STM32+ADS1292+蓝牙App心电监测系统设计与实现

简介基于STM32的心电图监测蓝牙传输app设计毕设源码包适合计算机、自动化、电子信息等相关专业学生用于课程设计或毕业设计。项目评审得分95分经严格调试可正常运行。整体包含98个文件压缩包仅414KB涵盖41个C头文件、40个C源代码文件以及Keil工程文件、hex固件、原理图PDF和项目说明文档等结构完整。硬件部分基于STM32单片机利用ADC采集心电信号并经DMA传输通过HC-05蓝牙发送软件部分基于Android Studio开发可实现蓝牙连接、实时心电图展示、历史记录查看与图片保存。目前已有505人学习下载源码注释清晰便于在此基础上进行二次开发与功能扩展。1. 为什么心电监测要从 STM32 和蓝牙 App 开始绝大多数人的第一印象里心电图监测是中大型医疗设备才能做的事十二导联、热敏纸打印、心内科医生判读每一样看起来都离个人开发者很远。但换成工程视角单导联心电采集的链路并不复杂模拟前端把毫伏级心电信号放大并滤除噪声微控制器完成 ADC 采样与数字滤波再通过蓝牙把数据帧推给手机 App 实时绘制波形。这是把信号链、嵌入式、无线传输和移动端开发串在一起的完整毕业设计也是少数几个能从零到一整套跑通的软硬结合项目。这个标题下的 .zip 里核心资产是 STM32 固件源码、Android App 源码和原理图 PCB 工程。拿到它之后你要做的不只是烧录跑通还要能说清楚 ADS1292 或 AD8232 的采样配置、HC-05 蓝牙模块的透传机制、App 端的 BluetoothSocket 通信和实时波形绘制逻辑。下面按信号流的方向从硬件选型一路讲到 App 曲线刷新中间会穿插可直接抄用的代码和调试经验适合准备答辩、找嵌入式相关工作、或者想快速落地一个可穿戴心电原型的开发者。2. 硬件链路搭建ADS1292 采集、STM32 主控与蓝牙模块选型2.1 为什么毕设方案普遍选 ADS1292 而不是 AD8232心电信号本身幅值只有 0.5mV 到 4mV频带集中在 0.05Hz 到 100Hz直接送进 STM32 的 ADC 几乎没有可用的分辨率。市面上常见的两种处理方式一是用 AD8232 这种模拟前端芯片自带仪表放大器和二阶高通低通滤波输出模拟信号再接 STM32 内部 ADC二是用 ADS1292 这种集成 24 位 Delta-Sigma ADC 的专用模拟前端通过 SPI 直接输出数字心电数据。毕设项目里我一般会优先推荐 ADS1292。原因有三点第一内置 PGA 可编程增益放大不需要额外搭运放电路原理图更简单第二24 位分辨率配合高采样率能直接体现数字信号处理的优势滤波算法有发挥空间第三ADS1292 是 TI 为 ECG 应用设计的自带右腿驱动、导联脱落检测和内部测试信号这些功能在答辩演示时非常加分。AD8232 的优势在模拟链路直观可见适合偏硬件方向的同学但如果你后续要做心率变异性分析、QRS 波检测这类算法数字输出显然更友好。2.2 STM32 最小系统与晶振电容的计算要点主控芯片从 F103C8T6 到 F446RE 都能跑关键指标是有一个硬件 SPI 和一个 USART 串口。F103C8T6 是毕设最常见的选型72MHz 主频处理 250Hz 到 500Hz 采样率的心电数据绰绰有余而且绝大多数网上教程都以它为例遇到问题好搜。最小系统部分要注意热词里出现过的STM32 晶振电容计算。8MHz 主晶振的负载电容公式是 CL (C1 × C2) / (C1 C2) Cstray其中 Cstray 是 PCB 走线和引脚寄生电容通常按 3pF 到 5pF 估算。如果晶振要求的 CL 是 18pF那么 C1 和 C2 各取 30pF 左右比较合适。实际焊板时如果波形起振不稳定优先排查这两个电容的容值是否对称而不是先怀疑芯片坏了。模块型号/方案接口说明模拟前端ADS1292SPISCLK/MOSI/MISO/CS24 位 Δ-Σ ADC内置 PGA双通道主控STM32F103C8T6SPI1 USART172MHz64KB Flash20KB SRAM蓝牙HC-05经典蓝牙 SPPUSART2 或 USART1 复用透传模式默认波特率 9600电源3.7V 锂电池 AMS1117-3.3—模拟和数字分开走线避免地弹干扰STM32 与 ADS1292 的接线就五根线——VCC、GND、SCLK、DIN、DOUT、DRDY数据就绪引脚。