概要

??現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致越來越多人開始重視自己的身體健康，他們往往會想在能力之余使用健身運動等方式來鍛煉自身。你會發(fā)現(xiàn)，在健身房，健身達(dá)人或者是教練都會叮囑新手去關(guān)注自己的心率節(jié)奏。一般來說，人的激烈的鍛煉會造成心臟血壓的上升，心率變化從而加劇。而心率恰恰就作為人們運動的警戒和燈塔，運動狀態(tài)下，心率的平穩(wěn)狀態(tài)、是否處于正常范圍內(nèi)都是健身人士應(yīng)該注意的地方，不管你健身的目的是為了什么，而這更多的是與自身體重、體制等的相關(guān)。與此同時，心率的表現(xiàn)也能讓人們能及時發(fā)現(xiàn)身體的異樣。心率不定往往會造成。心臟、心血管等疾病。但往往是如此致命的病，檢測其的方式就很簡單。而心率檢測的作用，就是作為一個實時監(jiān)控并且在危急時刻能警報你的裝置，由此可得出心率檢測儀對人們的作用十分重要。
??在這個系統(tǒng)設(shè)計上，采用了以STM32芯片中的F103系列芯片來作為總處理終端，在通過BUTTERWORTH濾波等之后將放大的心率信號進(jìn)行除雜、去噪，也相對的對電路進(jìn)行了優(yōu)化。數(shù)據(jù)顯示方面將用到一塊OLED屏幕將個人的動態(tài)心率進(jìn)行紀(jì)律以及同步在屏幕中顯示出來，其顯示的內(nèi)容將包括心率的單獨顯示已經(jīng)更顯而易見的圖標(biāo)模式。利用心跳脈搏波形的特點以及心電圖的基礎(chǔ)將平均心率計算出來，從而展示出心率的“脈象圖譜”。

關(guān)鍵詞：心率檢測 STM32 動態(tài)光譜 脈象圖譜

一、研究的主要內(nèi)容

??在越來越智能化的現(xiàn)代社會中，智能醫(yī)療已經(jīng)開始慢慢步入尋常人家。對于人們來說，在越來越追求生活品質(zhì)的現(xiàn)在，身體健康的需求同樣是他們的剛需。在致力于解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)看病容易預(yù)約難的情況下，便攜式的只能家用健康醫(yī)療設(shè)備就體現(xiàn)出了它存在的意義——足不出戶就能輕松做到健康檢測和疾病預(yù)防。
??而心率檢測的作用就是監(jiān)控紀(jì)律心臟跳動的次數(shù)，也就是紀(jì)律心率的數(shù)據(jù)，可以直觀的看出心率是否正常。一是在包括運動等情況下檢測自己是否過度運動導(dǎo)致心率不穩(wěn)定，二是預(yù)防大量心血管疾病的發(fā)生。心血管疾病的先兆幾乎是肉眼無法見到的，甚至很多后期確診的人都說感覺不到身體的變化。心血管疾病的突發(fā)性與細(xì)微程度都是讓人們十分擔(dān)憂的，患者在不知情的情況下，會突然發(fā)病，暈倒，甚至可能造成休克或者死亡，然而因為這個病所猝死的人不在少數(shù)。心率檢測儀就是在持續(xù)監(jiān)控某人在某段時間內(nèi)的動態(tài)心率，做到記錄、監(jiān)控數(shù)據(jù)以及健康提醒的作用。

??該設(shè)計在基于STM32控制板外，另一個主要的板塊就是做到如何去采集到心率數(shù)據(jù)的樣本。關(guān)于MAX30100，其在簡易心率檢測儀中使用量非常的大，是一個優(yōu)質(zhì)的心率監(jiān)測器傳感器。MAX30100利用其本身含有的LED和光電檢測端來檢測信號的接收，以顯示心率數(shù)據(jù)。其工作原理等會在后面講到。另外，在該系統(tǒng)中STM32是主要微控制器和數(shù)據(jù)處理器；利用OLED屏實現(xiàn)動態(tài)心率的實時監(jiān)控，即數(shù)據(jù)顯示；利用藍(lán)牙串口可以將數(shù)據(jù)輸出顯示。電源將設(shè)置一個3.5V-8V的電源，在選擇合適電源電壓供給的情況下輸出電源給各模塊進(jìn)行使用。結(jié)構(gòu)圖如下圖2.1所示：

