基于STM32设计的生理监测装置

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DS小龙哥 发表于 2023/09/19 08:51:19 2023/09/19
【摘要】 该生理监测装置主要用于个人健康管理和远程监护等应用场景。个人健康管理方面，用户可以通过这个装置了解自己的心电图、呼吸和体温等生理参数，及时发现异常情况并采取相应的措施，如调整生活习惯、咨询医生等。远程监护方面，装置可以将实时的生理参数数据传输到云端或其他设备，供医生或家属远程查看，以便及时干预和诊断。

一、项目功能要求

设计并制作一个生理监测装置，能够实时监测人体的心电图、呼吸和温度，并在LCD液晶显示屏上显示相关数据。

随着现代生活节奏的加快和环境的变化，人们对身体健康的关注程度越来越高。为了及时掌握自身的生理状况，进行健康管理和疾病预防，监测身体的生理参数成为一种重要的需求。因此，设计一个能够实时监测人体的心电图、呼吸和温度的生理监测装置具有重要的意义。

该生理监测装置主要用于个人健康管理和远程监护等应用场景。个人健康管理方面，用户可以通过这个装置了解自己的心电图、呼吸和体温等生理参数，及时发现异常情况并采取相应的措施，如调整生活习惯、咨询医生等。远程监护方面，装置可以将实时的生理参数数据传输到云端或其他设备，供医生或家属远程查看，以便及时干预和诊断。

与传统的生理监测设备相比，该装置具有以下优势：

  1. 实时性：装置能够实时监测和显示心电图、呼吸和温度等生理参数，用户可以随时了解自己的身体状况。
  2. 简便性：装置采用便携式设计，用户可以随身携带，方便随时监测。
  3. 实用功能：通过对采集到的数据进行分析和判断，装置可以提供简单的健康状况提示，帮助用户及时发现问题并采取措施。
  4. 扩展性：装置可以添加报警功能、存储功能和无线通信功能等增强功能，满足不同用户的需求。

这个生理监测装置的设计和制作有助于提高个人健康管理的水平，为用户提供及时、准确的生理参数信息，以便更好地保护身体健康。同时，它也可以为医生和家属提供远程监护的手段，帮助他们随时了解病人的生理状况。该装置在现代健康管理和医疗保健领域具有广阔的应用前景和市场潜力。

二、基本要求

【1】心电信号监测：

  • 采用PulseSensor传感器获取心电信号。
  • 进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号。
  • 使用STM32F103C8T6单片机进行数据处理。
  • 在LCD显示屏上显示心电图。

【2】呼吸信号监测：

  • 采用PulseSensor传感器获取呼吸信号。
  • 进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号。
  • 使用STM32F103C8T6单片机进行数据处理。
  • 在LCD显示屏上显示呼吸数据。

【3】温度监测：

  • 采用MT70传感器测量人体温度。
  • 进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号。
  • 使用STM32F103C8T6单片机进行数据处理。
  • 在LCD显示屏上显示温度数据，测量精度不大于0.10℃。

【4】人体健康状况判断：

  • 根据测量到的生理参数数据，进行简单的健康状况判断。
  • 使用STM32F103C8T6单片机进行数据分析与判断。

二、发挥部分

  1. 健康状况判断：

    • 分析心电图、呼吸和温度等数据，根据预设的阈值判断是否存在异常情况。
    • 在LCD显示屏上显示人体健康状况的简单提示信息。

  2. 其他增强功能：

    • 可以添加报警功能，当监测到异常情况时，通过声音或震动提醒用户。
    • 可以存储和记录历史数据，以便后续分析和参考。
    • 可以添加无线通信模块，将实时数据传输到其他设备或云端进行远程监测。

三、设计方案

【1】主控芯片：

  • 选择STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，具有足够的GPIO、ADC等功能，并可方便地集成硬件模块。

