基于STM32的血氧仪开源设计方案

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