# 基于STM32的心电采集系统设计
## 一、系统概述
心电采集系统通过**电极阵列**采集人体心电信号（ECG），经**信号调理**（放大、滤波）后，由**STM32微控制器**进行**模数转换（ADC）**、**数字滤波**、**特征提取**（如心率、QRS波），最终实现**实时显示**、**数据存储**或**无线传输**。系统需满足**高增益（1000倍以上）**、**低噪声（<1μV）**、**抗干扰（工频/肌电噪声）** 要求，适用于**便携式监护仪**、**远程医疗**、**运动健康**等场景。
## 二、系统架构与硬件设计
### 1. 系统架构
```mermaid
graph TD
A[心电电极] -->|微弱信号 mV级| B[前端调理电路]
B –>|放大滤波后信号| C[STM32 ADC]
C –>|数字信号| D[STM32主控]
D –>|处理/分析| E[OLED显示]
D –>|存储| F[SD卡]
D –>|传输| G[蓝牙/Wi-Fi]
H[电源管理] –>|3.3V| B
H –>|3.3V| C
H –>|3.3V| D
H –>|3.3V| E
H –>|3.3V| F
H –>|3.3V| G
“`
### 2. 关键硬件组件
| **模块** | **型号/参数** | **功能** |
| ———— | ——————————– | ———————————- |
| **主控** | STM32F103C8T6（72MHz，12位ADC） | 信号采集、滤波、心率计算、控制外设 |
| **前端调理** | AD8232（仪表放大器，增益1000） | 心电放大、带通滤波（0.5-40Hz） |
| **ADC** | STM32内置12位ADC（1μs转换时间） | 模拟信号→数字信号（采样率250Hz） |
| **显示** | 0.96寸OLED（128×64，I2C） | 实时显示ECG波形、心率值 |
| **存储** | MicroSD卡（SPI接口，8GB） | 存储ECG数据（CSV格式） |
| **通信** | HC-05蓝牙模块（UART，2.4GHz） | 无线传输数据至手机APP |
| **电源** | 锂电池（3.7V/500mAh）+TP4056充电 | 系统供电，支持充电与低功耗管理 |
### 3. 核心电路设计
#### （1）前端调理电路（AD8232）
– **功能**：将心电电极采集的**0.5-5mV微弱信号**放大至**0-3.3V**（STM32 ADC输入范围），同时滤除**工频干扰（50Hz）** 和**肌电噪声（>100Hz）**。
– **电路连接**：
– 电极输入：右臂（RA）、左臂（LA）、右腿（RL，参考地）三导联；
– 输出：AD8232的`OUTPUT`引脚接STM32的`PA0`（ADC1通道0）；
– 配置：增益=1000（通过`GAIN`引脚设置），带宽=0.5-40Hz（内部带通滤波）。
#### （2）STM32 ADC采集电路
– **采样率**：250Hz（心电信号最高频率100Hz，按Nyquist定理需≥200Hz）；
– **分辨率**：12位（4096级量化，满足心电精度需求）；
– **触发方式**：定时器TIM2触发（每4ms触发一次ADC转换，对应250Hz）；
– **数据传输**：DMA（直接内存访问）将ADC数据自动传输至数组，减少CPU干预。
## 三、软件设计（C语言实现）
### 1. 主程序流程
“`c
#include “stm32f10x.h”
#include “ad8232.h”
#include “adc_dma.h”
#include “filter.h”
#include “heart_rate.h”
#include “oled.h”
#include “sd_card.h”
#include “bluetooth.h”
// 系统状态
typedef struct {
uint8_t is_sampling; // 采样标志
uint16_t adc_buffer[250]; // 1秒ADC数据（250Hz×1s）
float ecg_signal[250]; // 滤波后心电信号
uint8_t heart_rate; // 心率值（bpm）
} SystemState;
int main(void) {
// 1. 初始化硬件
System_Init(); // 时钟、GPIO、中断
AD8232_Init(); // 前端调理电路初始化
ADC_DMA_Init(250); // ADC+DMA初始化（250Hz采样）
OLED_Init(); // OLED显示初始化
SD_Card_Init(); // SD卡初始化
Bluetooth_Init(); // 蓝牙初始化
SystemState sys_state = {0};
sys_state.is_sampling = 1;
// 2. 主循环
while (1) {
if (sys_state.is_sampling) {
// 2.1 启动ADC采样（DMA传输）
ADC_Start_Conversion();
// 2.2 等待采样完成（1秒数据）
while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1) == RESET);
DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);
// 2.3 数字滤波（去噪、基线校正）
for (int i=0; i<250; i++) {
sys_state.ecg_signal[i] = Filter_Process((float)sys_state.adc_buffer[i]);
}
// 2.4 心率计算（QRS波检测）
sys_state.heart_rate = HeartRate_Calculate(sys_state.ecg_signal, 250);
// 2.5 显示与存储
OLED_Display_ECG(sys_state.ecg_signal, 250); // 显示ECG波形
OLED_Display_HR(sys_state.heart_rate); // 显示心率
SD_Card_Save_Data(sys_state.ecg_signal, 250); // 存储至SD卡
Bluetooth_Send_Data(sys_state.ecg_signal, 250); // 蓝牙传输
// 2.6 低功耗管理（空闲时休眠）
if (should_enter_sleep()) {
Enter_Sleep_Mode(1000); // 休眠1秒
}
}
}
}
```
### 2. 关键模块实现
#### （1）ADC+DMA配置（信号采集）
```c
// ADC+DMA初始化（250Hz采样，12位分辨率）
void ADC_DMA_Init(uint16_t sample_rate) {
ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
// 1. 使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
// 2. 配置ADC通道（PA0，ADC1通道0）
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置ADC
ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单通道
ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换（由TIM触发）
ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; // TIM2触发
ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC DMA
// 4. 配置DMA（ADC1→内存）
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)sys_state.adc_buffer;
DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = 250; // 250个采样点（1秒）
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 16位ADC数据
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 循环模式
DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStruct);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
// 5. 配置TIM2触发（4ms周期，250Hz）
TIM_InitStruct.TIM_Period = 72000/250 – 1; // 72MHz/250=288kHz，周期=288k/250=1152? 修正：72MHz/250Hz=288000，TIM分频后计数
TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = 0;
TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 1;
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStruct);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
“`
#### （2）数字滤波（去噪与基线校正）
心电信号需滤除**50Hz工频干扰**和**基线漂移（<0.5Hz）**，采用**IIR陷波滤波+移动平均滤波**：
```c
// 50Hz陷波滤波器（IIR）
#define NOTCH_FREQ 50.0f
#define FS 250.0f // 采样率
#define Q 30.0f // 品质因数
float notch_filter(float input) {
static float x1=0, x2=0, y1=0, y2=0;
float omega = 2 * 3.1415926f*NOTCH_FREQ/FS;
float alpha = sin(omega)/(2*Q);
float b0 = 1/(1+alpha);
float b1 = -2*cos(omega)*b0;
float b2 = b0;
float a1 = -2*cos(omega)*b0;
float a2 = (1-alpha)*b0;
float output = b0*input + b1*x1 + b2*x2 - a1*y1 - a2*y2;
x2 = x1; x1 = input;
y2 = y1; y1 = output;
return output;
}
// 移动平均滤波（窗口大小5）
#define MA_WINDOW 5
float ma_filter(float input) {
static float buffer[MA_WINDOW] = {0};
static uint8_t index=0;
static float sum=0;
sum -= buffer[index];
buffer[index] = input;
sum += input;
index = (index+1)%MA_WINDOW;
return sum/MA_WINDOW;
}
// 总滤波函数
float Filter_Process(float adc_value) {
// 1. ADC值→电压（0-3.3V）
float voltage = (adc_value / 4095.0f) * 3.3f;
// 2. 去直流偏移（AD8232输出含0.5V偏置）
voltage -= 0.5f;
// 3. 陷波滤波（去50Hz工频）
float notched = notch_filter(voltage);
// 4. 移动平均滤波（去高频噪声）
float filtered = ma_filter(notched);
return filtered;
}
```
#### （3）心率计算（QRS波检测）
通过**阈值法**检测QRS波（心电图中幅度最大的波群），计算相邻QRS波时间间隔，换算为心率：
```c
// 心率计算（输入：滤波后心电信号，长度N；输出：心率bpm）
uint8_t HeartRate_Calculate(float* signal, uint16_t N) {
#define THRESHOLD 0.5f // 检测阈值（根据实际信号调整）
#define MIN_INTERVAL 0.3f // 最小RR间期（秒，对应200bpm）
#define MAX_INTERVAL 2.0f // 最大RR间期（秒，对应30bpm）
uint16_t peak_indices[10] = {0}; // 存储QRS波位置
uint8_t peak_count = 0;
float max_val = 0;
uint16_t max_index = 0;
// 1. 寻找QRS波峰值（简单阈值法）
for (int i=1; i
if (peak_count < 10) {
peak_indices[peak_count++] = i;
}
}
}
// 2. 计算平均RR间期（秒）
if (peak_count < 2) return 0; // 无有效峰值
float rr_sum = 0;
for (int i=1; i
}
“`
参考代码 基于STM32的心电采集系统（硬件+软件+上位机+设计报告等） www.youwenfan.com/contentcns/160880.html
## 四、系统测试与优化
### 1. 测试指标
| **参数** | **指标** | **测试方法** |
| ———— | ——————- | ————————————– |
| 输入信号范围 | 0.5-5mV（心电电极） | 函数发生器模拟心电信号（0.5-5mV@50Hz） |
| 放大倍数 | 1000倍（AD8232） | 输入1mV信号，测量输出电压（≈1V） |
| 采样率 | 250Hz | 示波器测量ADC触发信号周期（4ms） |
| 心率测量误差 | ±5bpm（静息状态） | 对比医用ECG仪测量结果 |
| 工频抑制比 | >40dB（50Hz） | 输入50Hz干扰信号，测量输出衰减 |
### 2. 优化方向
– **抗干扰**：使用**屏蔽线**连接电极，STM32金属外壳接地，软件增加**自适应滤波**（如LMS算法）；
– **低功耗**：采样间隙关闭ADC、OLED背光，STM32进入**停止模式**（电流<10μA）； - **算法优化**：采用**Pan-Tompkins算法**（更精确的QRS波检测），提升心率测量精度； - **数据存储**：压缩ECG数据（如差分编码），延长SD卡存储时间。 ## 五、总结 本设计基于STM32实现了心电信号的**采集-滤波-分析-显示**全流程，核心亮点： 1. **前端调理**：采用AD8232集成放大滤波，简化电路设计； 2. **高效采集**：ADC+DMA实现250Hz无丢失采样； 3. **实时处理**：数字滤波（陷波+移动平均）与QRS波检测算法实时计算心率； 4. **便携扩展**：支持OLED显示、SD卡存储、蓝牙传输，适用于便携式监护场景。 系统可进一步优化为**多导联ECG**（增加电极）、**云端互联**（通过ESP8266接入云平台），满足临床诊断需求。
