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研发客服一、简介
设计一款基于STM32的血氧仪，用于测量人体血氧饱和度和心率，并将测量结果显示在LCD屏幕上。
本产品由STM32F103C8T6单片机最小系统+MAX30102传感器+LCD显示模块+蜂鸣器模块组成。
1.选择合适的传感器模块，如MAX30102，用于采集红光和红外线信号，并通过单片机IIC总线读取。
2.使用STM32微控制器作为主控芯片，配置相应的时钟源和分频系数，开启需要使用的外设时钟，包括GPIO口、ADC、LCD等。
3.根据传感器模块和LCD屏幕的接口要求，进行相应的GPIO口配置和LCD初始化操作。
二、功能需求
采集功能：能够采集被测者的血氧饱和度和脉率信息，并进行数字化处理。
显示功能：通过LED数码管、LCD显示屏等方式直观地呈现被测者的血氧饱和度和脉率信息。
报警功能：当被测者的血氧饱和度低于设定阈值时，能够及时发出声音或光闪提示，提醒用户。
数据存储功能：能够将采集到的血氧饱和度和脉率数据保存在内部存储器中，并具有查询和导出功能。
操作简单：血氧仪的操作应简单易懂，可以通过触摸方式实现。
尺寸轻巧：血氧仪应小巧便携，方便随身携带，适用于家庭、医院、体育运动等场合。
高精度稳定性：对于血氧饱和度和脉率的精度和稳定性要求较高，需确保数据准确可靠。
高安全性：血氧仪应具有较高的安全性，避免对人体产生不良影响。
三、硬件设计
3.1电路分析
传感器：血氧仪需要使用光学传感器进行血氧饱和度和脉率的采集。传感器可以采用LED光源和光敏传感器进行测量，对传感器的灵敏度、响应速度等指标进行测试和优化。
信号放大与滤波：为提高信号的稳定性和精度，需要进行信号放大和滤波处理。可以采用运算放大器和低通滤波器进行信号处理，调整增益和截止频率以达到最佳效果。
显示屏：血氧仪需要配备显示屏进行数据显示。选择LCD显示屏作为显示模块。
控制器：血氧仪需要配备控制器进行系统控制和数据处理。选择STM32F103C8T6作为嵌入式微处理器。
3.2 MAX30102传感器原理
两个发光二极管，一个光检测器，携带氧气的红血球能吸收较多红外光（850-1000nm），未携带氧气的红血球则是吸收较多的红外光（600-750nm），利用不同红血球之吸收光谱的原理，来分析血氧饱和度。
四、软件设计
4.1软件设计框图
4.2 MAX30102驱动编写
4.2.1时钟配置
设置系统时钟源和分频系数，使得STM32能够正常工作。
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
4.2.2外设初始化
开启需要使用的外设时钟，并进行相应的GPIO口、LCD等外设初始化。
//使用模拟SPI
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_15;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
LCD屏初始化
void max30100_init(void)
{
max30100_Bus_Write(0x06, 0x0b); //mode configuration : temp_en[3] MODE[2:0]=010 HR only enabled 011 SP02 enabled
max30100_Bus_Write(0x01, 0xF0); //open all of interrupt
max30100_Bus_Write(INTERRUPT_REG, 0x00); //all interrupt clear
max30100_Bus_Write(0x09, 0x33); //r_pa=3,ir_pa=3
max30100_Bus_Write(0x02, 0x00); //set FIFO write Pointer reg = 0x00 for clear it
max30100_Bus_Write(0x03, 0x00); //set Over Flow Counter reg = 0x00 for clear it
max30100_Bus_Write(0x04, 0x0F); //set FIFO Read Pointer reg = 0x0f for
//waitting write pointer eq read pointer to interrupts INTERRUPT_REG_A_FULL
}
MAX30100驱动程序
单片机通过I2C总线与传感器模块通信，获取血氧、心率等数据。
//血液检测信息更新
void blood_data_update(void)
{
uint16_t temp_num=0;
uint16_t fifo_word_buff[1][2];
temp_num = max30100_Bus_Read(INTERRUPT_REG);
//标志位被使能时 读取FIFO
if (INTERRUPT_REG_A_FULL&temp_num)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,1);
//读取FIFO
max30100_FIFO_Read(0x05,fifo_word_buff,1); //read the hr and spo2 data form fifo in reg=0x05
//将数据写入fft输入并清除输出
for(int i = 0;i < 1;i++)
