首頁資訊基于STM32設(shè)計(jì)的生理監(jiān)測裝置

基于STM32設(shè)計(jì)的生理監(jiān)測裝置

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月18日 22:09

一、項(xiàng)目功能要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)生理監(jiān)測裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體的心電圖、呼吸和溫度，并在LCD液晶顯示屏上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快和環(huán)境的變化，人們對身體健康的關(guān)注程度越來越高。為了及時(shí)掌握自身的生理狀況，進(jìn)行健康管理和疾病預(yù)防，監(jiān)測身體的生理參數(shù)成為一種重要的需求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體的心電圖、呼吸和溫度的生理監(jiān)測裝置具有重要的意義。

該生理監(jiān)測裝置主要用于個(gè)人健康管理和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等應(yīng)用場景。個(gè)人健康管理方面，用戶可以通過這個(gè)裝置了解自己的心電圖、呼吸和體溫等生理參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整生活習(xí)慣、咨詢醫(yī)生等。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)方面，裝置可以將實(shí)時(shí)的生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶蚱渌O(shè)備，供醫(yī)生或家屬遠(yuǎn)程查看，以便及時(shí)干預(yù)和診斷。

與傳統(tǒng)的生理監(jiān)測設(shè)備相比，該裝置具有以下優(yōu)勢：

實(shí)時(shí)性：裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和顯示心電圖、呼吸和溫度等生理參數(shù)，用戶可以隨時(shí)了解自己的身體狀況。簡便性：裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，用戶可以隨身攜帶，方便隨時(shí)監(jiān)測。實(shí)用功能：通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，裝置可以提供簡單的健康狀況提示，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。擴(kuò)展性：裝置可以添加報(bào)警功能、存儲功能和無線通信功能等增強(qiáng)功能，滿足不同用戶的需求。

這個(gè)生理監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)和制作有助于提高個(gè)人健康管理的水平，為用戶提供及時(shí)、準(zhǔn)確的生理參數(shù)信息，以便更好地保護(hù)身體健康。同時(shí)，它也可以為醫(yī)生和家屬提供遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的手段，幫助他們隨時(shí)了解病人的生理狀況。該裝置在現(xiàn)代健康管理和醫(yī)療保健領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。

二、基本要求

【1】心電信號監(jiān)測：

采用PulseSensor傳感器獲取心電信號。進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在LCD顯示屏上顯示心電圖。

【2】呼吸信號監(jiān)測：

采用PulseSensor傳感器獲取呼吸信號。進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在LCD顯示屏上顯示呼吸數(shù)據(jù)。

【3】溫度監(jiān)測：

采用MT70傳感器測量人體溫度。進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在LCD顯示屏上顯示溫度數(shù)據(jù)，測量精度不大于0.10℃。

【4】人體健康狀況判斷：

根據(jù)測量到的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的健康狀況判斷。使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與判斷。

二、發(fā)揮部分

健康狀況判斷：

分析心電圖、呼吸和溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值判斷是否存在異常情況。在LCD顯示屏上顯示人體健康狀況的簡單提示信息。

其他增強(qiáng)功能：

可以添加報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)測到異常情況時(shí)，通過聲音或震動(dòng)提醒用戶。可以存儲和記錄歷史數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析和參考。可以添加無線通信模塊，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備或云端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

三、設(shè)計(jì)方案

【1】主控芯片：

選擇STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，具有足夠的GPIO、ADC等功能，并可方便地集成硬件模塊。

【2】顯示屏：

選擇0.96寸IIC接口的OLED顯示屏，具有高分辨率和低功耗的特點(diǎn)，適合用于顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

【3】傳感器：

心電信號采集使用PulseSensor傳感器輸出。呼吸信號采集使用PulseSensor傳感器輸出。溫度測量使用MT70傳感器。

【4】AD轉(zhuǎn)換：

選擇ADS1292作為心電信號和呼吸信號的AD轉(zhuǎn)換芯片。在STM32F103C8T6單片機(jī)上配置ADC，用于溫度傳感器的AD轉(zhuǎn)換。

【5】數(shù)據(jù)處理與顯示：

使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和健康狀況判斷。通過IIC接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

【6】健康狀況判斷算法：

根據(jù)心電圖、呼吸和溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢和預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行簡單的健康狀況判斷。

四、代碼實(shí)現(xiàn)

4.1 采集代碼

ADS1292模塊，進(jìn)行3路模擬信號采集轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)代碼。