DRDY 是 ADS1292 拉低表示新数据已经准备好STM32 用 GPIO 外部中断或者轮询检测这个下降沿再发起 SPI 读取这是整个采集时序的核心。2.3 蓝牙模块选型HC-05 透传与低功耗 BLE 的取舍在这个方案里蓝牙承担的是双向透传角色。HC-05 是经典蓝牙 2.0 模块市面上 10 块钱上下默认工作在从模式支持 AT 指令配置上电后自动进入透传状态。Android 端用 BluetoothAdapter 就能搜索到它走的是 SPP 协议UUID 为 00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB不需要写 GATT 服务端客户端逻辑开发难度低非常适合毕设节奏。但如果你后续想往产品化方向走经典蓝牙的功耗和配对体验都跟不上。BLE 方案如 CC2541、nRF52832需要自己设计服务、特征值、通知使能等 GATT 层逻辑STM32 端要么用串口透传固件要么自己适配 AT 指令协议。毕设从可演示性和源码完整度考虑HC-05 够用如果指导老师对功耗有明确要求可以做成双模方案——先用 HC-05 跑通验证再替换为 BLE 模块并把串口数据映射到 Notification 特征值上。另外就是HC05 蓝牙模块连接不上这类问题几乎是每个做这个课题的人都会碰到主要原因集中在波特率不匹配、AT 模式没退出、或者模块被配对列表占用后文排错章节会展开讲。3. STM32 固件实现SPI 读取、滤波和蓝牙串口发送3.1 ADS1292 寄存器配置与 SPI 读取时序配置 ADS1292 的标准流程是上电等待复位稳定 → 发送 SDATAC 停止连续读取 → 逐寄存器写入配置 → 发送 RDATAC 开始连续输出。核心寄存器就几个下面这段代码展示了最基本的初始化逻辑。// ADS1292 寄存器地址 #define CONFIG1 0x01 #define CONFIG2 0x02 #define LOFF 0x03 #define CH1SET 0x04 #define CH2SET 0x05 #define RLD_SENS 0x06 void ADS1292_Init(void) { // 停止连续读取模式才能写寄存器 ADS1292_SendCmd(0x11); // SDATAC // CONFIG1: 设置 CLK 为内部 512kHz采样率 250SPS uint8_t cfg1 0x02; // 0100 0010HR00 - 125SPS 基准DAISY 关闭 ADS1292_WriteReg(CONFIG1, cfg1); // CONFIG2: 开启内部测试信号用于验证链路默认关 ADS1292_WriteReg(CONFIG2, 0xA0); // 1000 0000INT_TEST0测试信号接入 // CH1SET: PGA 增益 6输入短接测试模式 ADS1292_WriteReg(CH1SET, 0x60); // 0110 0000GAIN110 - 6V/V // CH2SET: PGA 增益 6正常电极输入 ADS1292_WriteReg(CH2SET, 0x50); // 0101 0000GAIN101 - 6V/V // 启动连续读取 ADS1292_SendCmd(0x02); // WAKEUP ADS1292_SendCmd(0x10); // RDATAC }寄存器配置里最容易翻车的地方是CONFIG1的采样率位和CHxSET的增益位。上面代码用了 250SPS这个值对心电来说是够用的心电有效频率成分到 100Hz 为止奈奎斯特频率要求至少 200SPS而且数据量小蓝牙串口 9600 波特率也能扛住。注意如果改用 500SPS三个通道的数据加协议头9600 波特率就会出现串口丢字节的情况要么把波特率升到 115200要么降低采样率。读取数据时DRDY 引脚拉低后需要连续读 3 个字节通道 1 是 24 位 ADC 值命令是发送一个 dummy 字节。