{
if(g_fft_index < FFT_N)
{
s1[g_fft_index].real = fifo_word_buff[i][0];
s1[g_fft_index].imag= 0;
s2[g_fft_index].real = fifo_word_buff[i][1];
s2[g_fft_index].imag= 0;
g_fft_index++;
}
}
//信息更新标志位
g_blooddata.update++;
}
else
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,0);
}
}
硬件初始化模块：包括时钟配置、外设初始化等。
数据处理模块：对采集到的数据进行处理，计算出血氧值和心率等指标，并将其显示在LCD等界面上。
通信模块：可以通过UART方式与其他设备进行通信，将数据上传至PC端进行分析。
4.2.3计算血氧值和心率值
根据采集到的SPO2数据和心率数据，进行相应的计算，得出血氧值和心率值。
4.2.3.1 双波长光吸收比值计算
双波长光吸收比值计算是血氧值计算算法的第一步，它通过传感器模块采集的红光和红外线信号，计算出其在不同波长下的吸收比值。一般需要进行以下几个步骤：
1.获取红光和红外线信号：
temp_num = max30100_Bus_Read(INTERRUPT_REG);
2.血氧饱和度计算：根据双波长光吸收比值和相关系数，计算出血氧饱和度。
//解平方
for(int i = 0;i < FFT_N;i++)
{
s1[i].real=sqrtf(s1[i].real*s1[i].real+s1[i].imag*s1[i].imag);
s2[i].real=sqrtf(s2[i].real*s2[i].real+s2[i].imag*s2[i].imag);
}
3.计算红光和红外线信号比值：将红光和红外线信号分别除以一个参考值（如环境光强度），得到其相对强度，再将两者相除，得到红光/红外线信号比值。
//心率计算
uint16_t Heart_Rate = 60 * SAMPLES_PER_SECOND *
s2_max_index / FFT_N;
g_blooddata.heart = Heart_Rate - 10;
//血氧含量计算
float sp02_num = (s2[s1_max_index].real * s1[0].real)
/(s1[s1_max_index].real * s2[0].real);
sp02_num = (1 - sp02_num) * SAMPLES_PER_SECOND + CORRECTED_VALUE;
g_blooddata.SpO2 = sp02_num;
4.对比值进行滤波
对红光/红外线信号比值进行直流滤波处理，降低采集噪声和干扰。
//前8次求平均值
for(int i = 0;i < 8;i++)
{
hbag += s1[g_fft_index - 8 + i].real;
hboag += s2[g_fft_index - 8 + i].real;
}
//直流滤波
hbag_d = dc_filter(hbag,&hbdc) / 8;
hboag_d = dc_filter(hboag,&hbodc) / 8;
//高度数据
float hbhight = 0;
float hbohight = 0;
//比例与偏置
hbhight = (-hbag_d / 40.0) + 5;
hbohight = (-hboag_d / 40.0) + 5;
//高度数据幅度限制
hbhight = (hbhight > 27) ? 27 : hbhight;
hbhight = (hbhight < 0) ? 0 : hbhight;
hbohight = (hbohight > 27) ? 27 : hbohight;
hbohight = (hbohight < 0) ? 0 : hbohight;
//将数据发布到全局
g_BloodWave.Hp = hbhight;
g_BloodWave.HpO2 = hbohight;
4.2.4显示数据
将计算得到的血氧值和心率值，显示在LCD等界面上
//测试显示血液信息
void tft_test_display(void)
{
uint8_t str[50];
if (g_blooddata.display == 1)
{
g_blooddata.display = 0;
//显示血氧信息
sprintf((char *)str,"heart = %3d",g_blooddata.heart);
Gui_DrawFont_GBK16(8,8,0x00FF,BLACK,str);
//显示心率信息
sprintf((char *)str,"SpO2 = %3.1f",g_blooddata.SpO2);
Gui_DrawFont_GBK16(8,26,0x00FF,BLACK,str);
//显示状态信息
if(g_blooddata.state)
{
sprintf((char *)str,"ERROR ");
Gui_DrawFont_GBK16(8,44,0xF000,BLACK,str);
}
else
{
sprintf((char *)str,"NORMAL ");
Gui_DrawFont_GBK16(8,44,0x07E0,BLACK,str);
}
}
}
五、实物演示
