计算机工程应用技术
本栏目责任编辑：梁
书
卢妙婷，鄢艳红
（广州中医药大学医学信息工程学院，广东广州510006）
摘要：主要介绍了一种无创便携式脉搏血氧饱和度测量仪的软硬件设计。该测量仪以STM32单片机为主控制核心，采用
MAX30100芯片为传感器，使用反射式方法对血氧饱和度进行测量，经过对比试验证明具有较好的准确性。关键词：脉搏；血氧饱和度；STM32单片机；MAX30100；无创测量中图分类号：TP39电磁线圈
递进式分配器文献标识码：A
文章编号：1009-3044(2021)01-0235-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
Design of Pulse Oximeter Based on STM32Single Chip Microcomputer LU Miao-ting,YAN Yan-hong
(Guangzhou University of Chinese Medicine School of Medical Information Engineering,Guangzhou 510006,China)Abstract:This paper mainly introduces the software and hardware design of a non-invasive portable pulse oximeter.The measuring instrument uses STM32single-chip microcomputer as the main control core,MAX30100chip as the sensor,and uses the reflective method to measure blood oxygen saturation,which is proved to have good accuracy by comparative test.
Key words:pulse;blood oxygen saturation;STM32single chip microcomputer;MAX30100;noninvasive measurement
1背景
脉搏和血氧饱和度是心脑血管疾病预防的两项重要生理指标，脉搏指标反映心血管系统的健康程度[1]。人体组织细胞维持正常新陈代谢的氧是通过血液循环系统输送的，血氧饱和度是反应血液中氧含量的主要参数，反映呼吸系统健康程度。随着人们对医疗保健和疾病预防的重视，家庭自我诊断和自我愈来愈成为医疗行为中不可或缺的一部分，因而检测生理参数的各类仪器也越来越成为家庭中不可或缺的工具[2]。本文设计一种无创便携式脉搏血氧饱和度测量仪，用于人们日常健康检测防护。
2总体设计方案
系统总体框图如图1所示。整个系统以单片机
STM32F103C8T6为核心板，MAX30100芯片作为光电传感器，同时设置了LCD1602显示屏用于显示检测者脉搏和血氧饱和度数值[3]。本系统包含两个主要模块：传感器模块电路设计和显示模块电路设计。
图1系统总体方框图
2.1传感器模块电路设计
MAX30100芯片集成了2个独立LED 驱动器、2个模拟数字转换器和数字存储器。其传感器芯片的各引脚描述如表1所示。芯片的SDA 、SCL 接口与STM32单片机I2C 接口PB6、PB7连接。由于MAX3010
0芯片的工作电压源范围为1.8V-3.3V，因而VDD 接口可直接与单片机的3.3V 接口相连，PGND 接口接地。传感器模块电路设计如图2所示。
表1MAX30100芯片引脚描述
引脚1、7、8、14
23456910111213
引脚名N.C.SCL SDA PGND R_DRV IR_DRV R_LED+IR_LED+V DD GND INT
功能悬空I 2C 时钟I 2C 数据
LED 驱动模块电源接地
红光驱动接口红外光驱动接口红光输出红外光输出电压源模拟接地中断输出
收稿日期：2020-09-19基金项目：广州中医药大学2019年“专创融合”课程建设项目（微机原理及应用）作者简介：鄢艳红（1975—），女，辽宁北镇人，通信作者，讲师，硕士，研究方向为微机测量与控制。
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Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第17卷第1期(2021年1月
)
攀藤网图2传感器模块电路设计
2.2显示模块电路设计
LCD1602是一款工业字符型的液晶显示器，能够同时显示
两行共32个字符。用于显示测量血氧饱和度值与脉搏的数据值。VSS 、BLK 端接地，VCC 、BLA 端直接连接5V 高电平，V0端连接电阻后接地，RS,R/W,EN 端接单片机的PC13,PC14,PC15接口,D0-D7端接单片机的A7-A0接口[4]。显示模块电路设计如图3
所示。
图3显示模块电路设计图
病历夹3软件设计
程序设计包括单片机数据主程序设计及脉搏、血氧饱和度数据处理程序两部分。主程序实现的功能为MAX30100传感器、LCD1602显示器的初始化，单片机的对MAX30100芯片采样的控制，以及最后LCD1602显示脉搏和血氧饱和度的数值。通过程序控制MAX30100芯片寄存器向单片机传输脉搏波信号，再根据脉搏和血氧饱和度的测量原理进行算法的编写，获得正确的脉搏和血氧饱和度数据，并显示在LCD1602液晶显示
屏上[5]
。程序的主流程设计如图4所示。3.1血氧算法程序设计
MAX30100芯片的定标函数为：
SpO 2=-45.060R 2+30.354R +94.845
在数据处理过程中，首先从MAX30100的FIFO 数据寄存
器中读出红光与红外光数据，使用MAX30100传感器中的波峰检测器得出精准的最小值波峰，用最大值波峰与最小值波峰即可检测到电信号交流部分和直流部分，联系上述R 值的定义式
子即可求得血氧值[6]
。3.2脉搏算法程序设计
脉搏计算依赖于MAX30100芯片的峰值检波器。计算脉搏需检测出一定采样时间的所有峰值，到相邻的两个峰值，求其间隔时间，即一个脉搏波周期的时间[7]。将采样时间内的所有间隔和加起来求平均数，得到峰值平均间隔时间，即发生一个脉搏波的平均时间，再用采样时间除以一个脉搏波的时长，
即得到脉搏数。
图4程序主流程
4系统测试结果