圖2.1 整體結(jié)構(gòu)圖

二、系統(tǒng)硬件的設(shè)計

3.1 主控芯片

3.1.1 芯片介紹

??STM32F103系列終端微控制器在現(xiàn)階段使用十分廣泛，這在于它低成本、工藝簡單、處理方便、低功耗且高品質(zhì)的優(yōu)點，其適用范圍強(qiáng)大到不僅僅在微機(jī)處理上被運用到，在日常生活中的電子設(shè)備類如游戲手柄，遙控器等都能運用到該芯片。說完STM32F103的優(yōu)點，我們來了解下其基本結(jié)構(gòu)。STM32F103擁有極其效率的代碼運行速度，這得益于它的三十二位標(biāo)準(zhǔn)精簡指令集的ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)。除此之外還擁有八和十六位不同數(shù)位系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理內(nèi)核。在十分優(yōu)越的FLASH處理器與SRAM下，一般情況最高工作頻率不會低于72MHz。STM32F103內(nèi)部優(yōu)越的設(shè)置為其良好的數(shù)據(jù)處理打下了基礎(chǔ)，而它外設(shè)部分擁有多個引腳，相當(dāng)于有設(shè)置了很多的I\O口。這樣內(nèi)外兼優(yōu)的處理器在事實情況下很適合引用于該系統(tǒng)中。

3.1.2 低功耗特點

??STM32F103所包含的眾多模式中，低功耗模式是本系統(tǒng)中最為重點的一個部分，相當(dāng)于空調(diào)的超節(jié)能模式，這是一個希望能隨時帶在身邊利用的心率檢測儀來說是十分必要的。低功耗模式下，也就是系統(tǒng)的睡眠模式下，能夠隨時喚醒CPU，但是其他非特殊情況下CPU始終在休眠狀態(tài)，盡量最低限度的消耗能源。除了保留的一條用于喚醒的線，其他連接著包括SRAM、FIFO寄存器、回環(huán)整合信號、數(shù)字感知區(qū)域振蕩器在內(nèi)都處于休止中斷中，直到在結(jié)束或者喚醒CPU后，整個系統(tǒng)會在最快的時間內(nèi)進(jìn)入運行狀態(tài)。
?? 除此之外，STM32F103還有個休眠模式。在這個模式開啟后，系統(tǒng)將進(jìn)入超低耗能模式。不再像低功耗模式一樣只是單純的將組件控制在低功耗運行狀態(tài)，在啟動之后系統(tǒng)甚至?xí)詣忧袛喑藛拘雅cCPU之外的其他線路的電源，真正的做到整機(jī)休眠。它的喚醒條件也是十分簡單，只要中斷喚醒啟動，CPU就會被事件喚醒，但是這個啟動時間相對較長。

3.1.3 主芯片電路設(shè)計

??原理圖如下圖3.1-1，上拉3.3V電源用于復(fù)位電路，按下按鈕后，內(nèi)部電路會自動復(fù)位。各電源接口和地線必須接上，給各個IO口供電。

圖3.1 主芯片電路原理圖

圖3.2 主芯片電路PCB圖

三、軟件設(shè)計

4.1 主軟件設(shè)計

??由于單片機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理速度和易于編程的原因，單片機(jī)用于數(shù)據(jù)處理可以避免大量藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。 MAX30100通過I2C通信進(jìn)行讀取。平衡光電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，然后確定脈搏，在測量脈搏后，隨時間計算心率。

4.2 MAX30100

??I2C接口的最大速度為400KHz。該項目中，使用的通信技術(shù)為I2C通信，因此采樣速率比傳輸速率慢。由于存儲器寫操作是通過I2C執(zhí)行的，所以需要保證主控制芯片的高速通信操作，并且不影響其他子例程。

