卢妙婷 鄢艳红
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 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）01-0235-02
Abstract： This paper mainly introduces the software and hardware design of a non-invasive portable pulse oximeter. The measuring instrument uses STM32 single-chip microcomputer as the main control core， MAX30100 chip 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; STM32 single 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治疗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。
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MAX30100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。
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。
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：
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，找到相邻的两个峰值，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。
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。
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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[2] 李爱娟.基于血管容积变化的血氧饱和度检测系统设计[D].内蒙古：内蒙古大学，2012.
[3] 高遵伯.基于DSP的脉搏血氧饱和度测量仪的研制[D].长沙：国防科学技术大学，2002.
[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.
[6] 陈子晋，韩宇龙，许欣，等.基于AFE4400的动态心率和血氧监测仪[J].中国科技信息，2018（5）：62-63.
[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.
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