基于STM32單片機(jī)的脈搏血氧測量儀的設(shè)計

盧妙婷　鄢艷紅

摘要：主要介紹了一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的軟硬件設(shè)計。該測量儀以STM32單片機(jī)為主控制核心，采用MAX30100芯片為傳感器，使用反射式方法對血氧飽和度進(jìn)行測量，經(jīng)過對比試驗證明具有較好的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：脈搏;血氧飽和度;STM32單片機(jī);MAX30100;無創(chuàng)測量

中圖分類號：TP39? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0235-02

Abstract： This paper mainly introduces the software and hardware design of a non-invasive portable pulse oximeter. The measuring instrument uses STM32 single-chip microcomputer as the main control core， MAX30100 chip as the sensor， and uses the reflective method to measure blood oxygen saturation， which is proved to have good accuracy by comparative test.

Key words： pulse; blood oxygen saturation; STM32 single chip microcomputer; MAX30100; noninvasive measurement

1 背景

脈搏和血氧飽和度是心腦血管疾病預(yù)防的兩項重要生理指標(biāo)，脈搏指標(biāo)反映心血管系統(tǒng)的健康程度[1]。人體組織細(xì)胞維持正常新陳代謝的氧是通過血液循環(huán)系統(tǒng)輸送的，血氧飽和度是反應(yīng)血液中氧含量的主要參數(shù)，反映呼吸系統(tǒng)健康程度。隨著人們對醫(yī)療保健和疾病預(yù)防的重視，家庭自我診斷和自我治療愈來愈成為醫(yī)療行為中不可或缺的一部分，因而檢測生理參數(shù)的各類儀器也越來越成為家庭中不可或缺的工具[2]。本文設(shè)計一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測量儀，用于人們?nèi)粘＝】禉z測防護(hù)。

2 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8T6為核心板， MAX30100芯片作為光電傳感器，同時設(shè)置了LCD1602顯示屏用于顯示檢測者脈搏和血氧飽和度數(shù)值[3]。本系統(tǒng)包含兩個主要模塊：傳感器模塊電路設(shè)計和顯示模塊電路設(shè)計。

2.1 傳感器模塊電路設(shè)計

MAX30100芯片集成了2個獨立LED驅(qū)動器、2個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字存儲器。其傳感器芯片的各引腳描述如表1所示。芯片的SDA、SCL接口與STM32單片機(jī)I2C接口PB6、PB7連接。由于MAX30100芯片的工作電壓源范圍為1.8V-3.3V，因而VDD接口可直接與單片機(jī)的3.3V接口相連，PGND接口接地。傳感器模塊電路設(shè)計如圖2所示。

2.2 顯示模塊電路設(shè)計

LCD1602是一款工業(yè)字符型的液晶顯示器，能夠同時顯示兩行共32個字符。用于顯示測量血氧飽和度值與脈搏的數(shù)據(jù)值。VSS、BLK端接地，VCC、BLA端直接連接5V高電平，V0端連接電阻后接地，RS，R/W，EN端接單片機(jī)的PC13，PC14，PC15接口，D0-D7端接單片機(jī)的A7-A0接口[4]。顯示模塊電路設(shè)計如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

程序設(shè)計包括單片機(jī)數(shù)據(jù)主程序設(shè)計及脈搏、血氧飽和度數(shù)據(jù)處理程序兩部分。主程序?qū)崿F(xiàn)的功能為MAX30100傳感器、LCD1602顯示器的初始化，單片機(jī)的對MAX30100芯片采樣的控制，以及最后LCD1602顯示脈搏和血氧飽和度的數(shù)值。通過程序控制MAX30100芯片寄存器向單片機(jī)傳輸脈搏波信號，再根據(jù)脈搏和血氧飽和度的測量原理進(jìn)行算法的編寫，獲得正確的脈搏和血氧飽和度數(shù)據(jù)，并顯示在LCD1602液晶顯示屏上[5]。程序的主流程設(shè)計如圖4所示。

3.1 血氧算法程序設(shè)計

MAX30100芯片的定標(biāo)函數(shù)為：

在數(shù)據(jù)處理過程中，首先從MAX30100的FIFO數(shù)據(jù)寄存器中讀出紅光與紅外光數(shù)據(jù)，使用MAX30100傳感器中的波峰檢測器得出精準(zhǔn)的最小值波峰，用最大值波峰與最小值波峰即可檢測到電信號交流部分和直流部分，聯(lián)系上述R值的定義式子即可求得血氧值[6]。

3.2 脈搏算法程序設(shè)計

脈搏計算依賴于MAX30100芯片的峰值檢波器。計算脈搏需檢測出一定采樣時間的所有峰值，找到相鄰的兩個峰值，求其間隔時間，即一個脈搏波周期的時間[7]。將采樣時間內(nèi)的所有間隔和加起來求平均數(shù)，得到峰值平均間隔時間，即發(fā)生一個脈搏波的平均時間，再用采樣時間除以一個脈搏波的時長，即得到脈搏數(shù)。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

為確定測量儀的測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，選用康尚指夾式血氧儀與本測量儀同時對同一受檢者進(jìn)行測試，康尚指夾式血氧儀所測量的數(shù)據(jù)作為測試實驗的對照組數(shù)據(jù)。

4.1 脈搏和血氧飽和度測試結(jié)果

測試實驗使用本次設(shè)計的測量儀為受測者進(jìn)行測試，同時給受測者使用康尚指夾式血氧儀進(jìn)行測試，將此次設(shè)計的測量儀檢測脈搏、血氧飽和度數(shù)據(jù)作為實驗組，康尚指夾式血氧儀所測量的脈搏、血氧飽和度數(shù)據(jù)作為對照組，兩組數(shù)據(jù)對照結(jié)果如圖5、圖6所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于STM32單片機(jī)的脈搏血氧的測量儀，實現(xiàn)了人體脈搏和血氧飽和度的測量。本文介紹了一種無創(chuàng)便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的軟硬件設(shè)計，具有較好的準(zhǔn)確性，有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁懋結(jié)，葉繼倫，張旭，等.一種便捷式脈搏氧飽和度模擬系統(tǒng)的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志，2019，43（5）：345-347.

[2] 李愛娟.基于血管容積變化的血氧飽和度檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué)，2012.

[3] 高遵伯.基于DSP的脈搏血氧飽和度測量儀的研制[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

[4] 曾小輝.基于MSP430F169的便攜式血氧儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[5] 韓帥.血氧飽和度監(jiān)測儀的設(shè)計與應(yīng)用研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2016.

[6] 陳子晉，韓宇龍，許欣，等.基于AFE4400的動態(tài)心率和血氧監(jiān)測儀[J].中國科技信息，2018（5）：62-63.

[7] 劉俊微，龐春穎，徐伯鸞.光電脈搏血氧儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].激光與紅外，2014，44（1）：50-55.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】