一種便攜式心率血氧體溫檢測系統的設計與實現

摘要：隨著人們健康意識的提升，心率、血氧、體溫等生理參數的監測日益重要。文章設計并實現了一種基于STM32單片機的心率血氧體溫檢測系統，該系統利用MAX30102心率傳感器和DS18B20溫度傳感器實時采集心率、血氧、體溫等生理參數，并通過OLED顯示屏進行數據顯示和分析。系統在檢測到生理參數異常時，會觸發聲光報警，提醒用戶關注自身健康狀況。

關鍵詞：STM32單片機；心率血氧體溫檢測；MAX30102；DS18B20；OLED顯示

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0117-04 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 概述

隨著人們越來越關注身體健康，許多家庭自備智能健康監測設備以隨時檢測身體狀況[1]。對于一些患有心血管、呼吸系統等疾病的人群來說，監測這些指標可及時了解身體狀況，從而采取相應的治療措施。然而現有的監護裝置大多體積大、成本高、難以隨身攜帶，受環境因素限制，具有一定局限性[2]。

本文設計了一款能檢測心率血氧體溫參數的系統，融合了高精度傳感器、強大的數據處理能力及直觀的顯示與報警功能，為用戶提供了一個全面實時的生理參數監測平臺。系統由STM32F103C8T6單片機核心板、MAX30102 心率傳感器、DS18B20 溫度傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器和發光二極管等元器件組成[3]。通過集成MAX30102 心率傳感器、DS18B20 溫度傳感器等元器件，實現對心率、血氧和體溫的實時監測。STM32單片機負責處理傳感器采集的數據，并通過OLED顯示屏實時顯示相關數據。一旦檢測到參數異常，系統會觸發聲光報警，提醒用戶關注自身健康狀況。

1 系統設計方案

系統采用模塊化設計，主要包括STM32單片機最小系統、傳感器模塊、顯示模塊以及報警模塊等。STM32單片機作為系統的主控單元，負責整個系統的數據采集、處理、顯示及通信控制。心率血氧檢測模塊采用MAX30102傳感器，實時采集心率和血氧飽和度數據，通過IIC接口與單片機連接，實現數據的傳輸與處理。體溫測量模塊采用DS18B20溫度傳感器負責實時測量體溫，與單片機的一個I/O口連接，實現數據的讀取與處理。顯示模塊采用OLED顯示屏，通過IIC接口與單片機連接，顯示相關數據信息。聲光報警模塊會觸發蜂鳴器發出警報，并通過LED燈閃爍進行視覺提示。整個系統結構框圖如圖1所示：

2 硬件電路設計

STM32單片機作為系統的主控單元，負責采集傳感器數據、處理數據、控制顯示屏等；傳感器模塊包括心率血氧傳感器和溫度傳感器，負責采集人體生理信號；OLED顯示屏用于顯示心率、血氧和體溫數據；電源模塊為系統提供穩定的工作電壓。系統原理圖如圖2所示。

2.1 心率血氧傳感器電路設計

MAX30102心率傳感器集成了脈搏血氧儀和心率監測儀的功能，用于檢測心率和血氧采集，采用5V直流電源供電。MAX30102心率傳感器需要處理輸入信號，并將其轉換為數字信號。MAX30102心率傳感器通過IIC接口與STM32單片機進行通信，實現信號處理。SDA為數據引腳端，接單片機PB0引腳，用于與單片機進行數據通信。SCL 為時鐘引腳，接單片機PB1引腳，用于同步數據傳輸。通過編寫相應的驅動程序，STM32可以讀取MAX30102傳感器的心率和血氧數據，進而實現率監測功能。

2.2 溫度傳感器電路設計

DS18B20是一款高精度的數字溫度傳感器，其工作原理基于低溫度系數和高溫度系數晶振的頻率變化，通過計數器測量來得到溫度值[4]。其主要性能指標包括測溫范圍、精度、分辨率及輸出格式等。DS18B20的使用無需任何外圍元件，且支持多點組網功能，便于構建復雜的測溫系統。它與STM32單片機的接口方式采用單總線通信協議，通過數據端DQ即可實現雙向通信，這大大提高了系統的抗干擾性。數據端DQ連接單片機PA11引腳，使用上拉電阻將DQ 引腳拉高，指令發送和數據接收通過DQ引腳完成。

2.3 OLED 顯示電路設計

OLED顯示器是基于有機發光二極管技術，通過在有機材料層上施加電壓，使電子和空穴在材料中移動并復合，從而釋放出光能，實現自發光顯示。OLED 顯示器使用IIC通信協議與單片機通信，時鐘線SCL 連接單片機PB6引腳，數據線SDA連接單片機PB7引腳上。程序設計時需要初始化IIC接口，設置正確的時鐘速度、從設備地址等參數。根據OLED顯示器的數據手冊，編寫用于初始化顯示器、發送命令和數據以及設置顯示參數的驅動代碼。

2.4 聲光報警電路設計

聲光報警電路由三極管S8050、1K 上拉電阻和蜂鳴器構成。如果當前心率低于或高于閾值，蜂鳴器就會發出警報聲，以提醒人們注意身體健康。三極管在電路中的主要作用是放大電流和驅動蜂鳴器。設計中三極管S8050 采用高電平特性來驅動蜂鳴器報警，它可以放大電流達到200倍以上，其基極與單片機PC13引腳連接。單片機可以控制蜂鳴器的開關狀態，當單片機輸出低電平時，晶體管的上拉電阻將限制電流以防止晶體管擊穿，起到保護晶體管的作用。

