摘要：隨著人們健康意識(shí)的提升，心率、血氧、體溫等生理參數(shù)的監(jiān)測日益重要。文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)的心率血氧體溫檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MAX30102心率傳感器和DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)采集心率、血氧、體溫等生理參數(shù)，并通過OLED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析。系統(tǒng)在檢測到生理參數(shù)異常時(shí)，會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒用戶關(guān)注自身健康狀況。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；心率血氧體溫檢測；MAX30102；DS18B20；OLED顯示

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）01-0117-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 概述

隨著人們?cè)絹碓疥P(guān)注身體健康，許多家庭自備智能健康監(jiān)測設(shè)備以隨時(shí)檢測身體狀況[1]。對(duì)于一些患有心血管、呼吸系統(tǒng)等疾病的人群來說，監(jiān)測這些指標(biāo)可及時(shí)了解身體狀況，從而采取相應(yīng)的治療措施。然而現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)裝置大多體積大、成本高、難以隨身攜帶，受環(huán)境因素限制，具有一定局限性[2]。

本文設(shè)計(jì)了一款能檢測心率血氧體溫參數(shù)的系統(tǒng)，融合了高精度傳感器、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及直觀的顯示與報(bào)警功能，為用戶提供了一個(gè)全面實(shí)時(shí)的生理參數(shù)監(jiān)測平臺(tái)。系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板、MAX30102 心率傳感器、DS18B20 溫度傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器和發(fā)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(shí)現(xiàn)對(duì)心率、血氧和體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測。STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。一旦檢測到參數(shù)異常，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒用戶關(guān)注自身健康狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器模塊、顯示模塊以及報(bào)警模塊等。STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單元，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)采集心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)，通過IIC接口與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理。體溫測量模塊采用DS18B20溫度傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測量體溫，與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jī)連接，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。聲光報(bào)警模塊會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，并通過LED燈閃爍進(jìn)行視覺提示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單元，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、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(fù)責(zé)采集人體生理信號(hào)；OLED顯示屏用于顯示心率、血氧和體溫?cái)?shù)據(jù)；電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.1 心率血氧傳感器電路設(shè)計(jì)

MAX30102心率傳感器集成了脈搏血氧儀和心率監(jiān)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(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。MAX30102心率傳感器通過IIC接口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。SDA為數(shù)據(jù)引腳端，接單片機(jī)PB0引腳，用于與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SCL 為時(shí)鐘引腳，接單片機(jī)PB1引腳，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。通過編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，STM32可以讀取MAX30102傳感器的心率和血氧數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)率監(jiān)測功能。

2.2 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

DS18B20是一款高精度的數(shù)字溫度傳感器，其工作原理基于低溫度系數(shù)和高溫度系數(shù)晶振的頻率變化，通過計(jì)數(shù)器測量來得到溫度值[4]。其主要性能指標(biāo)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(diǎn)組網(wǎng)功能，便于構(gòu)建復(fù)雜的測溫系統(tǒng)。它與STM32單片機(jī)的接口方式采用單總線通信協(xié)議，通過數(shù)據(jù)端DQ即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，這大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。數(shù)據(jù)端DQ連接單片機(jī)PA11引腳，使用上拉電阻將DQ 引腳拉高，指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收通過DQ引腳完成。

2.3 OLED 顯示電路設(shè)計(jì)

OLED顯示器是基于有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)，通過在有機(jī)材料層上施加電壓，使電子和空穴在材料中移動(dòng)并復(fù)合，從而釋放出光能，實(shí)現(xiàn)自發(fā)光顯示。OLED 顯示器使用IIC通信協(xié)議與單片機(jī)通信，時(shí)鐘線SCL 連接單片機(jī)PB6引腳，數(shù)據(jù)線SDA連接單片機(jī)PB7引腳上。程序設(shè)計(jì)時(shí)需要初始化IIC接口，設(shè)置正確的時(shí)鐘速度、從設(shè)備地址等參數(shù)。根據(jù)OLED顯示器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，編寫用于初始化顯示器、發(fā)送命令和數(shù)據(jù)以及設(shè)置顯示參數(shù)的驅(qū)動(dòng)代碼。

2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路由三極管S8050、1K 上拉電阻和蜂鳴器構(gòu)成。如果當(dāng)前心率低于或高于閾值，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)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(qū)動(dòng)蜂鳴器。設(shè)計(jì)中三極管S8050 采用高電平特性來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，它可以放大電流達(dá)到200倍以上，其基極與單片機(jī)PC13引腳連接。單片機(jī)可以控制蜂鳴器的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，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(hù)晶體管的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件一旦上電啟動(dòng)，各部分都會(huì)開始程序初始化，之后進(jìn)入顯示主界面。本設(shè)計(jì)的主要流程包含OLED液晶初始化、傳感器模塊等初始化，進(jìn)入循環(huán)while判斷按鍵是否按下、設(shè)置當(dāng)前心率的上下限、當(dāng)心率超過設(shè)置的上下限則啟動(dòng)聲光報(bào)警。程序流程圖如圖3所示：