#include "stm32f10x.h" ? // 定義SPI接口引腳 #define ADS1292_SPI SPI1 #define ADS1292_CS_PIN GPIO_Pin_4 #define ADS1292_CS_PORT GPIOA ? // 定義命令字節(jié) #define ADS1292_CMD_SDATAC 0x11 // 停止連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸命令 #define ADS1292_CMD_RREG 0x20 // 讀寄存器命令 #define ADS1292_CMD_WREG 0x40 // 寫寄存器命令 #define ADS1292_CMD_START 0x08 // 啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換命令 ? // 函數(shù)聲明 void ADS1292_SPI_Config(void); void ADS1292_Start_Conversion(void); ? int main(void) { // 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO等 // ... ? // 配置ADS1292的SPI接口 ADS1292_SPI_Config(); ? // 啟動(dòng)ADS1292的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ADS1292_Start_Conversion(); ? // 定義讀取數(shù)據(jù)的命令字節(jié) #define ADS1292_CMD_RDATAC 0x10 ? // 定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小 #define BUFFER_SIZE 100 ? // 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) uint8_t dataBuffer[BUFFER_SIZE]; ? while (1) { // 啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ADS1292_Start_Conversion(); ? // 等待一段時(shí)間，確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成 // 這里可以根據(jù)具體情況調(diào)整延時(shí)時(shí)間 Delay(100); // 假設(shè)延時(shí)100毫秒 ? // 讀取采集到的數(shù)據(jù) GPIO_ResetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); SPI_SendData(ADS1292_SPI, ADS1292_CMD_RDATAC); while (SPI_I2S_GetFlagStatus(ADS1292_SPI, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) { SPI_SendData(ADS1292_SPI, 0xFF); // 發(fā)送一個(gè)無關(guān)的字節(jié)以觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(ADS1292_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); dataBuffer[i] = SPI_ReceiveData(ADS1292_SPI); // 讀取接收到的數(shù)據(jù) } GPIO_SetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); ? // 處理采集到的數(shù)據(jù) // ... ? // 循環(huán)進(jìn)行其他操作 // ... } } ? // 配置ADS1292的SPI接口 void ADS1292_SPI_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; ? // 使能SPI時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); ? // 配置CS引腳為推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADS1292_CS_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(ADS1292_CS_PORT, &GPIO_InitStructure); ? // 配置SPI引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); ? GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); ? // 配置SPI參數(shù) SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; SPI_Init(ADS1292_SPI, &SPI_InitStructure); ? // 使能SPI SPI_Cmd(ADS1292_SPI, ENABLE); } ? // 啟動(dòng)ADS1292的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 void ADS1292_Start_Conversion(void) { // 禁用ADS1292的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸模式 GPIO_ResetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); SPI_SendData(ADS1292_SPI, ADS1292_CMD_SDATAC); while (SPI_I2S_GetFlagStatus(ADS1292_SPI, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); GPIO_SetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); ? // 發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令 GPIO_ResetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); SPI_SendData(ADS1292_SPI, ADS1292_CMD_START); while (SPI_I2S_GetFlagStatus(ADS1292_SPI, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); GPIO_SetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN); } ?

代碼里調(diào)用ADS1292_Start_Conversion()函數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，等待一段時(shí)間確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。通過發(fā)送ADS1292_CMD_RDATAC命令并讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從ADS1292模塊中讀取采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)代碼