【2】显示屏：

  • 选择0.96寸IIC接口的OLED显示屏，具有高分辨率和低功耗的特点，适合用于显示监测数据。

【3】传感器：

  • 心电信号采集使用PulseSensor传感器输出。
  • 呼吸信号采集使用PulseSensor传感器输出。
  • 温度测量使用MT70传感器。

【4】AD转换：

  • 选择ADS1292作为心电信号和呼吸信号的AD转换芯片。
  • 在STM32F103C8T6单片机上配置ADC，用于温度传感器的AD转换。

【5】数据处理与显示：

  • 使用STM32F103C8T6单片机进行数据处理和健康状况判断。
  • 通过IIC接口将数据发送给OLED显示屏进行实时显示。

【6】健康状况判断算法：

  • 根据心电图、呼吸和温度数据的变化趋势和预设的阈值进行简单的健康状况判断。

四、代码实现

4.1 采集代码

ADS1292模块，进行3路模拟信号采集转换实现代码。

#include "stm32f10x.h"
​
// 定义SPI接口引脚
#define ADS1292_SPI       SPI1
#define ADS1292_CS_PIN    GPIO_Pin_4
#define ADS1292_CS_PORT   GPIOA
​
// 定义命令字节
#define ADS1292_CMD_SDATAC     0x11  // 停止连续数据传输命令
#define ADS1292_CMD_RREG       0x20  // 读寄存器命令
#define ADS1292_CMD_WREG       0x40  // 写寄存器命令
#define ADS1292_CMD_START      0x08  // 启动数据转换命令
​
// 函数声明
void ADS1292_SPI_Config(void);
void ADS1292_Start_Conversion(void);
​
int main(void)
{
  // 初始化系统时钟、GPIO等
  // ...
​
  // 配置ADS1292的SPI接口
  ADS1292_SPI_Config();
​
  // 启动ADS1292的数据转换
  ADS1292_Start_Conversion();
​
  // 定义读取数据的命令字节
#define ADS1292_CMD_RDATAC     0x10
​
// 定义数据缓冲区大小
#define BUFFER_SIZE  100
​
// 数据缓冲区
uint8_t dataBuffer[BUFFER_SIZE];
​
while (1)
{
  // 启动数据转换
  ADS1292_Start_Conversion();
​
  // 等待一段时间，确保数据转换完成
  // 这里可以根据具体情况调整延时时间
  Delay(100); // 假设延时100毫秒
​
  // 读取采集到的数据
  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); // 发送一个无关的字节以触发数据传输
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(ADS1292_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    dataBuffer[i] = SPI_ReceiveData(ADS1292_SPI); // 读取接收到的数据
  }
  GPIO_SetBits(ADS1292_CS_PORT, ADS1292_CS_PIN);
​
  // 处理采集到的数据
  // ...
​
  // 循环进行其他操作
  // ...
}
}
​
// 配置ADS1292的SPI接口
void ADS1292_SPI_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
​
  // 使能SPI时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
​
  // 配置CS引脚为推挽输出
  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引脚
  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参数
  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);
}
​
// 启动ADS1292的数据转换
void ADS1292_Start_Conversion(void)
{
  // 禁用ADS1292的连续数据传输模式
  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);
​
  // 发送启动转换命令
  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);
}
​

代码里调用ADS1292_Start_Conversion()函数启动数据转换，等待一段时间确保数据转换完成。通过发送ADS1292_CMD_RDATAC命令并读取数据缓冲区，从ADS1292模块中读取采集到的数据。

4.2 OLED显示屏驱动代码

包含了基本的初始化、清屏、设置位置、显示字符串、显示数字和显示浮点数等功能。

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "i2c.h"
​
#define OLED_ADDRESS 0x78 // OLED显示屏的I2C地址
​
// OLED缓存数组（128x64像素，每个字节代表8个像素）
unsigned char OLED_Buffer[128 * 8];
​
// 向OLED显示屏发送命令
void OLED_WriteCmd(unsigned char cmd) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(OLED_ADDRESS);
    I2C_SendByte(0x00); // 发送命令标志位
    I2C_SendByte(cmd);
    I2C_Stop();
}
​
// 向OLED显示屏发送数据
void OLED_WriteData(unsigned char data) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(OLED_ADDRESS);
    I2C_SendByte(0x40); // 发送数据标志位
    I2C_SendByte(data);
    I2C_Stop();
}
​
// 初始化OLED显示屏
void OLED_Init() {
    // 初始化I2C总线
    I2C_Init();
    