uint8_t rx_buf[27]; // 3 字节状态 3 通道 × 3实际是 3 字节 2通道×3字节 void ADS1292_ReadData(int32_t *ch1, int32_t *ch2) { while (HAL_GPIO_ReadPin(DRDY_GPIO_Port, DRDY_Pin) ! GPIO_PIN_RESET); uint8_t buf[9]; HAL_SPI_Receive(hspi1, buf, 9, 10); // buf[0..2] 是状态字节通常忽略 *ch1 ((int32_t)(buf[3]) 16) | ((int32_t)(buf[4]) 8) | buf[5]; *ch2 ((int32_t)(buf[6]) 16) | ((int32_t)(buf[7]) 8) | buf[8]; }这里有个容易忽略的细节ADS1292 的输出是 24 位二进制补码直接把三个字节拼成 int32 后必须做符号扩展否则负电压的波形会显示成一段水平的跳变。最简单的处理方式如果最高位bit23为 1就把值或上 0xFF000000。3.2 数据帧格式设计让 App 端解析更省心STM32 把心电数据通过串口发给蓝牙模块App 那边通过蓝牙读到的是无差别的字节流。为了防止串口噪声或者粘包导致波形错乱需要自己定义一套简易帧协议。我常用的格式是字段长度值说明帧头2 字节0xAA 0x55固定握手数据长度1 字节0x04有效载荷字节数CH1 高1 字节AD[23:16]通道 1 高 8 位CH1 中1 字节AD[15:8]CH1 低1 字节AD[7:0]校验和1 字节累加和低 8 位除帧头外所有字节累加发送函数写成这样void SendECGFrame(int32_t ch1, int32_t ch2) { uint8_t frame[9]; frame[0] 0xAA; frame[1] 0x55; frame[2] 0x04; frame[3] (uint8_t)((ch1 16) 0xFF); frame[4] (uint8_t)((ch1 8) 0xFF); frame[5] (uint8_t)(ch1 0xFF); uint8_t sum frame[2] frame[3] frame[4] frame[5]; frame[6] sum; HAL_UART_Transmit(huart2, frame, 7, 10); }帧头选0xAA 0x55是因为这两个字节的二进制互补性足够强误判概率低。App 端解析时先找帧头校验和不对就丢弃到下一帧这样即使偶尔丢一个字节也不会导致整个波形持续错位。加上第 2 个通道是为了后续做呼吸检测或者双导联扩展。3.3 数字滤波50Hz 工频陷波和 0.5Hz~40Hz 带通ADS1292 硬件上可以设置高通滤波高通频率CONFIG2 里的 HPF 位但只靠硬件滤波的阻带衰减有限尤其是 50Hz 工频干扰电极接触不良或者环境里有日光灯时基波和二次谐波非常明显。所以固件里要加数字滤波。我一般用二阶 IIR 陷波器来去除 50Hz 干扰系数可以用 Python 离线算好再在 STM32 上以双二阶biquad结构运行。采样率 250Hz 下一组经典型系数配置如下// 二阶 IIR 陷波器fs250Hzf050HzQ30 typedef struct { float b0, b1, b2; float a1, a2; float x1, x2, y1, y2; } Biquad; float Biquad_Process(Biquad *f, float x) { float y f-b0 * x f-b1 * f-x1 f-b2 * f-x2 - f-a1 * f-y1 - f-a2 * f-y2; f-x2 f-x1; f-x1 x; f-y2 f-y1; f-y1 y; return y; }Q 值选 30 是平衡点Q 值越大陷波带宽越窄对 50Hz 附近的有效心电成分损伤越小但抗频偏能力变差如果市电频率实际是 49.8HzQ 值太大反而滤不干净。如果是在实验室环境测量Q 值可以放宽到 20 更保守。实际滤波效果可以用 STM32 内部定时器触发一次自检把导联接一个 1Hz 方波观察输出波形是否保留边沿、50Hz 毛刺是否明显衰减。4. Android App 开发BluetoothSocket 连接、数据解析与实时波形绘制4.1 蓝牙连接经典蓝牙 SPP 的权限适配App 端如果采用经典蓝牙对应 HC-05Android 的蓝牙 API 相对直接。但不同 Android 版本对蓝牙权限的要求差异很大这是App 抓包失败、搜不到设备、连不上这类问题的重要来源。