基于STM32的数据采集+心率检测仪设计

一、系统概述

基于STM32微控制器 ，结合光电传感技术 （MAX30102模块）与心电传感技术 （AD8232模块），实现无创心率检测 与有创心电采集 的双模式数据融合，支持实时显示、无线传输、云端存储 等功能，适用于便携式监护、远程医疗、运动健康等场景。

核心特点：

双模式检测：同时支持光电（指尖/手腕）与心电（胸部贴片）两种检测方式，覆盖不同用户需求；
高集成度：采用模块化设计，整合传感器、信号处理、控制、显示、通信于一体；
智能分析：内置心率变异性（HRV）分析算法，提供睡眠质量、压力水平等健康评估；
低功耗：采用STM32低功耗模式（Stop Mode），配合动态电源管理，续航时间＞72小时。

二、系统架构与硬件设计

1. 系统架构

I2C
ADC
I2C
UART
SPI
Wi-Fi ESP8266
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
光电传感器 MAX30102
STM32主控
心电传感器 AD8232
OLED显示
蓝牙模块 HC-05
SD卡存储
云平台 OneNET
电源管理 TP4056

2. 关键硬件组件

模块	型号/参数	功能
主控	STM32F103C8T6（72MHz，12位ADC）	信号采集、滤波、心率计算、控制外设
光电传感器	MAX30102（心率/血氧，I2C）	无创采集指尖/手腕心率信号
心电传感器	AD8232（仪表放大器，增益1000）	采集胸部心电信号（mV级）
显示	0.96寸OLED（128×64，I2C）	实时显示心率、血氧、心电波形
通信	HC-05（蓝牙，UART）/ESP8266（Wi-Fi）	无线传输数据至手机/云端
存储	MicroSD卡（SPI，8GB）	存储历史数据与异常事件
电源	锂电池（3.7V/500mAh）+TP4056	系统供电，支持充电与低功耗管理

3. 核心电路设计

（1）光电传感电路（MAX30102）

连接：SCL→PB10（I2C2），SDA→PB11（I2C2），INT→PA7（中断，低有效）；
配置：采用SpO2模式（同时采集红光与红外光），采样率100Hz，LED脉冲宽度400μs，增益设置为"高"（适应不同肤色）；
信号调理 ：内置环境光抑制 （ALS）与运动伪影抑制（MAP），输出数字信号（通过I2C读取）。

（2）心电传感电路（AD8232）

连接：OUTPUT→PA0（ADC1通道0），RA→右臂电极，LA→左臂电极，RL→右腿电极（参考地）；
配置：增益=1000（通过GAIN引脚设置），带宽=0.5-40Hz（内部带通滤波），输出偏置电压=0.5V（适配STM32 ADC输入范围）；
信号调理 ：采用三导联设计，减少肌电噪声（EMG）干扰，输出模拟信号（通过ADC采集）。

（3）电源管理电路

充电：采用TP4056锂电池充电芯片，支持5V USB充电，充电电流=500mA；
供电：采用AMS1117-3.3V稳压芯片，将锂电池电压（3.7V）转换为3.3V，供给所有模块；
低功耗 ：STM32进入Stop Mode（电流＜10μA），仅在采集数据时唤醒，延长续航时间。

三、软件设计（C语言实现）

1. 主程序流程

c 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "max30102.h"
#include "ad8232.h"
#include "oled.h"
#include "bluetooth.h"
#include "sd_card.h"
#include "algorithm.h"

// 系统状态
typedef struct {
  uint8_t mode;          // 0:光电模式, 1:心电模式
  uint8_t is_sampling;  // 采样标志
  float hr;              // 心率值（bpm）
  float spo2;            // 血氧饱和度（%）
  float ecg_signal[250];// 心电信号（250Hz×1s）
  uint8_t hr_valid;      // 心率有效标志
  uint8_t spo2_valid;    // 血氧有效标志
} SystemState;

int main(void) {
  // 1. 初始化硬件
  System_Init();         // 时钟、GPIO、中断
  MAX30102_Init();       // 光电传感器初始化（I2C2）
  AD8232_Init();         // 心电传感器初始化（ADC1）
  OLED_Init();           // OLED显示初始化（I2C1）
  Bluetooth_Init();      // 蓝牙初始化（UART1）
  SD_Card_Init();        // SD卡初始化（SPI1）
  Algorithm_Init();      // 心率/血氧算法初始化
  
  SystemState sys_state = {0};
  sys_state.mode = 0;    // 默认光电模式
  sys_state.is_sampling = 1;
  
