基于单片机的心冲击信号采集与处理方法的研究

摘要

人心脏的收缩与泵血会引起人体同步的振动，这种振动会引起与人接触的外部物体发生同样的振动，用一些传感器检测这种振动信号就获取了心冲击图信号（Ballistocardiogram，BCG信号），对这种微弱振动变化的测量一直就是研究的难点。现在有很多传感器可以对BCG信号进行采集，如压电陶瓷或者电极贴片传感器等，但这些器件在一定程度上受到限制，比如价格高，结构复杂，舒适度差等。本文采用eTouch压电薄膜（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）作为传感器，这是一种高新分子材料所制成的，具有压电特性高，价格低廉，结构简单，安全无污染，灵敏度高的优良特性，可以实现对人体微弱生理信号（BCG信号）的非接触式测量。本文基于这种传感器设计出了一套人体生理体征信号（BCG信号）的采集与处理系统。
　　本文设计了心冲击信号的硬件采集电路。这个硬件电路包含五个部分，分别是前置电荷放大电路，滤波电路和主电压放大电路，消除工频干扰的陷波电路，和电平提升与稳压电路。前置放大电路主要将压电薄膜产生的电荷转化为电压，滤波电路主要滤除高频噪声和直流干扰，滤波范围在0.15-30Hz，主放大电路放大倍数控制在120多倍，陷波电路主要去除工频干扰，电平提升与稳压电路主要使输出的信号幅度满足单片机的ADC输入要求。通过本文设计的硬件采集电路，可以实现人在坐和躺两种状态下，都可以很好的实现对人体微弱的生理信号（BCG信号）进行检测与采集。
　　本文编写了提取心率，呼吸率等相关的算法。心跳和呼吸波的分离采用了截止频率为0.48Hz的低通数字滤波器进行连续三次循环滤波的方法，而心率和呼吸率值的提取则通过快速傅立叶变换在频域中确定。
　　本文通过STM32单片机实现了对采集到的信号实行处理与显示。实现的功能包括心率算法，呼吸率算法的实现与显示。
　　研究的结果表明，本文设计的基于eTouch压电薄膜的人体生理体征信号（BCG信号）的采集与处理系统具有可行性，同时这套系统具有安全便捷，灵敏度高，价格低廉，可靠性强等诸多优势。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的创新及预期达到的目标

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 心冲击信号（BCG信号）与压电薄膜

2.1 心冲击图信号（BCG信号）

2.2 压电薄膜传感器的介绍

2.3 eTouch压电薄膜的优点

2.4本章小结

第3章 信号硬件采集开发设计

3.1 系统硬件方案的整体设计

3.2 前置放大电路

3.3滤波电路

3.4主放大电路

3.5陷波电路

3.6电平提升与稳压电路

3.7信号硬件采集电路调试结果

3.8 制板时需要的注意事宜

3.9本章小结

第4章 生理信息的提取

4.1 引言

4.2 STM32硬件系统配置

4.3 坐姿状态下生理信息的提取

4.4 平躺状态下生理信息的提取

4.5 预警功能的实现

结论

参考文献

声明

致谢