包含了基本的初始化、清屏、設(shè)置位置、顯示字符串、顯示數(shù)字和顯示浮點(diǎn)數(shù)等功能。

#include "stm32f10x.h" #include "delay.h" #include "i2c.h" ? #define OLED_ADDRESS 0x78 // OLED顯示屏的I2C地址 ? // OLED緩存數(shù)組（128x64像素，每個(gè)字節(jié)代表8個(gè)像素） unsigned char OLED_Buffer[128 * 8]; ? // 向OLED顯示屏發(fā)送命令 void OLED_WriteCmd(unsigned char cmd) { I2C_Start(); I2C_SendByte(OLED_ADDRESS); I2C_SendByte(0x00); // 發(fā)送命令標(biāo)志位 I2C_SendByte(cmd); I2C_Stop(); } ? // 向OLED顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù) void OLED_WriteData(unsigned char data) { I2C_Start(); I2C_SendByte(OLED_ADDRESS); I2C_SendByte(0x40); // 發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位 I2C_SendByte(data); I2C_Stop(); } ? // 初始化OLED顯示屏 void OLED_Init() { // 初始化I2C總線 I2C_Init(); // 初始化OLED顯示屏 OLED_WriteCmd(0xAE); // 關(guān)閉顯示 OLED_WriteCmd(0xD5); // 設(shè)置時(shí)鐘分頻因子 OLED_WriteCmd(0x80); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0xA8); // 設(shè)置驅(qū)動(dòng)路數(shù) OLED_WriteCmd(0x3F); // 1/64 驅(qū)動(dòng) OLED_WriteCmd(0xD3); // 設(shè)置顯示偏移 OLED_WriteCmd(0x00); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0x40); // 設(shè)置顯示開始行 OLED_WriteCmd(0x8D); // 設(shè)置電荷泵 OLED_WriteCmd(0x14); // 使能電荷泵 OLED_WriteCmd(0x20); // 設(shè)置內(nèi)存地址模式 OLED_WriteCmd(0x00); // 水平尋址模式 OLED_WriteCmd(0xA1); // 設(shè)置段重定義 OLED_WriteCmd(0xC8); // 設(shè)置COM掃描方向 OLED_WriteCmd(0xDA); // 設(shè)置COM硬件引腳配置 OLED_WriteCmd(0x12); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0x81); // 設(shè)置對比度控制 OLED_WriteCmd(0xCF); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0xD9); // 設(shè)置預(yù)充電周期 OLED_WriteCmd(0xF1); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0xDB); // 設(shè)置VCOMH Deselect Level OLED_WriteCmd(0x40); // 默認(rèn)值 OLED_WriteCmd(0xA4); // 設(shè)置全局顯示 OLED_WriteCmd(0xA6); // 設(shè)置顯示方式，默認(rèn)正常顯示 OLED_Clear(); // 清屏 OLED_WriteCmd(0xAF); // 打開顯示 } ? // 清屏 void OLED_Clear() { for (int i = 0; i < 8; i++) { OLED_WriteCmd(0xB0 + i); // 設(shè)置頁地址 for (int j = 0; j < 128; j++) { OLED_WriteCmd(0x00); // 清空數(shù)據(jù) OLED_Buffer[j + i * 128] = 0x00; } } } ? // 設(shè)置顯示位置 void OLED_SetPos(unsigned char row, unsigned char column) { OLED_WriteCmd(0xB0 + row); // 設(shè)置頁地址 OLED_WriteCmd(0x00 + (8 * column & 0x0F)); // 設(shè)置列低地址 OLED_WriteCmd(0x10 + ((8 * column >> 4) & 0x0F)); // 設(shè)置列高地址 } ? // 顯示字符串 void OLED_ShowString(const char* str) { while (*str) { for (int i = 0; i < 8; i++) { OLED_WriteData(font8x16[(*str - ' ')*16 + i]); // 顯示字體數(shù)據(jù) OLED_Buffer[column + row * 128] = font8x16[(*str - ' ')*16 + i]; // 更新緩存 column++; } str++; } } ? // 顯示數(shù)字 void OLED_ShowNum(int num, unsigned char digit) { char str[10]; sprintf(str, "%d", num); OLED_ShowString(str); } ? // 顯示浮點(diǎn)數(shù) void OLED_ShowFloat(float num, unsigned char decimal) { char str[10]; sprintf(str, "%.*f", decimal, num); OLED_ShowString(str); } ?

4.3 OLED顯示體溫、心率

#include "stm32f10x.h" #include "delay.h" #include "oled.h" ? // 定義體溫值和心率值 float temperature = 37.6; int heartRate = 90; ? int main(void) { // 初始化OLED顯示屏 OLED_Init(); // 清屏 OLED_Clear(); // 設(shè)置字體大小 OLED_SetFontSize(16); // 設(shè)置顯示位置 OLED_SetPos(0, 0); // 顯示體溫值 OLED_ShowString("Temperature: "); OLED_ShowFloat(temperature, 1); // 設(shè)置顯示位置 OLED_SetPos(2, 0); // 顯示心率值 OLED_ShowString("Heart Rate: "); OLED_ShowNum(heartRate, 0); while (1) { // 主循環(huán) } } ?

五、總結(jié)

本文章描述了生理監(jiān)測裝置整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)過程；通過采集心電圖、呼吸和溫度數(shù)據(jù)，并使用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示生理參數(shù)的功能。提出了健康狀況判斷和其他增強(qiáng)功能的設(shè)計(jì)思路。該裝置可以用于個(gè)人的健康監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等場景，具有一定的實(shí)用性和擴(kuò)展性。

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