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xiaoshen-372360 发表于 2026-1-30 23:14:24

《2025 DigiKey AI应用创意挑战赛》基于MAXREFDES117的脉搏血样测试仪

本帖最后由 xiaoshen-372360 于 2026-2-2 11:04 编辑

基于MAXREFDES117的脉搏血氧测试仪

一、项目概述1.1 项目背景    随着健康监测技术的普及和便携式医疗设备的快速发展，脉搏血氧饱和度（SpO₂）作为人体重要的生理指标，其实时、精准监测在家庭健康护理、运动健身、初级医疗诊断等场景中需求日益迫切。传统脉搏血氧测试仪存在体积庞大、功耗较高、续航能力不足、操作复杂等问题，难以满足用户便携式、长时间监测的需求。
基于此，本项目设计一款小型化、低功耗、高精度的脉搏血氧测试仪，采用MAXREFDES117脉搏血氧传感器作为核心检测部件，STM32F103CBT6单片机作为主控单元，集成BMS（电池管理系统）实现电源的稳定管理，搭配0.96寸液晶显示屏直观呈现监测数据，解决传统设备的痛点，为用户提供便捷、可靠的生理参数监测方案。

1.2 项目目标   1.核心功能：实现人体脉搏血氧饱和度（SpO₂）和脉搏速率（PR）的实时采集、计算与显示，测量精度满足日常健康监测要求（SpO₂误差≤±2%，PR误差≤±1bpm）。    2. 硬件架构：以STM32F103CBT6为主控，整合MAXREFDES117传感器、0.96寸液晶显示模块、BMS电池管理模块，实现各模块的稳定联动，设备体积小型化、便于携带。3.电源管理：通过BMS模块实现锂电池的充电管理、放电保护、电量监测，延长电池续航，确保设备连续工作时间不低于8小时，具备低电量报警功能。4. 显示功能：0.96寸液晶显示屏清晰显示SpO₂数值、脉搏速率、电池电量、监测状态，界面简洁、操作直观，支持数据实时刷新（刷新频率1次/秒）。5. 稳定性：设备在不同环境温度（0℃~40℃）、不同测试姿势下均能稳定工作，数据波动小，无明显失真，具备抗干扰能力。1.3 项目意义   本项目设计的脉搏血氧测试仪，兼具小型化、低功耗、高精度、易操作的特点，可广泛应用于家庭健康监测、户外探险、运动员生理监测等场景，为用户提供实时、便捷的健康参考数据。同时，项目采用成熟的传感器和主控芯片，成本可控、易于量产，具有一定的实用价值和市场潜力；此外，通过项目实践，可深入掌握嵌入式系统开发、传感器应用、电源管理等相关技术，为同类便携式医疗设备的设计提供参考。二、总体设计方案2.1 设计思路   本项目采用“模块化设计”理念，将整个系统划分为五大核心模块：主控模块、脉搏血氧采集模块、显示模块、电源管理（BMS）模块、辅助功能模块（按键、报警）。各模块独立设计、互不干扰，通过标准化接口与主控模块连接，便于调试、维护和后期升级。    核心工作流程：MAXREFDES117传感器采集人体指尖的光电容积脉搏信号（PPG），将模拟信号转换为数字信号后传输至STM32F103CBT6主控单元；主控单元对采集到的信号进行滤波、降噪、运算处理，计算出脉搏血氧饱和度（SpO₂）和脉搏速率（PR）；同时，BMS模块实时监测锂电池的电压、电流、电量状态，将相关信息传输至主控；主控单元将处理后的生理参数、电池状态信息同步显示在0.96寸液晶屏幕上；当检测到数据异常（如SpO₂低于90%、PR超出60~100bpm范围）或低电量时，触发报警功能提醒用户。2.2 总体架构图
2.3 核心器件选型依据器件选型遵循“性能匹配、低功耗、低成本、易采购”的原则，核心器件选型如下：