为确定测量仪的测量结果的准确程度，选用康尚指夹式血氧仪与本测量仪同时对同一受检者进行测试，康尚指夹式血氧仪所测量的数据作为测试实验的对照组数据。4.1脉搏和血氧饱和度测试结果
测试实验使用本次设计的测量仪为受测者进行测试，同时给受测者使用康尚指夹式血氧仪进行测试，将此次设计的测量仪检测脉搏、血氧饱和度数据作为实验组，康尚指夹式血氧仪所测量的脉搏、血氧饱和度数据作为对照组，两组数据对照结果如图5、图6
所示。
图5脉搏测量值对比图
（下转第239页）
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第17卷第1期(2021年1月)
配合不同的量程，安装使用方便、抗干扰能力强，更是让其受到大众的青睐。
3.3CO 2气敏传感器模块
二氧化碳传感器是用于检测二氧化碳浓度的机器。其用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线
穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer 定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。
本系统采用了MIX6010二氧化碳传感器是利用非散红外NDIR 原理对空气中二氧化碳浓度进行监测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，并且内置温度补偿。该传感器同时具备模拟输出，串口输出，PWM 等多种输出接口，可以单独校准，很方便的与用户进行产品的对接。MIX6010是一款紧凑型的智能小型二氧化碳传感器，将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计和精良电路设计紧密结合起来制作的高性能传感器。
3.4Zigbee 处理器模块
物联网中的传感器在布局的时候，一般采用的都是传统CDMA 或GSM 移动网络，但随之而来的或有运营费用高、规模大、短距离传输需求高等问题，因此，本系统采用Zigbee 自组网。因其具有智能、方便、易建设、低成本、低功耗和免费使用等特点，比较适合作为物联网中传感网的通信方式。并且Zig⁃bee 也已经广泛应用于数字家庭、智能交通、农业自动化等领域，技术也已经比较成熟。
系统Zigbee 网络节点采用TI 公司的CC2530芯片。C2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC ）解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。
火焰电视CC2530结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU ，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。其四种不同的闪存版CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。因其具有不同的
运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，并且其运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。3.5Crotex-A8网关处理器模块
总体结构中，本系统采用了ARM Crotex-A8控制板作为核心部分，负责控制网关的数据通信和信息、数据等的处理。Cor⁃tex-A8其处理器的速率在600MHz 到超过1GHz 的范围内的这一特性，能够满足那些工作在300mW 以下的功耗优化的移动设备和2000Dhrystone MIPS 的性能优化的消费类应用的需求。因此，本系统采用ARM Crotex-A8作为网关处理部分，能够保证花房内数据的及时传输以及花房内相关设备的及时控制。
4结论
本系统设计的方案，利用当下热门的物联网技术与家居生活跨界融合，不仅适用于管理盆栽较少的环境，也能管理盆栽较多的场合，操作简单，智能化程度较高，减少了人们对盆栽花卉的日常管理，能够让早出晚归的上班族轻轻松松养殖自己喜爱的植物，并且不需要每天亲自浇水施肥，在花房里就能够进行一系列自动化操作，还可以感知何时需要浇水施肥，并自动完成所感知到的任务，让现在繁忙
生活的人们体会到“云养花”的快乐。同时本系统对花卉盆栽的智慧照顾，减少了水资源、电力资源等的浪费，实现了资源的优化利用和科学性使用，符合可持续发展战略的要求。
参考文献:
[1]韩梦迪，刘明，王帅，等.基于物联网的花卉养护远程监控系统
设计[J].信息技术与网络安全,2019,38(7):93-96.
[2]李腾.基于crotex-A8嵌入式智能家居网关的设计与应用[D].邯郸：河北工程大学,2015.
[3]杨守建，李宏.一种简易的花房温湿度无线自动监控系统[J].黑龙江农业科学,2011(8):121-124.
[4]赵媛，杜坚，芦澍.基于ZigBee 的温室花房环境监测系统设计[J].现代电子技术,2011,34(11):37-39.
【通联编辑：代影】
（上接第236页
）图6血氧饱和度对比图
5结束语
本文设计了基于STM32单片机的脉搏血氧的测量仪，实现
了人体脉搏和血氧饱和度的测量。本文介绍了一种无创便携式脉搏血氧饱和度测量仪的软硬件设计，具有较好的准确性，
有一定的参考意义。
参考文献:
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的研制[J].中国医疗器械杂志,2019,43(5):345-347.
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[4]曾小辉.基于MSP430F169的便携式血氧仪的设计与实现[D].长沙：中南大学,2014.
[5]韩帅.血氧饱和度监测仪的设计与应用研究[D].天津：天津工业大学,2016.
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[7]刘俊微，庞春颖，徐伯鸾.光电脉搏血氧仪的设计与实现[J].激光与红外,2014,44(1):50-55.5460a
【通联编辑：谢媛媛】
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