基于STM32的血氧仪开源设计方案
基于stm32的血氧仪
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 27) ? 27 : hbhight; hbhight = (hbhight 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
LDO与DC-DC本质上的区别
防火墙三大体系架构前景分析
4月向印度出口音圈马达呼吸机、制氧机等2.6万余台
探讨一下UPS电源的常见故障及处理方法
2021年节能减排补助资金预算（第一批）详细情况
基于STM32的血氧仪开源设计方案
风华多彩，渲染未来！芯动科技风华GPU亮相2023年全国科技活动周
半导体激光器的历史和结构
真菌毒素快速检测仪的技术特点
晶圆键合的种类和应用
英特尔10nm延期将为竞争对手打开一个窗口 或永远不会关闭
几十元钱和几百元的热水壶差别在哪？该如何选购热水壶？
红魔Mars电竞手机评测 一键开启全新游戏空间
无人机专用晶振的详细分析介绍
哎哟！样子不错哦！HTCU Ultra U Play正式发布 看看史上最全图集
蓄电池的使用和维护知识
代步微型汽车是否也适用于磷酸铁锂电池
ANet系列边缘计算DTU网关功能介绍
2020年数据存储市场的发展趋势
武汉火车刷脸进站！武汉火车站刷脸进站仅需2秒，素颜最快！人脸识别即将成为下一个风口？
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 27) ? 27 : hbhight; hbhight = (hbhight 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
LDO与DC-DC本质上的区别
防火墙三大体系架构前景分析
4月向印度出口音圈马达呼吸机、制氧机等2.6万余台
探讨一下UPS电源的常见故障及处理方法
2021年节能减排补助资金预算（第一批）详细情况
基于STM32的血氧仪开源设计方案
风华多彩，渲染未来！芯动科技风华GPU亮相2023年全国科技活动周
半导体激光器的历史和结构
真菌毒素快速检测仪的技术特点
晶圆键合的种类和应用
英特尔10nm延期将为竞争对手打开一个窗口 或永远不会关闭
几十元钱和几百元的热水壶差别在哪？该如何选购热水壶？
红魔Mars电竞手机评测 一键开启全新游戏空间
无人机专用晶振的详细分析介绍
哎哟！样子不错哦！HTCU Ultra U Play正式发布 看看史上最全图集
蓄电池的使用和维护知识
代步微型汽车是否也适用于磷酸铁锂电池
ANet系列边缘计算DTU网关功能介绍
2020年数据存储市场的发展趋势
武汉火车刷脸进站！武汉火车站刷脸进站仅需2秒，素颜最快！人脸识别即将成为下一个风口？