Android 12 之前只需要BLUETOOTH和BLUETOOTH_ADMINAndroid 12 及以上必须在运行时申请BLUETOOTH_SCAN和BLUETOOTH_CONNECT这两个危险权限。// Android 12 动态权限申请Kotlin val permissions if (Build.VERSION.SDK_INT Build.VERSION_CODES.S) { arrayOf( Manifest.permission.BLUETOOTH_SCAN, Manifest.permission.BLUETOOTH_CONNECT ) } else { arrayOf( Manifest.permission.BLUETOOTH, Manifest.permission.BLUETOOTH_ADMIN, Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION ) } requestPermissions(permissions, 100);蓝牙扫描和连接是一个异步过程需要注册BroadcastReceiver监听ACTION_FOUND找到 HC-05然后通过远程设备地址创建BluetoothSocket。BluetoothDevice device adapter.getRemoteDevice(00:15:83:00:XX:XX); BluetoothSocket socket device.createRfcommSocketToServiceRecord( UUID.fromString(00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB) ); socket.connect(); InputStream input socket.getInputStream();createRfcommSocketToServiceRecord这个 UUID 是 SPP 的标准 UUIDHC-05 出厂默认就是这个不要随意改。如果连接失败抛出IOException可以尝试用反射方法device.createRfcommSocket(1)兜底这在部分山寨 HC-05 兼容性差时有效。4.2 数据解析与波形绘制拿到InputStream后需要开一个子线程循环读取字节。为了避免 UI 线程卡顿读出的一帧数据先放到队列里再由绘图线程取走刷新界面。波形绘制一般用自定义 View 的onDraw核心逻辑是保存最近 N 个采样点每来一个新点把所有点的 X 坐标左移一个像素宽度然后重绘。class ECGView extends View { private static final int MAX_POINTS 500; private float[] ecgData new float[MAX_POINTS]; private Paint paint new Paint(Paint.ANTI_ALIAS_FLAG); void addPoint(float value) { System.arraycopy(ecgData, 1, ecgData, 0, MAX_POINTS - 1); ecgData[MAX_POINTS - 1] value; invalidate(); } Override protected void onDraw(Canvas canvas) { super.onDraw(canvas); Path path new Path(); for (int i 1; i MAX_POINTS; i) { float x (i - 1) * (getWidth() / (float) MAX_POINTS); float y getHeight() / 2 - ecgData[i] / 1000000f * getHeight(); if (i 1) path.moveTo(x, y); else path.lineTo(x, y); } canvas.drawPath(path, paint); } }这里把 24 位 ADC 原始值除以1000000f再做归一化是因为 ADS1292 输出范围是 -8388608 到 8388607除以 100 万之后幅值落在 ±8 之间乘以 View 高度后在屏幕上能显示完整波形。