3.1 心率血氧程序設(shè)計(jì)

程序采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)檢測周期10 s，在10 s過程中引腳檢測方波脈搏信號(hào)，每次高電平來臨，系統(tǒng)進(jìn)行判斷相鄰兩次高電平的時(shí)間差是否大于10 ms，這與人的心跳特征有關(guān)，此判斷能消除電壓比較器的誤判和彌補(bǔ)個(gè)人心跳的差異性。首先初始化IIC通信，設(shè)置STM32為主機(jī)，MAX30102為從機(jī)。配置MAX30102的寄存器，包括采樣率、LED亮度、工作模式等。啟動(dòng)MAX30102的采樣，讀取傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用OLED顯示屏來實(shí)時(shí)反應(yīng)心率血氧體溫監(jiān)測數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。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(tài)。如果處于忙狀態(tài)，就需等待，直到顯示器發(fā)出工作完成的指令，才能寫入控制字和數(shù)據(jù)[5]。程序開始時(shí)，需要初始化OLED顯示屏，包括設(shè)置OLED的分辨率、亮度、對(duì)比度等參數(shù)，并清空OLED屏幕。監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入OLED顯示屏，包括心率、血氧和體溫等數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊程序流程如圖5所示。

3.3 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)按下按鍵時(shí)，單片機(jī)會(huì)檢測對(duì)應(yīng)的引腳電平是否為0。如果電平為0，表示按鍵被按下。經(jīng)過短暫延時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)按下的具體按鍵進(jìn)行判斷。若按下K1按鍵，系統(tǒng)就會(huì)判斷當(dāng)前處于設(shè)置模式。若按下K2按鍵，系統(tǒng)將對(duì)當(dāng)前的心率上限進(jìn)行增加操作。若按下K3按鍵，系統(tǒng)將對(duì)當(dāng)前的心率進(jìn)行減少操作。通過按鍵操作，可調(diào)整心率上限，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。按鍵模塊程序流程如圖6所示：

3.4 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

按鍵處理函數(shù)用于處理按鍵操作。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行判斷，經(jīng)過短暫的延遲后確認(rèn)按鍵是否被按下。接著判斷設(shè)置的報(bào)警閾值，并根據(jù)設(shè)置的具體報(bào)警值進(jìn)行相應(yīng)處理。如果達(dá)到了報(bào)警值，聲光報(bào)警器將被觸發(fā)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這樣，按鍵處理函數(shù)能有效地處理按鍵輸入和相應(yīng)的報(bào)警操作。報(bào)警模塊程序流程如圖7所示。

4 測試結(jié)果分析

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的心率血氧體溫檢測系統(tǒng)進(jìn)行了全面的性能測試。測試環(huán)境包括STM32 單片機(jī)、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(huán)境下編寫測試程序。硬件測試包括傳感器的連接和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。通過對(duì)不同心率、血氧和體溫值的模擬測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。軟件測試包括數(shù)據(jù)處理算法和用戶界面的測試。通過對(duì)心率、血氧和體溫?cái)?shù)據(jù)的處理和顯示，驗(yàn)證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的正確性和用戶界面的友好性。通過實(shí)際測量，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，心率、血氧和體溫能正常顯示且準(zhǔn)確度高。當(dāng)超過或低于閾值，會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警，符合設(shè)計(jì)要求。最后，通過對(duì)多個(gè)測試對(duì)象的心率、血氧和體溫?cái)?shù)據(jù)的檢測和分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，測試結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32單片機(jī)的心率血氧體溫檢測系統(tǒng)，通過集成MAX30102心率傳感器、DS18B20溫度傳感器及OLED顯示屏，實(shí)現(xiàn)了心率、血氧和體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析數(shù)據(jù)并在異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提高了健康監(jiān)測的便捷性和有效性。創(chuàng)新之處為具有多參數(shù)集成監(jiān)測與實(shí)時(shí)報(bào)警功能，為用戶提供全面的健康監(jiān)測服務(wù)。但系統(tǒng)仍存在功耗管理、數(shù)據(jù)傳輸與長期存儲(chǔ)及用戶交互界面等方面的不足，未來將聚焦于低功耗設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與智能分析以及用戶界面的優(yōu)化，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的實(shí)用性和用戶體驗(yàn)感。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

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