基于STM32 Max30100的脉搏血氧仪设计

基于STM32 Max30100的脉搏血氧仪设计

基于STM32 Max30100的脉搏血氧仪设计

  • 适用:本科,大专,自考
  • 更新时间2024年
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基于STM32 Max30100的脉搏血氧仪设计

基于STM32 Max30100的脉搏血氧仪设计

摘  要

随着物质水平的提高,人们的健康保健意识日益增强,希望能够经常检测自己身体的各项生理参数,其中心率和血氧便是人体重要的两项参数。但是由于医疗资源有限,经常到医院检查显然不现实,于是家用医疗设备应运而生。

针对以上背景,论文设计一款基于STM32的脉搏血氧仪,能时刻监测脉搏波,可以无创测量心率和血氧值,并且在LCD和手机APP上实时显示。

本设计以STM32F103为微处理器,通过I2C获取MAX30100采集的原始数据,然后通过USART通信发送到串口;PC端利用Python的pyserial模块实时接收串口数据后,调用Matplotlib库动态显示脉搏波波形;通过对原始数据做快速傅里叶变换后得到脉搏波的频率、直流分量、交流分量,分别代入计算公式后得到心率、血氧值,并在3.2寸电阻触摸屏显示;通过ESP8266WiFi模块,使STM32与手机进行通信,将测量结果实时更新到手机APP上。

实验表明,本设计能够较准确地得到脉搏波,测量心率与血氧,并且能较及时地将测量结果更新在LCD和APP上。

关键词:脉搏血氧仪;STM32;MAX30100

Abstract

With the improvement of the material level, people's awareness of health care is increasing. It is hoped that they can often detect various physiological parameters of their bodies. The central rate and blood oxygen are two important parameters of the human body. However, due to limited medical resources, it is obviously unrealistic to go to the hospital for inspection, so home medical equipment came into being.

In response to the above background, a STM32-based pulse oximeter is designed to monitor pulse waves at all times, to measure heart rate and blood oxygen value non-invasively, and to display them in real time on LCD and mobile APP.

This design uses STM32F103 as the microprocessor, obtains the original data collected by MAX30100 through I2C, and then sends it to the serial port through USART communication; PC uses Python's pyserial module to receive the serial port data in real time, then calls Matplotlib library to dynamically display the pulse wave waveform; After the fast Fourier transform of the original data, the frequency, DC component and AC component of the pulse wave are obtained, and the heart rate and blood oxygen value are obtained after substituting into the calculation formula, and displayed on the 3.2-inch resistive touch screen; the STM32 and the mobile phone are performed by the ESP8266 WiFi module. Communication, the measurement results are updated in real time to the mobile APP.

Experiments show that the design can obtain pulse waves more accurately, measure heart rate and blood oxygen, and update the measurement results on LCD and APP in a timely manner.

Keywords:Pulse oximeter, STM32, MAX30100

目  录

摘  要 I

Abstract II

第1章 绪  论 3

1.1 课题背景及研究目的和意义 3

1.2 国内外研究现状分析 4

1.2.1 脉搏血氧仪的发展现状 4

1.2.2脉搏血氧仪的研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 5

第2章 心率血氧测量原理 6

2.1 脉搏波 6

2.2 心率测量原理 6

2.3 血氧测量原理 8

2.4 本章小结 10

第3章 系统硬件实施方案 11

3.1 系统框图 11

3.2 微处理器 11

3.2.1 STM32诞生的背景 12

3.2.2 STM32的选型 12

3.3 MAX30100模块 13

3.3.1 MAX30100的寄存器 14

3.3.2 MAX30100的I2C 16

3.4 WiFi模块 18

3.5 LCD显示模块 18

3.5.1 液晶显示介绍 18

3.5.2 液晶显示文字 19

3.6 本章小结 20

第4章 系统软件实施方案 21

4.1 软件流程图 21

4.2 脉搏波原始数据采集 23

4.3 PC端实时显示脉搏波波形 24

4.4 原始数据处理 25

4.5 LCD显示心率血氧 26

4.6 手机APP显示心率血氧 27

4.7 本章小结 27

第5章 系统测试与分析 28

5.1 实时显示脉搏波波形效果 28

5.2 LCD显示心率血氧 28

5.3 手机APP显示测量结果 30

5.4 系统总体效果 30

5.5 本章小结 31

结  论 32

参考文献 33

致  谢 34

a

第1章 绪  论

1.1 课题背景及研究目的和意义

人们的生活水平日益提高,健康保健意识日益加强,对医疗服务提出了更高的要求。而物质水平提高的同时,生活节奏也变快,许多人都处于亚健康状态。长期处于这种亚健康状态很容易引起各种疾病,人们需要经常监测自己身体的生理参数。人口老龄化是我国的一个严峻社会问题,2017年末,我国60周岁及以上人口有24090万人,占总人口的17.3%,而且,据统计大约80%的老年人至少患有一种慢性病,这部分老年人必须持续地检测身体的各项生理参数。然而由于医疗资源有限,经常到医院检查,显然不现实,于是家用医疗设备应运而生,家用血压计、心率、血氧测试仪等在市面上已经有较为成熟的产品,也广为中老年人所接受。

在家用医疗设备所测量的身体生理参数中,脉率和血氧饱和度值是很重要的两种。脉搏是一种非常重要的生理现象,可以有效反映心脏和心血管系统的一些信息,临床上有许多疾病,特别是心脏病可使脉率发生变化,通过此项检查可以判断病变部位及相对应的病征。血氧饱和度(SpO2)是估计人体循环系统和呼吸系统的重要指标之一,是生命体征监测中的重要项目。血氧饱和度值过低也即严重缺氧的情况下,对身体有巨大的影响,如中枢神经系统、肝脏、肾功能衰退等。大约1/3到2/3的心脏死亡或严重的脑细胞死亡是因为严重的低氧血症导致。在严重缺氧的情况下,ATP的和合成由于心内膜内乳酸的积累而减少,这会使得心动过缓,血压降低,导致心脏输出减少,心室颤动等心率紊乱,甚至停止[1]。因此,经常对血氧饱和度进行检测,发现缺氧及时补氧,具有重要的意义,血管疾病、呼吸系统疾病患者、60岁以上老年人、长期酗酒人群、极限运动者、以及处于缺氧环境下人群等更应该引起重视。

以前SpO2的检测方法主要是电化学法,即通过采样抽取动脉血,通过血气分析来算出SpO2的值,这种方法不能连续监测、操作程序复杂、耗用时间长,且有创采血给病人带来很大痛苦。80年代初发展起来的无创动脉血氧饱和度测量技术,即光学法,很大程度上消除了电化学法的不便,因为它是基于动脉血对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理来进行测量的,故将其结果称为脉搏血氧饱和度[2]。

本设计使用了光学法测量方式,测量者无需采血即能测量,免去皮肉之痛;PC端实时显示脉搏波可以方便使用者观察自己的脉搏波是否有异常;LCD实时显示心率、血氧值可以让测量者直观了解测量结果;近年来智能手机大火,与智能手机结合,将测试结果实时传输到手机APP上,对助力远程医疗有重大意义。

参考文献

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