基于STM32的血氧儀

一、簡介

設計一款基于STM32的血氧儀，用于測量人體血氧飽和度和心率，并將測量結果顯示在LCD屏幕上。

本產品由STM32F103C8T6單片機最小系統+MAX30102傳感器+LCD顯示模塊+蜂鳴器模塊組成。

1.選擇合適的傳感器模塊，如MAX30102，用于采集紅光和紅外線信號，并通過單片機IIC總線讀取。

2.使用STM32微控制器作為主控芯片，配置相應的時鐘源和分頻系數，開啟需要使用的外設時鐘，包括GPIO口、ADC、LCD等。

3.根據傳感器模塊和LCD屏幕的接口要求，進行相應的GPIO口配置和LCD初始化操作。

二、功能需求

采集功能：能夠采集被測者的血氧飽和度和脈率信息，并進行數字化處理。

顯示功能：通過LED數碼管、LCD顯示屏等方式直觀地呈現被測者的血氧飽和度和脈率信息。

報警功能：當被測者的血氧飽和度低于設定閾值時，能夠及時發出聲音或光閃提示，提醒用戶。

數據存儲功能：能夠將采集到的血氧飽和度和脈率數據保存在內部存儲器中，并具有查詢和導出功能。

操作簡單：血氧儀的操作應簡單易懂，可以通過觸摸方式實現。

尺寸輕巧：血氧儀應小巧便攜，方便隨身攜帶，適用于家庭、醫院、體育運動等場合。

高精度穩定性：對于血氧飽和度和脈率的精度和穩定性要求較高，需確保數據準確可靠。

高安全性：血氧儀應具有較高的安全性，避免對人體產生不良影響。

三、硬件設計

3.1電路分析

傳感器：血氧儀需要使用光學傳感器進行血氧飽和度和脈率的采集。傳感器可以采用LED光源和光敏傳感器進行測量，對傳感器的靈敏度、響應速度等指標進行測試和優化。

信號放大與濾波：為提高信號的穩定性和精度，需要進行信號放大和濾波處理。可以采用運算放大器和低通濾波器進行信號處理，調整增益和截止頻率以達到最佳效果。

顯示屏：血氧儀需要配備顯示屏進行數據顯示。選擇LCD顯示屏作為顯示模塊。

控制器：血氧儀需要配備控制器進行系統控制和數據處理。選擇STM32F103C8T6作為嵌入式微處理器。

3.2 MAX30102傳感器原理

兩個發光二極管，一個光檢測器，攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光（850-1000nm），未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅外光（600-750nm），利用不同紅血球之吸收光譜的原理，來分析血氧飽和度。

四、軟件設計

4.1軟件設計框圖

4.2 MAX30102驅動編寫

4.2.1時鐘配置

設置系統時鐘源和分頻系數，使得STM32能夠正常工作。

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

4.2.2外設初始化

開啟需要使用的外設時鐘，并進行相應的GPIO口、LCD等外設初始化。

  //使用模擬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驅動程序

單片機通過I2C總線與傳感器模塊通信，獲取血氧、心率等數據。

//血液檢測信息更新
void blood_data_update(void)
{
 ?uint16_t temp_num=0;
 ?uint16_t fifo_word_buff[1][2];
 ?
 ?temp_num = max30100_Bus_Read(INTERRUPT_REG);
 ?
 ?//標志位被使能時 讀取FIFO
 ?if (INTERRUPT_REG_A_FULL&temp_num)
 ?{
 ? ?HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,1);
 ? ?//讀取FIFO
 ? ?max30100_FIFO_Read(0x05,fifo_word_buff,1); //read the hr and spo2 data form fifo in reg=0x05
 ? ?
 ? ?//將數據寫入fft輸入并清除輸出
 ? ?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++;
 ? ? ?}
 ? ?}
 ? ?//信息更新標志位
 ? ?g_blooddata.update++;
 ?}
 ?else
 ?{
 ? ?HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,0);
 ?}
}

硬件初始化模塊：包括時鐘配置、外設初始化等。

數據處理模塊：對采集到的數據進行處理，計算出血氧值和心率等指標，并將其顯示在LCD等界面上。

通信模塊：可以通過UART方式與其他設備進行通信，將數據上傳至PC端進行分析。

4.2.3計算血氧值和心率值

根據采集到的SPO2數據和心率數據，進行相應的計算，得出血氧值和心率值。

4.2.3.1 雙波長光吸收比值計算

雙波長光吸收比值計算是血氧值計算算法的第一步，它通過傳感器模塊采集的紅光和紅外線信號，計算出其在不同波長下的吸收比值。一般需要進行以下幾個步驟：

1.獲取紅光和紅外線信號：

temp_num = max30100_Bus_Read(INTERRUPT_REG);

2.血氧飽和度計算：根據雙波長光吸收比值和相關系數，計算出血氧飽和度。

 ? ?//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.計算紅光和紅外線信號比值：將紅光和紅外線信號分別除以一個參考值（如環境光強度），得到其相對強度，再將兩者相除，得到紅光/紅外線信號比值。

 ? ? ? ? ?//心率計算
 ? ? ?uint16_t Heart_Rate = 60 * SAMPLES_PER_SECOND * 
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?s2_max_index / FFT_N;
 ? ? ?
 ? ? ?g_blooddata.heart = Heart_Rate - 10;
 ? ? ?
 ? ? ?//血氧含量計算
 ? ? ?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.對比值進行濾波

對紅光/紅外線信號比值進行直流濾波處理，降低采集噪聲和干擾。

 ? ?//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;
 ?}
 ? ?
 ?//直流濾波
 ?hbag_d = dc_filter(hbag,&hbdc) / 8;
 ?hboag_d = dc_filter(hboag,&hbodc) / 8;
 ?
 ?//高度數據
 ?float hbhight ?= 0;
 ?float hbohight = 0;
 ?
 ?//比例與偏置
 ?hbhight ?= (-hbag_d / 40.0) + 5;
 ?hbohight ?= (-hboag_d / 40.0) + 5;
 ?
 ?//高度數據幅度限制
 ?hbhight = (hbhight > 27) ? 27 : hbhight;
 ?hbhight = (hbhight < 0) ? ?0 : hbhight;
 ?
 ?hbohight = (hbohight > 27) ? 27 : hbohight;
 ?hbohight = (hbohight < 0) ? ?0 : hbohight;
 ?
 ?//將數據發布到全局
 ?g_BloodWave.Hp = hbhight;
 ?g_BloodWave.HpO2 = hbohight;

4.2.4顯示數據

將計算得到的血氧值和心率值，顯示在LCD等界面上

//測試顯示血液信息
void tft_test_display(void)
{
 ?uint8_t str[50];


 ?if (g_blooddata.display == 1)
 ?{
 ? ?g_blooddata.display = 0;
 ? ?
 ? ?//顯示血氧信息
 ? ?sprintf((char *)str,"heart = %3d",g_blooddata.heart);
 ? ?Gui_DrawFont_GBK16(8,8,0x00FF,BLACK,str);
 ? ?
 ? ?//顯示心率信息
 ? ?sprintf((char *)str,"SpO2 = %3.1f",g_blooddata.SpO2);
 ? ?Gui_DrawFont_GBK16(8,26,0x00FF,BLACK,str);
 ? ?
 ? ?//顯示狀態信息
 ? ?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、實物演示

?

編輯：黃飛