[*]
主控芯片：STM32F103CBT6，基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，内置64KB Flash、20KB SRAM，具备丰富的外设接口（I2C、SPI、UART、GPIO），低功耗模式支持待机电流≤10μA，可满足传感器数据处理、显示驱动、BMS通信等功能需求，且成本适中、资料丰富，便于开发。
[*]
脉搏血氧传感器：MAXREFDES117，是Maxim公司推出的集成式脉搏血氧参考设计模块，内置红光LED、红外光LED、光电探测器，支持I2C通信，测量范围SpO₂ 70%~100%，PR 30~250bpm，低功耗设计（工作电流≤10mA），体积小巧，可直接采集PPG信号并输出数字数据，无需额外设计信号调理电路，简化硬件设计。
[*]
显示模块：0.96寸OLED液晶显示屏（I2C接口），分辨率128×64，对比度高、亮度可调，功耗低（工作电流≤5mA），体积小巧，可清晰显示数字和简单图标，适合便携式设备，且接口简单、易于驱动。
[*]
BMS模块：采用TP4056充电管理芯片+DW01A电池保护芯片组合，支持锂电池恒流恒压充电，具备过充、过放、过流、短路保护功能，可实时监测电池电量，输出电量信号至主控，确保电池使用安全，延长电池使用寿命。
[*]
电源器件：3.7V 500mAh锂电池，体积小、容量适中，可满足设备连续工作8小时以上；AMS1117-3.3V稳压芯片，将锂电池电压转换为3.3V，为主控、传感器、显示屏等模块提供稳定供电。

3、软件系统设计3.1 软件设计思路    本项目软件采用“模块化编程”理念，基于Keil MDK5开发环境，使用C语言编写，以STM32F103CBT6的HAL库为基础，将软件划分为五大核心模块：主程序模块、传感器数据采集与处理模块、显示驱动模块、BMS电源管理模块、辅助功能模块（按键处理、报警处理）。各模块独立编写函数，通过函数调用实现各模块的联动，提高代码的可读性、可维护性和可移植性。
    软件总体工作流程：系统上电后，首先执行初始化程序（主控初始化、传感器初始化、显示初始化、BMS初始化、GPIO初始化、ADC初始化）；初始化完成后，系统进入待机状态，等待用户按下开机按键；用户按下开机按键后，系统启动，MAXREFDES117传感器开始采集PPG信号，主控单元对信号进行处理，计算出SpO₂和PR数值；同时，BMS模块实时监测电池状态，采集电池电压，计算剩余电量；主控单元将SpO₂、PR、电池电量、监测状态等信息传输至显示模块，同步显示；系统持续循环采集、处理、显示数据，同时检测按键操作和异常情况，当检测到关机按键、数据异常或低电量时，执行相应的处理函数（关机、报警）。
3.2 软件流程


3.3 代码设计
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"
#include "maxrefdes117.h"
#include "oled.h"

// 定义脉搏血氧数据全局变量
PulseOximeter_DataDef pox_device;

void SystemClock_Config(void);

int main(void) {
// 1. 系统初始化
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_ADC1_Init();
OLED_Init();// OLED初始化（若无需显示，可注释）

// 2. MAXREFDES117传感器初始化
if (MAXREFDES117_Init() != HAL_OK) {
    OLED_ShowString(0, 0, "Sensor Init Fail!");
    while (1);
}

// 3. 初始化数据结构体
memset(&pox_device, 0, sizeof(PulseOximeter_DataDef));
pox_device.spo2 = 95;
pox_device.pr = 75;

// 4. 主循环（100ms/次，实时更新数据）
while (1) {
    // 采集并处理脉搏血氧数据
    MAXREFDES117_ProcessData(&pox_device);
   
    // 采集电池电量
    MAXREFDES117_ReadBattery(&pox_device);
   
    // 异常检测与报警
    MAXREFDES117_AlarmCheck(&pox_device);
   
    // OLED显示数据（简易界面，若无需显示可注释）
    char buf;
    OLED_Clear();
    sprintf(buf, "SpO2: %d %%", pox_device.spo2);
    OLED_ShowString(0, 0, buf);
    sprintf(buf, "PR: %d bpm", pox_device.pr);
    OLED_ShowString(0, 2, buf);
    sprintf(buf, "Battery: %d %%", pox_device.battery);
    OLED_ShowString(0, 4, buf);
   
    // 延时控制循环频率
    HAL_Delay(100);
}
}

核心代码如下
#include "maxrefdes117.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

/************************ 静态全局变量 ************************/
// 滑动平均滤波缓存（窗口大小5）
static uint16_t red_buf = {0};
static uint16_t ir_buf = {0};
static uint8_tbuf_index = 0;