  // 2. 主循环
  while (1) {
    if (sys_state.is_sampling) {
      // 2.1 采集数据（根据模式）
      if (sys_state.mode == 0) {
        // 光电模式：采集MAX30102数据
        MAX30102_Read_Data(&sys_state.hr, &sys_state.spo2, &sys_state.hr_valid, &sys_state.spo2_valid);
      } else {
        // 心电模式：采集AD8232数据（250Hz，1秒）
        AD8232_Read_Data(sys_state.ecg_signal, 250);
        // 心电心率计算（QRS波检测）
        sys_state.hr = Algorithm_ECG_HeartRate(sys_state.ecg_signal, 250);
        sys_state.hr_valid = 1;
      }
      
      // 2.2 显示数据
      OLED_Display_Data(sys_state.hr, sys_state.spo2, sys_state.ecg_signal, sys_state.mode);
      
      // 2.3 存储数据（SD卡）
      SD_Card_Save_Data(&sys_state);
      
      // 2.4 无线传输（蓝牙/ Wi-Fi）
      if (sys_state.hr_valid) {
        Bluetooth_Send_Data(sys_state.hr, sys_state.spo2);
        // ESP8266_Send_To_Cloud(sys_state.hr, sys_state.spo2); // 可选
      }
      
      // 2.5 低功耗管理（空闲时休眠）
      if (should_enter_sleep()) {
        Enter_Sleep_Mode(1000);  // 休眠1秒
      }
    }
  }
}

2. 关键模块实现

（1）光电传感器驱动（MAX30102）

c 复制代码

// MAX30102 I2C地址（写：0xAE，读：0xAF）
#define MAX30102_WRITE_ADDR 0xAE
#define MAX30102_READ_ADDR 0xAF

// 寄存器地址
#define REG_INTR_STATUS_1 0x00
#define REG_FIFO_DATA 0x07
#define REG_MODE_CONFIG 0x09
#define REG_SPO2_CONFIG 0x0A
#define REG_LED1_PA 0x0C
#define REG_LED2_PA 0x0D

// MAX30102初始化
void MAX30102_Init(void) {
  // 复位
  MAX30102_Write_Reg(REG_MODE_CONFIG, 0x40);
  HAL_Delay(100);
  
  // 配置模式：SpO2模式（红光+红外光）
  MAX30102_Write_Reg(REG_MODE_CONFIG, 0x03);
  
  // 配置SpO2：采样率100Hz，脉冲宽度400μs，ADC范围4096nA
  MAX30102_Write_Reg(REG_SPO2_CONFIG, 0x27);
  
  // 配置LED电流：红光7mA，红外光7mA
  MAX30102_Write_Reg(REG_LED1_PA, 0x24);
  MAX30102_Write_Reg(REG_LED2_PA, 0x24);
  
  // 使能中断：FIFO满中断
  MAX30102_Write_Reg(REG_INTR_ENABLE_1, 0x80);
}

// 读取MAX30102数据（心率/血氧）
void MAX30102_Read_Data(float *hr, float *spo2, uint8_t *hr_valid, uint8_t *spo2_valid) {
  uint8_t data[6];
  uint32_t red_value, ir_value;
  
  // 读取FIFO数据（6字节：红光3字节+红外光3字节）
  MAX30102_Read_Reg(REG_FIFO_DATA, data, 6);
  
  // 解析红光值（18位）
  red_value = (data[0] << 16) | (data[1] << 8) | data[2];
  red_value &= 0x03FFFF;  // 取低18位
  
  // 解析红外光值（18位）
  ir_value = (data[3] << 16) | (data[4] << 8) | data[5];
  ir_value &= 0x03FFFF;  // 取低18位
  
  // 计算心率与血氧（调用算法库）
  *hr = Algorithm_PPG_HeartRate(red_value, ir_value, hr_valid);
  *spo2 = Algorithm_PPG_SpO2(red_value, ir_value, spo2_valid);
}

（2）心电传感器驱动（AD8232）

c 复制代码

// AD8232 ADC配置（12位，250Hz）
void AD8232_Init(void) {
  ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  
  // 使能时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  
  // 配置PA0为模拟输入（ADC1通道0）
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  
  // 配置ADC1
  ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  // 单通道
  ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;  // 连续转换
  ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  // 软件触发
  ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
  ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
  
  // 配置ADC通道0（PA0），采样时间55.5 cycles
  ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
  
  // 使能ADC1
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
  
  // 校准ADC1
  ADC_ResetCalibration(ADC1);
  while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
  ADC_StartCalibration(ADC1);
  while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
  
  // 启动ADC转换
  ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

// 读取AD8232数据（250Hz，1秒）
void AD8232_Read_Data(float *ecg_signal, uint16_t len) {
  for (int i = 0; i < len; i++) {
    // 等待ADC转换完成
    while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
    
