单片机课程设计：基于STM32的心率血氧检测报警系统

前言

  本文使用搭载STM32F103VET6主控芯片的野火指南者、野火3.2寸LCD屏幕和MAX30102心率血氧传感器实现心率血氧采集并显示的效果。

（文末附完整程序下载链接）

一、设计任务

  1.可以通过MAX30102心率血氧传感器对用户的心率血氧进行采集，并用实时显示在LCD液晶屏上;
  2.可以设定一个固定的报警温度值显示在液晶屏上;
  3.用户心率低于60或者高于阈值报警、用户血氧低于阈值报警，报警形式包括:蜂鸣器发出滴滴声，LCD中心率血氧字符根据不同情况显示相应的报警颜色，报警颜色有红、蓝、品红;
  4.能够通过按键动态修改报警温度阈值;
  5.LCD显示屏下方绘制心率波形图;
  6.ESP8266将数据发送给TCP助手;

二、系统硬件设计

1.元器件选用

  1、STM32f103VET6单片机一块
  2、ESP8266一块
（此项目使用野火指南者，指南者自带ESP8266，其他型号单片机杜邦线自连即可）
  3、MAX30102心率血氧传感器
  4、3.2寸LCD显示器
  5、杜邦线5根

2.系统模型设计

  按键1设置心率阈值，按键2设置血氧阈值，MAX30102检测用户心率和血氧值。
  当检测的用户心率值大于心率阈值时LCD当前心率一栏变为红色、蜂鸣器报警、LED红灯闪烁、串口输出警告。
  当检测的用户心率值底于60时LCD当前心率一栏变为品红色、蜂鸣器报警、LED红灯闪烁、串口输出警告。
  当检测的用户血氧浓度小于血氧阈值时LCD显示血氧过低警告、蜂鸣器报警、蓝灯闪烁、串口输出心率过低警告。
  血氧波形图将检测到的血氧数据绘制出来，在未检测时y轴绘制为0。相应的颜色警告也会在波形图中显示。
  ESP8266将单片机采集的数据通过联网的方式发送到TCP助手中并显示。

 演示视频：

3.硬件连接

  1、本系统使用野火指南者，由于该单片机自带ESP8266，因此无需连接。如果使用其他型号单片机，根据ESP8266用户手册连接即可。
  2、STM32F103与MAX30102的连接，VCC<->3.3V，GND<->GND，SCL<->PC7，SDA<->PC8，IM<->PC9。

总电路连接图：

三、系统程序设计

1.程序流程

  基于STM32的血氧仪控制系统总体软件的设计，可以分为系统初始化、数据采集、数据处理、数据显示和系统控制。系统初始化包括各模块的初始化，包括MAX30102模块、LCD显示模块、按键模块、蜂鸣器模块等。同时还需要初始化串口通信模块。
  采集数据主要是获取的血氧数据，进行数字转换和滤波处理，得到血氧饱和度和脉搏率数据。数据处理是对采集到的血氧饱和度和脉搏率数据进行处理。同时，还需要对数据进行校验和处理，确保数据的准确性和可靠性。将处理后的数据通过LCD显示模块显示出来。同时，还需要通过蜂鸣器模块进行声音提示，例如当血氧饱和度低于一定阈值时，发出警报声。系统控制即通过按键控制模块控制系统的工作模式，如调节警报阈值等。

程序设计流程图：

WiFi运行逻辑图：

2.主程序

项目部分程序示例。
main.c

int main()
{/* 初始化 */USART_Config ();    //初始化串口1NVIC_Configuration();CPU_TS_TmrInit();   //初始化DWT计数器，用于延时函数LED_Init();         //初始化RGB彩灯EXTI_Key_Config();  //KEY中断初始化BEEP_GPIO_Config(); //初始化蜂鸣器引脚ESP8266_Init();     //初始化WiFi模块使用的接口和外设ILI9341_Init();     //LCD 初始化  max30102_init();    //max30102初始化ILI9341_GramScan(6);    //LCD显示模式 	ESP8266_StaTcpClient_Unvarnish_ConfigTest();   //对ESP8266进行配置max30102_read();  //数据预处理LCD_SetFont(&Font8x16);  //LCD显示字体		LCD_SetColors(WHITE,BLACK);//LCD黑底白字，这样显示它别致ILI9341_Clear(0,0,LCD_X_LENGTH,LCD_Y_LENGTH);	/* 清屏，显示全黑 */while (1){max30102_control();  //max30102控制函数ESP8266_Sendmax30102DataTest();//LCD显示及串口\网络数据发送drawCurve(280,dis_hr);//LCD画波形，第一个参数是LCD显示起始位置，第二个是波形的数值}
}

