了初始化和系统应用软件的设计，并对软硬件进行了联合调试。实验结果表明本文提出的心电信号采集和无线传输系统软硬件设计方案可行，其在功耗、速度和体积上均有着独特的优势，具有良好的应用前景。关键词：心电信号 STM32L151C8 HC-06 无线传输Abstract With the development of society, peoples increasing demand
4、s for health, making portable ECG monitoring system more and more popular.This paper based on the embedded microcontroller STM32L151C8 and the low-power Bluetooth chip HC-06, gives the design of a portable ECG data acquisition and wireless transmission system.The system with low power and portable a
5、s design principles, standardization and modular as design thoughts, implements hardware circuit scheme, completes the initialization and the design of system application software, and the software and hardware joint debugging.Experimental results show that the design of hardware and software of the
6、 proposed ECG acquisition and wireless transmission system is feasible, and its power consumption, speed and volume,has unique advantages and good prospects for development.Key words：ECG ; STM32L151C8; HC-06; Wireless Transmission目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究的目的与意义11.2研究的现状与前景11.3主要研究工作及内容2第2章 人体心电信
7、号产生与蓝牙无线通讯技术42.1心电信号的产生及特征42.1.1 心电信号的产生机理42.1.2 心电信号的组成及特征42.1.3心电信号的获取52.1.4心电信号的干扰分析62.2多参数病人模拟器62.3蓝牙无线通讯技术简介72.4 本章小结8第3章 系统硬件设计93.1系统硬件设计原则与总体框图93.1.1系统硬件设计原则93.1.2系统硬件总体框图93.2采集传输系统硬件设计103.2.1前置放大模块103.2.2滤波及二级放大模块123.2.3 MCU控制模块133.2.4蓝牙RF模块153.2.5电源模块163.3 PCB设计173.3.1 PCB设计173.3.2 PCB板调试18
8、3.4 本章小结21第4章 系统软件设计224.1软件设计的开发环境224.2传输系统软件设计234.3系统软件调试254.3 本章小结261结 论27参考文献28致 谢29附 录30第1章 绪论1.1 研究的目的与意义近年来，随着社会的不断发展，人们生活水平的逐步提高，心血管疾病已成为威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。由于心脏病具有病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，它对心脏病患者、特别是中老年患者的危害性极大，是威胁人类生命安全的“第一杀手”1。在我国，因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的44%，根据2008年中国慢性心脏病年报显示，国内每年近50%的死亡病例为冠
9、心病，且该数字在逐年递增2。随着我国社会老龄化趋势的加剧，心脏病己成为危害人类健康的多发病和常见病，长期慢性心血管疾病患者的监护问题目前已经成为重要的社会问题。心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。国际上医学界人士已经通过对心电信号的特征、规律的研究对部分相关病变做出早期预测和及时诊断。由于心脏类疾病具有长期性和突发性，要及时、准确掌握患者的第一手资料仅靠患者到医院做一次或几次心电图是不够的。常规心电图检查仅记录6-100个心动周期，历时仅1分钟左右，所能获取的心脏信息非常少；而一个常人一天24小时心跳次数达10万次以上，所以
10、在有限的时间内，记录发生心率失常的概率相当低，尤其是一些阵发性心率失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检查时也往往难以捕获3。因此，长时间的实时监测人类心脏病的状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死亡，具有十分重要的意义。现有家用心电监护仪器，虽然其功能大致可以满足患者使用的需要，但仍然存在许多问题，如某些监护仪器要求患者将纪录的数据周期地送往诊所进行会诊，实时性较差。此外，传统医疗监护系统采用的线缆连接，体积和功耗往往较大，限制了病人和医护人员的行动，造成很大的不便。加之现代医学模式的转变带来了人们对健康的新要求，因此，有必要研制一种结合常规心电图(ECG)和动态心电图(Holter)两
11、种系统的新的智能化、便携式、操作方便、价格低廉的心电监护设备4。1.2研究的现状与前景英国生理学家 Einthoven 在1887年用毛细管静电计记录了心动电流图。其在1903年采用弦线电流计，第一次将体表心电图记录在感光胶片上5。该弦线式电流计采用了新的设计方法，利用极细的镀银石英丝代替动圈，并通过反射镜记录35心动电流，解决了以前测量设备的惰性大、记录误差大以及需要繁琐的数学计算等缺点。在1912年他深入研究了正常心电图的波动范围后，提出了著名的“爱因托芬三角”理论6。从此利用心电图协助诊断疾病逐渐广泛应用于临床。美国科学家Holter于1949年首创动态心电图(Dynamic Elect
12、rocardiography DCG)，又称Holter心电图。DCG功能强大，能够在较长的时间范围内监测患者的心电状况，能够检测出心律失常和心肌缺血等一些常规ECG不易发现疾病。对临床分析病情、确立诊断、判断疗效有重要参考价值7。1961年，以德玛公司的产品为代表，美国最先将DCG技术应用到临床，以后很快在发达国家得到普及。自1978年我国开始引进此项技术以来，临床应用逐步深入，成为心血管疾病诊断领域中的实用、高效、无创、安全、准确、可重复性强的重要检查方法8。随着现代科学技术的飞速发展，目前国内外各大医疗设备供应商都投入巨资开发功能更强、性能更优的心电设备。如美国的Heart Mirror
13、系列心电监护设备，珠海中立电子集团的心脏病集群监护系统等。但是面对居住地分散，数量庞大的院外人群时，上述方法便显现出了不足：设备体积大，分量重，成本高，不利于普通人的日常性检测。随着心电监护和家庭健康技术的发展，心电监护仪有向小型化、便携化、家庭化发展的趋势。近年来，随着蓝牙无线传输技术的重大发展，蓝牙技术成功地应用在计算机与移动电话之中，可用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线。与其他无线传输方式相比，蓝牙模块具有数据传输速率高、体积小、功耗低等特点，已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。将其应用在医疗设备的数据传输当中，可以极大增加患者的活动空间，减少电线对病人活
14、动范围的限制。然而随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及，究其原因，有以下几个方面： (1)记录的心电信息极其有限，医生从中难以得到患者全面的心电信息，从而降低了医生对疾病诊断的正确率； (2)费用较为昂贵，动辄几千乃至上万元，一般的患者难以承受； (3)实时性、体积、功耗、重量等都不尽如人意，给患者在使用过程中造成诸多不便； 综上所述，低成本，低功耗的便携式心电无线传输系统将是心电监护系统未来的发展方向。1.3主要研究工作及内容本文以超低功耗微控制器STM32L151C8和蓝牙芯片HC-06为基础，结合目前国内外发展现状，研究设计了单导联心电采集模块，并通过蓝牙无线透传将原始数据
15、传输至上位机，采集模块具备低功耗、便携式特点。本文研究内容如下：(1) 首先介绍了心电信号的产生机理及特征，并对蓝牙无线通讯技术做简介分析，为系统设计做了必要的铺垫。 (2)详细阐述了系统硬件的设计过程，对心电信号的滤波、放大电路分别做了设计分析，对芯片选取和参数确定做了细致的说明，并对硬件电路进行了全面测试。 (3)详细阐述了系统软件的设计过程，给出了系统软件流程图，对系统初始化、MCU模数转换及UART数据传输过程进行了C程序编写，并对系统软硬件做了联合测试。 (4)对整个系统的设计以及测试结果做了分析与总结，并提出了系统今后的改进方向。第2章 人体心电信号产生与蓝牙无线通讯技术2.1心电信号的产生及特征2.1.1 心电信号的产生机