    // 初始化OLED显示屏
    OLED_WriteCmd(0xAE); // 关闭显示
    
    OLED_WriteCmd(0xD5); // 设置时钟分频因子
    OLED_WriteCmd(0x80); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0xA8); // 设置驱动路数
    OLED_WriteCmd(0x3F); // 1/64 驱动
    
    OLED_WriteCmd(0xD3); // 设置显示偏移
    OLED_WriteCmd(0x00); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0x40); // 设置显示开始行
    
    OLED_WriteCmd(0x8D); // 设置电荷泵
    OLED_WriteCmd(0x14); // 使能电荷泵
    
    OLED_WriteCmd(0x20); // 设置内存地址模式
    OLED_WriteCmd(0x00); // 水平寻址模式
    
    OLED_WriteCmd(0xA1); // 设置段重定义
    OLED_WriteCmd(0xC8); // 设置COM扫描方向
    
    OLED_WriteCmd(0xDA); // 设置COM硬件引脚配置
    OLED_WriteCmd(0x12); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0x81); // 设置对比度控制
    OLED_WriteCmd(0xCF); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0xD9); // 设置预充电周期
    OLED_WriteCmd(0xF1); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0xDB); // 设置VCOMH Deselect Level
    OLED_WriteCmd(0x40); // 默认值
    
    OLED_WriteCmd(0xA4); // 设置全局显示
    OLED_WriteCmd(0xA6); // 设置显示方式，默认正常显示
    
    OLED_Clear(); // 清屏
    
    OLED_WriteCmd(0xAF); // 打开显示
}
​
// 清屏
void OLED_Clear() {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        OLED_WriteCmd(0xB0 + i); // 设置页地址
        
        for (int j = 0; j < 128; j++) {
            OLED_WriteCmd(0x00); // 清空数据
            OLED_Buffer[j + i * 128] = 0x00;
        }
    }
}
​
// 设置显示位置
void OLED_SetPos(unsigned char row, unsigned char column) {
    OLED_WriteCmd(0xB0 + row); // 设置页地址
    OLED_WriteCmd(0x00 + (8 * column & 0x0F)); // 设置列低地址
    OLED_WriteCmd(0x10 + ((8 * column >> 4) & 0x0F)); // 设置列高地址
}
​
// 显示字符串
void OLED_ShowString(const char* str) {
    while (*str) {
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            OLED_WriteData(font8x16[(*str - ' ')*16 + i]); // 显示字体数据
            OLED_Buffer[column + row * 128] = font8x16[(*str - ' ')*16 + i]; // 更新缓存
            column++;
        }
        str++;
    }
}
​
// 显示数字
void OLED_ShowNum(int num, unsigned char digit) {
    char str[10];
    sprintf(str, "%d", num);
    OLED_ShowString(str);
}
​
// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(float num, unsigned char decimal) {
    char str[10];
    sprintf(str, "%.*f", decimal, num);
    OLED_ShowString(str);
}
​

4.3 OLED显示体温、心率

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "oled.h"
​
// 定义体温值和心率值
float temperature = 37.6;
int heartRate = 90;
​
int main(void) {
    // 初始化OLED显示屏
    OLED_Init();
    
    // 清屏
    OLED_Clear();
    
    // 设置字体大小
    OLED_SetFontSize(16);
    
    // 设置显示位置
    OLED_SetPos(0, 0);
    
    // 显示体温值
    OLED_ShowString("Temperature: ");
    OLED_ShowFloat(temperature, 1);
    
    // 设置显示位置
    OLED_SetPos(2, 0);
    
    // 显示心率值
    OLED_ShowString("Heart Rate: ");
    OLED_ShowNum(heartRate, 0);
    
    while (1) {
        // 主循环
    }
}
​

五、总结

本文章描述了生理监测装置整个项目的设计方案，设计过程；通过采集心电图、呼吸和温度数据，并使用STM32F103C8T6单片机进行数据处理和显示，实现了实时监测和显示生理参数的功能。提出了健康状况判断和其他增强功能的设计思路。该装置可以用于个人的健康监测和远程监护等场景，具有一定的实用性和扩展性。

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