640437_razrabotka-i-programmirovan (2)

1.

Разработка электрокардиографа
на базе Arduino Uno и AD8232
Создание функционального прототипа для
высокоточного мониторинга биоэлектрической
активности сердца: от проектирования
схемотехники и аппаратной защиты от помех до
разработки алгоритмов первичной фильтрации и
программной визуализации данных
выполнил:
студент группы 09В29
Аюшинов Аюр

2.

Разработка и программирование
электрокардиографического комплекса на
базе Arduino Uno
Аппаратное проектирование
Реализация одноканального ЭКГ
на базе AD8232 и Arduino Uno.
Включает создание надежного
интерфейса электродов и
внедрение схем защиты
пациента от потенциальных
электрических пробоев.
Цифровая обработка сигналов
Разработка программной среды
для сбора данных в реальном
времени. Внедрение алгоритмов
цифровой фильтрации,
направленных на эффективное
подавление сетевых помех и
дрейфа базовой цепи.
Верификация и диагностика
Выполнение анализа
биопотенциалов и
детектирование R-зубцов на
кардиограмме. Оценка
вычислительных ресурсов
платформы для обеспечения
требуемой точности и
стабильности диагностики.

3.

Разработка и программирование
электрокардиографа на базе Arduino и
AD8232
Актуальность проекта обусловлена
необходимостью формирования
доступной платформы для обучения
биомедицинской электронике.
Разработка прототипа на базе Arduino
Uno и модуля AD8232 позволяет
наглядно изучить принципы регистрации
биопотенциалов, а также закрепить
практические навыки в схемотехнике и
программировании встраиваемых
систем для обработки сигналов.

4.

Arduino как платформа
медицинского
прототипирования
Arduino представляет собой аппаратнопрограммную платформу с открытой
архитектурой. Доступность готовых модулей,
таких как AD8232, значительно снижает порог
вхождения в разработку микроконтроллерных
медицинских систем. Открытая архитектура
обеспечивает высокую воспроизводимость
сборки, прозрачность алгоритмов обработки
данных и возможность оперативной модульной
модификации прототипа.

5.

Вычислительная база: микроконтроллер
ATmega328P
Arduino Uno базируется на архитектуре ATmega328P с тактовой частотой 16 МГц. Интегрированный
10-битный АЦП обеспечивает рабочее разрешение для регистрации биоэлектрической активности
сердца. Технические параметры платформы гарантируют достаточную гибкость при сопряжении с
модулем AD8232 и реализацию первичной цифровой обработки сигналов в реальном времени.

6.

Этапы архитектурного проектирования системы
сбора и обработки электрокардиографических
сигналов
1
2
3
Определение требований:
Модульная архитектура
Прототипирование и тесты
Первоначальный этап включает
детализацию функциональных
возможностей системы.
Определяются ключевые
параметры сбора данных,
требования к частоте
дискретизации и протоколы
интеграции с Arduino.
Реализуется проектирование
программной структуры на базе
Arduino C. Применяется
принципы изоляции логики
захвата сигнала от алгоритмов
первичной фильтрации и
программной обработки данных.
Разработка ведется в среде
Arduino IDE с циклической
верификацией кода. Регулярное
тестирование на каждом этапе
позволяет выявлять ошибки и
оптимизировать обработку
низкоуровневых сигналов.

7.

Интегрированный
фронтенд AD8232 для ЭКГ
Модуль AD8232 является специализированным инструментом мониторинга сердечной
активности с низким энергопотреблением. Технический комплекс объединяет в себе
усилитель, фильтр и детекцию отсоединения электродов. Решение обеспечивает высокий
входной импеданс и эффективно подавляет шумы биопотенциалов, значительно сокращая
количество необходимой внешней элементной базы в инженерной реализации проекта.

8.

Реализация визуализации ЭКГ данных на
OLED дисплее
Аппаратное подключение OLED
Применение 0,96-дюймового
модуля с разрешением 128x64
пикселя обеспечивает надежную
визуализацию диагностических
показателей при высокой
точности отображения
графической информации.
Энергетическая
эффективность
Широкий угол обзора до 180
градусов и низкое
энергопотребление в
монохромном режиме делают
данный дисплей оптимальным
компонентом для носимых
медицинских измерительных
систем.
Технические характеристики
Использование органических светодиодов гарантирует высокую контрастность и глубокий черный
цвет, что критически важно для корректного чтения данных электрокардиограммы в реальном
времени.

9.

Реализация электропитания
аппаратного комплекса
Электропитание системы осуществляется посредством источника напряжения 9В. Для обеспечения
стабильной работы модуля AD8232 и микроконтроллера Arduino Uno критически важно соблюдение
соответствия питающих напряжений выводам VCC и GND, а также строгое согласование уровней
логических сигналов в рамках схемотехнической архитектуры устройства.

10.

Методология сборки и монтажа прототипа ЭКГ
Реализация аппаратной части с фоновым контролем стабильности соединений и минимизацией паразитных
наводок в сигнальных цепях устройства.
01
02
03
04
Компоновка узлов
Оптимизация
расположения плат для
минимизации длины
сигнальных линий.
Интеграция сенсора
Вывод разъема AD8232
через отверстие в
корпусе для удобства
эксплуатации.
Механическая
фиксация
Пайка проводников
обеспечивает высокую
стабильность и
надежность контактов.
Снижение помех
Применение проводов
длиной 10 см для
минимизации внешних
электромагнитных
шумов.