max30102_control(); max30102控制函数

void max30102_control()
{i=0;un_min=0x3FFFF;un_max=0;//将前100组样本转储到存储器中，并将最后400组样本移到顶部for(i=100;i<500;i++){aun_red_buffer[i-100]=aun_red_buffer[i];aun_ir_buffer[i-100]=aun_ir_buffer[i];//update the signal min and maxif(un_min>aun_red_buffer[i])un_min=aun_red_buffer[i];if(un_max<aun_red_buffer[i])un_max=aun_red_buffer[i];}//在计算心率之前采集100组样本。for(i=400;i<500;i++){un_prev_data=aun_red_buffer[i-1];while(MAX30102_INT==1);max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATA,temp);aun_red_buffer[i] =  (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) | (long)temp[1]<<8 | (long)temp[2];    // Combine values to get the actual numberaun_ir_buffer[i] = (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) |(long)temp[4]<<8 | (long)temp[5];   // Combine values to get the actual numberif(aun_red_buffer[i]>un_prev_data){f_temp=aun_red_buffer[i]-un_prev_data;f_temp/=(un_max-un_min);f_temp*=MAX_BRIGHTNESS;n_brightness-=(int)f_temp;if(n_brightness<0)n_brightness=0;}else{f_temp=un_prev_data-aun_red_buffer[i];f_temp/=(un_max-un_min);f_temp*=MAX_BRIGHTNESS;n_brightness+=(int)f_temp;if(n_brightness>MAX_BRIGHTNESS)n_brightness=MAX_BRIGHTNESS;}//通过USART将样本和计算结果发送到终端程序if(ch_hr_valid == 1 && n_heart_rate<120){//**/ ch_hr_valid == 1 && ch_spo2_valid ==1 && n_heart_rate<120 && n_sp02<101dis_hr = n_heart_rate;dis_spo2 = n_sp02;}else{dis_hr = 0;dis_spo2 = 0;}}maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, n_ir_buffer_length, aun_red_buffer, &n_sp02, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);if(dis_hr == 0 && dis_spo2 == 0)  //**dis_hr == 0 && dis_spo2 == 0{sprintf((char *)str,"HR:--- SpO2:--- ");//**HR:--- SpO2:--- ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(4),"        当前心率:---");ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(6),"        当前血氧:---");}else{sprintf((char *)str,"HR:%3d SpO2:%3d ",dis_hr,dis_spo2);//**HR:%3d SpO2:%3d LCD_SetTextColor(GREEN);sprintf(get_hr_char,"        当前心率:%d ",dis_hr);LCD_ClearLine(LINE(4));ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(4),get_hr_char); 	LCD_SetTextColor(GREEN);sprintf(get_spo2_char,"        当前血氧:%d%%",dis_spo2);LCD_ClearLine(LINE(6));ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(6),get_spo2_char); }}