四、 結(jié)論

??在系統(tǒng)設(shè)計方面前前后后總共構(gòu)思設(shè)計了很長一段時間。為了設(shè)計并實現(xiàn)出心電圖的動態(tài)顯示，查詢了很多相關(guān)資料文獻(xiàn)，更加了解ECG波形與PPG信號相關(guān)的內(nèi)容。如何在關(guān)于心率計算傳感器的選擇在MAX30102、MAX30100以及S等相關(guān)芯片上最后選擇了MAX30100。它相對便宜，而且在單單測量心率的數(shù)據(jù)樣本上，單體承載的最大樣本采集率為0.1-1KHz，并且與其對的樣本分辨率可以達(dá)到10-17Bit的ADC分辨率，已經(jīng)是綽綽有余的了。在進(jìn)行信號放大及其濾波的時候，濾掉直流波后所選擇的BUTTERWORTH濾波器更是一個十分簡易的濾波器，操作相對簡單而且在其推導(dǎo)下，能更精確的計算出心率的值。包括在電路設(shè)計上和PCB排布上、代碼設(shè)計并應(yīng)用在系統(tǒng)上在都花了挺多的心思。
??在設(shè)計時由于自身的經(jīng)驗不足以及技術(shù)不夠過關(guān)，無法在原設(shè)計的基礎(chǔ)上加入APP顯示以及危險提醒，這確實為該系統(tǒng)美中不足的一個地方。還有就是MAX30100的設(shè)置在手指檢測上，當(dāng)其固定不穩(wěn)時，檢測到的數(shù)據(jù)是除此之外，系統(tǒng)中對于信號處理部分并沒有做到過于完美以至于會出現(xiàn)信號斷崖式中斷的狀態(tài)。在檢測過硬件保證其正常性下把該以原因定在軟件系統(tǒng)設(shè)計的不完善上。言下之意，該系統(tǒng)的改進(jìn)空間十分大，現(xiàn)階段缺陷還是會有很多，包括其精密程度，穩(wěn)定程度等都仍需要有所優(yōu)化。在現(xiàn)階段的智能醫(yī)學(xué)發(fā)展來說，心率檢測儀的發(fā)展前景十分巨大，未來的智能科技發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)研創(chuàng)也會使其發(fā)展到一個更新的高度。在檢測心率的基礎(chǔ)上，心率檢測儀可以增加APP輔助，人們能在APP中得到自己選定時間段里的心率監(jiān)測，同時得到專家的意見以及建議，不再只是單單的自己觀察自己監(jiān)控，變得更加智能。

目 錄

1 緒論 1
1.1 關(guān)于心率檢測儀的研究背景 1
1.2 心率檢測儀的意義與目的 1
1.3 關(guān)于心率檢測儀的發(fā)展歷程 2
2 設(shè)計方案 3
2.1 總體設(shè)計思想 3
2.2 心率脈象圖譜原理及實現(xiàn) 3
2.2.1 心電圖 3
2.2.2 心率的算法 5
2.2.3 脈象圖譜的分析方法的研究 5
2.2.4 脈圖的判別方法 6
2.2.5光電容積脈搏波(PPG信號) 7
3 硬件電路設(shè)計分析 9
3.1 主控芯片 9
3.1.1 芯片介紹 9
3.1.2 低功耗特點 9
3.1.3 主芯片電路設(shè)計 9
3.2 MAX30100心率血氧模塊 10
3.2.1 MAX30100簡介 10
3.2.2 MAX30100傳感器工作原理 11
3.2.3 MAX30100電路設(shè)計 11
3.3 OLED顯示 12
3.4 藍(lán)牙模塊 13
4 軟件部分設(shè)計分析 15
4.1 主軟件設(shè)計 15
4.2 MAX30100 15
4.2.1 MAX30100運作流程 15
4.2.2 FIFO寄存器 22
4.3 OLED 23
總結(jié) 25
參 考 文 獻(xiàn) 26
致謝 27文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-766851.html

到了這里，關(guān)于單片機(jī)設(shè)計基于STM32的心率檢測儀設(shè)計與實現(xiàn)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！