11.

Аппаратная компоновка и
монтаж системы
Критическим аспектом проектирования является размещение модуля AD8232 и
контроллера Arduino Uno в корпусе. Минимизация длины проводников позволяет
снизить уровень наводок, обеспечивая чистоту снимаемого биопотенциального
сигнала. Разъем для электродов выведен внешне в соответствии с требованиями
эргономики, что облегчает интеграцию датчиков и подготовку устройства к
верификации.

12.

Динамика ЧСС:
верификация откликa
системы
Изменение ЧСС при нагрузочном
тестировании
ЧСС (уд/мин)
160
140
Тестирование работоспособности тракта
сбора данных на базе AD8232 включало
сравнительный анализ ЭКГ-сигналов.
Система успешно зафиксировала
увеличение частоты сердечных
сокращений (ЧСС) после физической
нагрузки относительно состояния покоя.
Полученные данные подтверждают
корректную работу программных
алгоритмов первичной обработки и
высокую чувствительность аппаратной
части к изменению физиологических
параметров.
120
100
80
60
40
20
0
Покой
(начало)
Покой (стаб.)
Нагрузка (1
мин)
Нагрузка (3
мин)

13.

Перспективное развитие функционала
ЭКГ-системы
Аппаратная защита
Внедрение гальванической
развязки и схем защиты пациента
для обеспечения
электробезопасности прибора в
соответствии с медицинскими
стандартами мониторинга
биосигналов.
Цифровая фильтрация
Реализация адаптивных и
вейвлет-фильтров для
динамического повышения
соотношения сигнал/шум (SNR) и
эффективного подавления
артефактов при обработке
данных ЭКГ.
Многоканальность
Модернизация системы для
расширения до многоканальной
записи ЭКГ и интеграция
аппаратных интерфейсов
управления питанием для
улучшения автономности
прототипа.

14.

Итоги разработки
портативного ЭКГ-стенда
Проект доказал эффективность
использования модуля AD8232 и
платформы Arduino для разработки
учебных стендов по электрокардиографии.
При соблюдении правил экранирования и
схемотехники система выдаёт данные с
качеством сигнала, достаточным для
лабораторных исследований и анализа
сердечного ритма

15.

Скетч Arduino
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
// --- Настройки дисплея --#define SCREEN_WIDTH 128 // Ширина дисплея в пикселях
#define SCREEN_HEIGHT 64 // Высота дисплея в пикселях
#define OLED_RESET
-1 // Пин сброса (если дисплей не имеет пина
сброса, указываем -1)
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
// --- Настройки ЭКГ --const int SENSOR_PIN = A0;
const int LO_POS_PIN = 8;
const int LO_NEG_PIN = 9;
// Переменная для хранения графика (буфер)
int graphBuffer[SCREEN_WIDTH]; // Массив для хранения значений по оси X
void setup() {
// Инициализация дисплея
display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); // Адрес 0x3C для большинства
OLED
display.clearDisplay();
display.setTextSize(1);
display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
display.setCursor(0,0);
display.print("Initializing...");
display.display();
pinMode(LO_POS_PIN, INPUT);
pinMode(LO_NEG_PIN, INPUT);
delay(1000); // Пауза для старта
}
void loop() {
}
// Проверка контакта электродов
if (digitalRead(LO_POS_PIN) == HIGH || digitalRead(LO_NEG_PIN) == HIGH) {
display.clearDisplay();
display.setCursor(0,0);
display.print("CHECK ELECTRODES!");
display.display();
delay(500);
return; // Пропускаем отрисовку, если контакт плохой
}
// Считываем и усредняем сигнал для стабильности
long sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
sum += analogRead(SENSOR_PIN);
delay(1); // Очень короткая пауза между замерами
}
int sensorValue = sum / 10; // Среднее значение
// --- Отрисовка графика --// Сдвигаем все значения в массиве влево на один пиксель
for(int i = 0; i < SCREEN_WIDTH - 1; i++){
graphBuffer[i] = graphBuffer[i+1];
}
// Добавляем новое значение в конец массива (крайний правый пиксель)
// Масштабируем значение АЦП (0-1023) под высоту экрана (0-64)
graphBuffer[SCREEN_WIDTH - 1] = map(sensorValue, 200, 650, SCREEN_HEIGHT-5,
// Очищаем экран перед новой отрисовкой
display.clearDisplay();
// Рисуем линию графика по точкам из буфера
for(int i = 1; i < SCREEN_WIDTH; i++){
display.drawLine(i-1, graphBuffer[i-1], i, graphBuffer[i], SSD1306_WHITE)
// Можно добавить точки для наглядности
// display.drawPixel(i, graphBuffer[i], SSD1306_WHITE);
}
display.display(); // Выводим всё нарисованное на физический экран

16.

Перспективные направления
развития ЭКГ-системы на платформе
Arduino
Проект подтвердил эффективность интеграции
модуля AD8232 и платформы Arduino для разработки
прототипов ЭКГ. Реализованное техническое решение
обеспечивает получение сигнала необходимого
качества. Дальнейшие исследования будут
сфокусированы на внедрении систем гальванической
развязки, оптимизации цифровой фильтрации и
повышении помехоустойчивости, что позволит
расширить функциональность устройства до
диагностического уровня.

17.

Спасибо за просмотр
Подготовил: Аюшинов Аюр Данилович