    // 读取ADC值（12位）
    uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
    
    // 转换为电压（0-3.3V）
    float voltage = (adc_value / 4095.0f) * 3.3f;
    
    // 去直流偏移（AD8232输出含0.5V偏置）
    ecg_signal[i] = voltage - 0.5f;
    
    // 启动下一次转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
  }
}

（3）心率/血氧算法（Algorithm.c）

c 复制代码

// 光电心率计算（PPG，峰值检测法）
float Algorithm_PPG_HeartRate(uint32_t red_value, uint32_t ir_value, uint8_t *valid) {
  #define THRESHOLD 0.5f  // 检测阈值（根据实际信号调整）
  #define MIN_INTERVAL 0.3f  // 最小RR间期（秒，对应200bpm）
  #define MAX_INTERVAL 2.0f  // 最大RR间期（秒，对应30bpm）
  
  static uint16_t peak_indices[10] = {0};  // 存储QRS波位置
  static uint8_t peak_count = 0;
  static float last_peak_time = 0;
  
  // 1. 寻找峰值（简单阈值法）
  if (ir_value > THRESHOLD && ir_value > red_value) {  // 红外光信号更强
    if (peak_count < 10) {
      peak_indices[peak_count++] = HAL_GetTick();  // 记录峰值时间（ms）
    }
  }
  
  // 2. 计算RR间期（秒）
  if (peak_count < 2) {
    *valid = 0;
    return 0.0f;
  }
  float rr_interval = (peak_indices[peak_count-1] - peak_indices[peak_count-2]) / 1000.0f;
  
  // 3. 验证RR间期（是否在合理范围）
  if (rr_interval < MIN_INTERVAL || rr_interval > MAX_INTERVAL) {
    *valid = 0;
    return 0.0f;
  }
  
  // 4. 计算心率（bpm=60/RR间期）
  float hr = 60.0f / rr_interval;
  *valid = 1;
  return hr;
}

// 心电心率计算（ECG，QRS波检测法）
float Algorithm_ECG_HeartRate(float *ecg_signal, uint16_t len) {
  #define QRS_THRESHOLD 0.8f  // QRS波阈值（根据实际信号调整）
  #define REFRACTORY_PERIOD 0.2f  //  refractory期（秒）
  
  static uint16_t last_peak_index = 0;
  static float last_peak_time = 0;
  float max_value = 0.0f;
  uint16_t max_index = 0;
  
  // 1. 寻找QRS波峰值（最大值法）
  for (int i = 1; i < len-1; i++) {
    if (ecg_signal[i] > ecg_signal[i-1] && ecg_signal[i] > ecg_signal[i+1] && ecg_signal[i] > QRS_THRESHOLD) {
      // 检查refractory期（避免重复检测）
      if ((i - last_peak_index) / 250.0f > REFRACTORY_PERIOD) {
        max_value = ecg_signal[i];
        max_index = i;
        last_peak_index = i;
      }
    }
  }
  
  // 2. 计算心率（bpm=60/ RR间期）
  if (max_index == 0) return 0.0f;
  float rr_interval = (max_index - last_peak_index) / 250.0f;  // 250Hz采样率
  float hr = 60.0f / rr_interval;
  
  // 3. 更新last_peak_time
  last_peak_time = max_index / 250.0f;
  
  return hr;
}

参考代码基于STM32的数据采集+心率检测仪 www.youwenfan.com/contentcss/160897.html

四、系统测试与优化

1. 测试指标

参数	指标	测试方法
心率测量误差	±3bpm（静息状态）	对比医用ECG仪测量结果
血氧测量误差	±2%（90-100% SpO2）	对比指夹式血氧仪测量结果
心电信号质量	信噪比＞20dB（0.5-40Hz）	输入标准心电信号（1mV@10Hz），测量输出
续航时间	＞72小时（连续采集）	锂电池（3.7V/500mAh）供电，测量电流
通信距离	＞10米（蓝牙）	空旷环境测试

2. 优化方向

抗干扰 ：采用屏蔽线 连接心电电极，STM32金属外壳接地，软件增加自适应滤波（如LMS算法）；
低功耗 ：采样间隙关闭ADC、OLED背光，STM32进入Stop Mode（电流＜10μA）；
算法优化 ：采用Pan-Tompkins算法（更精确的QRS波检测），提升心电心率测量精度；
数据存储：压缩心电数据（如差分编码），延长SD卡存储时间（＞30天）。

五、总结

本设计基于STM32实现了双模式心率检测 （光电+心电），整合了数据采集、信号处理、显示、通信 等功能，具备高集成度、低功耗、智能分析 等特点。系统可扩展为多参数健康监测仪 （如血压、血糖），为远程医疗、运动健康、老年护理等场景提供核心支撑。