ESP8266_Sendmax30102DataTest()；LCD显示以及数据发送

void ESP8266_Sendmax30102DataTest(void)
{char cStr[170]={0};uint8_t ucStatus;LCD_SetTextColor(WHITE);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(1),"        血氧仪控制系统   ");LCD_SetTextColor(GREEN);sprintf(set_hr_char,"        心率阈值:%d ",set_hr_max);LCD_ClearLine(LINE(3));ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(3),set_hr_char); LCD_SetTextColor(GREEN);sprintf(set_spo2_char,"        血氧阈值:%d%%",set_spo2);LCD_ClearLine(LINE(5));ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(5),set_spo2_char); if(dis_hr == 0 && dis_spo2 == 0)  //max30102未检测{printf("Max30102 not detected!/r/n");LCD_SetTextColor(GREEN);LCD_ClearLine(LINE(18));LCD_ClearLine(LINE(19));PBout(5)=1;//灯灭PBout(1)=1;//灯灭BEEP( OFF );//蜂鸣器关}else{                            //max30102开始检测/* 显示血氧 */if(dis_spo2 >= set_spo2){                 LCD_ClearLine(LINE(19));LCD_SetTextColor(GREEN);//当前血氧一栏显示绿色sprintf(get_spo2_char,"        当前血氧:%d%% ",dis_spo2);LCD_ClearLine(LINE(6));	/* 清除单行文字 */ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(6),get_spo2_char);PBout(1)=1;//灯灭BEEP( OFF );//蜂鸣器关} else{   			//当前血氧低于阈值时颜色变蓝PBout(1)=0;//灯亮BEEP( ON );//蜂鸣器开LCD_SetTextColor(BLUE);LCD_ClearLine(LINE(6));	/* 清除单行文字 */sprintf(get_spo2_char,"        当前血氧:%d%% ",dis_spo2);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(6),get_spo2_char);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(19),"          血氧过低          ");printf("！！！血氧低于阈值！！！");         //串口输出}/* 显示心率 */if((dis_hr <= set_hr_max) && (dis_hr >= set_hr_min)){                 //当前心率一栏显示绿色LCD_ClearLine(LINE(18));LCD_SetTextColor(GREEN);LCD_ClearLine(LINE(4));	/* 清除单行文字 */sprintf(get_hr_char,"        当前心率:%d ",dis_hr);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(4),get_hr_char);PBout(5)=1;//灯灭BEEP( OFF );//蜂鸣器关}else if( ( dis_hr <= set_hr_min ) && ( dis_hr != 0) ){LCD_SetTextColor(MAGENTA);LCD_ClearLine(LINE(4));	/* 清除单行文字 */sprintf(get_hr_char,"        当前心率:%d ",dis_hr);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(4),get_hr_char);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(18),"          心率低于60        ");printf("！！！心率低于60！！！");         //串口输出BEEP( ON );//蜂鸣器开PBout(5)=0;//灯亮}else{                              //当前心率超过阈值时颜色变红BEEP( ON );//蜂鸣器开PBout(5)=0;//灯亮LCD_SetTextColor(RED);LCD_ClearLine(LINE(4));	/* 清除单行文字 */sprintf(get_hr_char,"        当前心率:%d ",dis_hr);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(4),get_hr_char);ILI9341_DispStringLine_EN_CH(LINE(18),"          心率过高          ");printf("！！！心率超出阈值！！！");         //串口输出}}if(dis_hr !=0 || dis_spo2 != 0 ){sprintf ( cStr, "POST /devices/92648495/datapoints?type=5 HTTP/1.1\napi-key:Yn2cDHrWmsTL62QUjHYu4RNtgPw=\nHost:api.zj.cmcconenet.com\nContent-Length:23\n\n,;xinlv,%3d;xueyang,%3d",dis_hr,dis_spo2);printf ( "%s", cStr );                                             //打印读取 DHT11 温湿度信息ESP8266_SendString ( ENABLE, cStr, 0, Single_ID_0 );               //发送 DHT11 温湿度信息到网络调试助手}if ( ucTcpClosedFlag ){                                             //检测是否失去连接ESP8266_ExitUnvarnishSend ();                                    //退出透传模式do ucStatus = ESP8266_Get_LinkStatus ();                         //获取连接状态while ( ! ucStatus );if ( ucStatus == 4 ){                                             //确认失去连接后重连printf ( "\r\n正在重连热点和服务器 ......\r\n" );while ( ! ESP8266_JoinAP ( macUser_ESP8266_ApSsid, macUser_ESP8266_ApPwd ) );  while ( !	ESP8266_Link_Server ( enumTCP, macUser_ESP8266_TcpServer_IP, macUser_ESP8266_TcpServer_Port, Single_ID_0 ) );printf ( "\r\n重连热点和服务器成功\r\n" );}while ( ! ESP8266_UnvarnishSend () );		}
}

drawCurve(280,dis_hr)；LCD画波形，第一个参数是LCD显示起始位置，第二个是波形的数值

void drawCurve(int coord_x,short int rawValue)  
{//coord_xLCD显示起始位置坐标u16 x,y;int rawValue_value;rawValue_value = rawValue*280;//rawValue_value波形高度，280可修改y = coord_x - rawValue_value/280;  	//数据处理代码//这里之所以是120-rawValue/280，与屏幕的扫描方向有关，如果出现上下颠倒的情况，可以改成120 + if(firstPoint){//如果是第一次画点，则无需连线，直接描点即可ILI9341_SetPointPixel(10,y);lastX=0;lastY=y;firstPoint=0;}else{x=lastX+1;if(x<240){  //不超过屏幕宽度ILI9341_DrawLine(lastX,lastY,x,y);lastX=x;lastY=y;}else{  //超出屏幕宽度，清屏，从第一个点开始绘制，实现动态更新效果ILI9341_Clear(0,0,LCD_X_LENGTH,LCD_Y_LENGTH);	/* 清屏，显示全黑 */ILI9341_SetPointPixel(10,y);lastX=0;lastY=y;}}
}

总结

  基于STM32的血氧仪控制系统是一个适合初学者的STM32设计，本系统设计包含了GPIO的配置、ESP8266的配置与使用、传感器MAX30102的使用、按键中断、串口发送信息、LCD显示等的使用。本系统主要部分即心率血氧采集和WiFi数据传输，比较适合初学者学习理论知识后对知识的总结和融会贯通。

下载

  下载包所含基于STM32的血氧仪控制系统程序一份，流程图、原理图若干。

下载地址1：http://cloud.tao-space.top/2023/05/28/13/595/