实际项目中应根据电极接触后的信号幅值动态调整这个缩放系数否则波形要么顶天立地要么是一条直线。实时波形要顺滑有两个细节一是invalidate()的频率不要超过 30 次/秒否则图形上下文压力大导致 CPU 飙高二是串口读线程不要每次读 1 个字节应该用 8 字节缓冲批量读取再解析出完整帧。Android 经典蓝牙的InputStream一次read返回的字节数不确定必须做粘包处理——把收到的字节追加到环形缓冲区按之前定义的帧格式找出帧头 0xAA 0x55再截取后 4 个字节解析。4.3 心率计算R 波检测的简单实现除了显示波形很多毕设还要求计算实时心率。最基础的做法是阈值检测 R 波峰值然后在时间轴上计算 RR 间期。private float threshold 300000f; // 初始阈值根据实际波形调整 private long lastRRTime 0; float processSample(float value) { long now System.currentTimeMillis(); if (value threshold now - lastRRTime 300) { float rrInterval now - lastRRTime; // 毫秒 int heartRate (int)(60000f / rrInterval); lastRRTime now; return heartRate; } return 0; }300ms 的空白期是为了防止一次 QRS 波群出现多个峰值导致重复计数。阈值的大小决定了检测灵敏度可以先用一个 1 秒的滑动窗口统计最大峰值的 70% 作为动态阈值这样电极接触变化导致信号幅值漂移时依然能稳定触发。心率显示的容器可以加一个低通滤波连续取最近 5 次 RR 间期的平均避免单次计算跳变太大。5. 调试技巧、排错清单和低功耗方向优化5.1 HC-05 连接不上与串口乱码排查做这个项目的过程中九成的人会卡在蓝牙环节常见症状是 App 搜不到模块、能搜到但连接失败、连上了收不到数据、或者数据乱码。按优先级排查现象可能原因解决方式搜不到 HC-05模块未进入可发现模式按住模块按键上电指示灯慢闪约 2Hz表示可被发现能搜到连不上模块已连接其他设备断开其他手机或 ATRESET检查模块工作在从模式 ATROLE0无数据波特率与固件不匹配先确认 ATUART 返回默认 9600基板上电后用 USB-TTL 空测乱码波特率不匹配两边统一为 9600/8/N/1确认 STM32 串口与本处一致连上就断电源供电不足HC-05 峰值电流 30mA必须从 STM32 板 LDO 后取电而不是直接挂电池如果 STM32 串口用 USB-TTL 接电脑能收到正确的AA 55...再接 HC-05 就乱码优先怀疑蓝牙模块的波特率被改写成了 115200用 ATUART9600,0,0 恢复。每次测试前把手机蓝牙缓存清一遍避免旧的配对信息干扰。5.2 抗人体干扰右腿驱动和导联线处理静态测试用信号发生器或者手指触摸电极波形都能看但人体实测时常见 50Hz 工频干扰巨大波形完全被淹没。处理手段有三个板子上把右腿驱动RLD电极接好这是 ADS1292 消共模干扰的关键导联线用屏蔽线屏蔽层单端接地最后一招是滤波顺序调整先 50Hz 陷波再做 40Hz 低通。如果顺序反过来工频的二次谐波还会残留在带通内波形会显得粗糙。5.3 进阶用串口虚拟示波器快速验证固件链路调试时候不用每次都打开 App写一个极简上位机脚本或者用 Python 的 matplotlib 串口读取能快速确认信号链是否正常。核心思路是复用AA 55帧格式脚本只负责读串口画波形不涉及蓝牙。这个工具可以让你把硬件问题和App 问题快速分开。5.4 低功耗优化方向如果做完基础功能后想提升项目完整度可以考虑三处改动ADS1292 的心电空闲期发送 STANDBY 指令让芯片进入待机模式HC-05 换成 BLE 模块App 采用 GATT Notification 模式接收数据而不是维持一个常开的 SPP 连接STM32 的时钟从 72MHz 降到 36MHz采样和滤波的计算量足够应付省下的功耗能明显延长续航。低功耗模式加进去之后整体系统架构也不需要推翻重来只在固件里加一个调度状态机即可。本文还有配套的精品资源点击获取