3 軟件設計

硬件一旦上電啟動，各部分都會開始程序初始化，之后進入顯示主界面。本設計的主要流程包含OLED液晶初始化、傳感器模塊等初始化，進入循環while判斷按鍵是否按下、設置當前心率的上下限、當心率超過設置的上下限則啟動聲光報警。程序流程圖如圖3所示：

3.1 心率血氧程序設計

程序采用單片機內部定時器定時檢測周期10 s，在10 s過程中引腳檢測方波脈搏信號，每次高電平來臨，系統進行判斷相鄰兩次高電平的時間差是否大于10 ms，這與人的心跳特征有關，此判斷能消除電壓比較器的誤判和彌補個人心跳的差異性。首先初始化IIC通信，設置STM32為主機，MAX30102為從機。配置MAX30102的寄存器，包括采樣率、LED亮度、工作模式等。啟動MAX30102的采樣，讀取傳感器數據。對讀取的數據進行濾波和去噪處理，得到心率和血氧飽和度的值。將心率和血氧飽和度的值通過OLED顯示出來，實現實時監測心率和血氧飽和度的功能。心率血氧模塊程序流程如圖4所示：

3.2 液晶模塊程序設計

系統使用OLED顯示屏來實時反應心率血氧體溫監測數據。要讓液晶顯示屏正常工作，首先寫入命令控制字，再寫入需要顯示的數據。寫入命令控制字之前，須用指令來查看液晶是否處于忙狀態。如果處于忙狀態，就需等待，直到顯示器發出工作完成的指令，才能寫入控制字和數據[5]。程序開始時，需要初始化OLED顯示屏，包括設置OLED的分辨率、亮度、對比度等參數，并清空OLED屏幕。監測數據時，將數據寫入OLED顯示屏，包括心率、血氧和體溫等數據。

液晶顯示模塊程序流程如圖5所示。

3.3 按鍵模塊程序設計

當按下按鍵時，單片機會檢測對應的引腳電平是否為0。如果電平為0，表示按鍵被按下。經過短暫延時，單片機會根據按下的具體按鍵進行判斷。若按下K1按鍵，系統就會判斷當前處于設置模式。若按下K2按鍵，系統將對當前的心率上限進行增加操作。若按下K3按鍵，系統將對當前的心率進行減少操作。通過按鍵操作，可調整心率上限，以實現相應功能。按鍵模塊程序流程如圖6所示：

3.4 報警模塊程序設計

按鍵處理函數用于處理按鍵操作。當按鍵被按下時，單片機會進行判斷，經過短暫的延遲后確認按鍵是否被按下。接著判斷設置的報警閾值，并根據設置的具體報警值進行相應處理。如果達到了報警值，聲光報警器將被觸發并發出報警信號。這樣，按鍵處理函數能有效地處理按鍵輸入和相應的報警操作。報警模塊程序流程如圖7所示。

4 測試結果分析

本文對所設計的基于STM32單片機的心率血氧體溫檢測系統進行了全面的性能測試。測試環境包括STM32 單片機、MAX30102 心率血氧傳感器、DS18B20 溫度傳感器及OLED 顯示屏等硬件，并在Keil uVision IDE環境下編寫測試程序。硬件測試包括傳感器的連接和數據采集的準確性。通過對不同心率、血氧和體溫值的模擬測試，驗證了系統的準確性和穩定性。軟件測試包括數據處理算法和用戶界面的測試。通過對心率、血氧和體溫數據的處理和顯示，驗證了系統數據處理的正確性和用戶界面的友好性。通過實際測量，系統響應時間快，心率、血氧和體溫能正常顯示且準確度高。當超過或低于閾值，會產生聲光報警，符合設計要求。最后，通過對多個測試對象的心率、血氧和體溫數據的檢測和分析，驗證了系統的實用性和可靠性，測試結果如圖8所示。

5 結論

本文設計并實現了一款基于STM32單片機的心率血氧體溫檢測系統，通過集成MAX30102心率傳感器、DS18B20溫度傳感器及OLED顯示屏，實現了心率、血氧和體溫的實時監測與顯示。系統能夠實時分析數據并在異常時發出聲光報警，提高了健康監測的便捷性和有效性。創新之處為具有多參數集成監測與實時報警功能，為用戶提供全面的健康監測服務。但系統仍存在功耗管理、數據傳輸與長期存儲及用戶交互界面等方面的不足，未來將聚焦于低功耗設計、遠程數據傳輸與智能分析以及用戶界面的優化，以進一步提升系統的實用性和用戶體驗感。

參考文獻：

[1] 趙亞娟.基于互聯網+平臺心血管疾病的慢病隨訪模式探索及其在房顫射頻消融術后患者隨訪中的應用[D].濟南：山東大學，2018.

[2] 趙錦程.基于多功能傳感器的健康檢測系統研究[D].青島：青島大學，2022.

[3] 劉賽靜，謝金鵬，胡海峰.基于STM32的人體健康檢測系統設計[J].電子制作， 2023，31 （23）：16-19.

[4] 薛宇.基于RBF神經網絡溫度補償的非色散紅外SF_6氣體傳感器[D].南京：南京信息工程大學，2017.

[5] 張青春，郁嵐. 智能人體電子秤的系統設計[J]. 儀表技術，2008（7）：11-12，14.

【通聯編輯：梁書】

基金項目：安徽省高校自然科學研究重點項目“基于QoS 約束的無線傳感網絡覆蓋研究”（2023AH052570） ；安徽省質量工程項目-計算機網絡技術專業教學創新團隊（2023cxtd252） ；校級質量工程項目-物聯網應用技術專業教學創新團隊項目（SZ2023007）