// 脉搏波峰值检测相关变量
static uint16_t ir_peak = 0;
static uint16_t ir_valley = 65535;
static uint32_t pr_timer = 0;
static uint16_t pr_count = 0;

/************************ 传感器初始化 ************************/
HAL_StatusTypeDef MAXREFDES117_Init(void) {
uint8_t tx_data;
HAL_StatusTypeDef ret;

// 配置寄存器写入：先写寄存器地址，再写配置值（16位，大端模式）
tx_data = MAXREFDES117_REG_CONFIG;
tx_data = (MAXREFDES117_CONFIG_VAL >> 8) & 0xFF;// 高8位
tx_data = MAXREFDES117_CONFIG_VAL & 0xFF;         // 低8位

// I2C发送数据（地址+配置值）
ret = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, MAXREFDES117_I2C_ADDR, tx_data, 3, 100);

if (ret != HAL_OK) {
    return HAL_ERROR;
}

// 延时等待传感器稳定
HAL_Delay(100);
return HAL_OK;
}

/************************ 读取原始红光/红外光数据 ************************/
HAL_StatusTypeDef MAXREFDES117_ReadRawData(uint16_t *red, uint16_t *ir) {
uint8_t rx_data;
HAL_StatusTypeDef ret;

// 1. 发送要读取的寄存器地址（红光寄存器）
uint8_t reg_addr = MAXREFDES117_REG_RED;
ret = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, MAXREFDES117_I2C_ADDR, &reg_addr, 1, 100);
if (ret != HAL_OK) {
    return HAL_ERROR;
}

// 2. 读取4个字节数据（红光2字节+红外光2字节，大端模式）
ret = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, MAXREFDES117_I2C_ADDR, rx_data, 4, 100);
if (ret != HAL_OK) {
    return HAL_ERROR;
}

// 3. 转换为16位数据（大端转小端）
*red = (uint16_t)rx_data << 8 | rx_data;
*ir= (uint16_t)rx_data << 8 | rx_data;

return HAL_OK;
}

/************************ 滑动平均滤波函数（内部辅助） ************************/
static uint16_t MAXREFDES117_SlidingFilter(uint16_t *buf, uint16_t new_data) {
uint32_t sum = 0;

// 替换缓存中最旧的数据
buf = new_data;
buf_index = (buf_index + 1) % 5;// 循环索引

// 计算缓存平均值
for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
    sum += buf;
}

return (uint16_t)(sum / 5);
}

/************************ 核心数据处理（SpO₂+PR计算） ************************/
void MAXREFDES117_ProcessData(PulseOximeter_DataDef *pox_data) {
uint16_t red_filtered, ir_filtered;
float red_ac, ir_ac;
float spo2_ratio;

// 1. 读取原始数据
if (MAXREFDES117_ReadRawData(&pox_data->red_data, &pox_data->ir_data) != HAL_OK) {
    pox_data->status = 2;// 数据读取失败，标记异常
    return;
}

// 2. 滑动平均滤波，消除随机噪声
red_filtered = MAXREFDES117_SlidingFilter(red_buf, pox_data->red_data);
ir_filtered = MAXREFDES117_SlidingFilter(ir_buf, pox_data->ir_data);

// 3. 提取交流分量（AC）= 滤波后数据 - 直流分量（DC，取缓存平均值近似）
red_ac = red_filtered - (float)(red_filtered * 0.95);// 简化DC提取（95%为基线）
ir_ac = ir_filtered - (float)(ir_filtered * 0.95);

// 4. 计算SpO₂（基于MAXIM官方简化算法）
if (ir_ac != 0) {
    spo2_ratio = red_ac / ir_ac;
    pox_data->spo2 = (uint8_t)(110 - 25 * spo2_ratio);// 简化公式，实际需校准
   
    // 限幅：确保SpO₂在70~100%范围内
    if (pox_data->spo2 > 100) pox_data->spo2 = 100;
    if (pox_data->spo2 < 70) pox_data->spo2 = 70;
} else {
    pox_data->spo2 = 95;// 无有效信号，默认正常值
}

// 5. 计算PR（脉搏率，通过红外光波形峰值检测）
pr_timer++;// 配合主循环延时，累计计时（主循环100ms/次，pr_timer=10对应1秒）

// 更新峰值和谷值
if (ir_filtered > ir_peak) ir_peak = ir_filtered;
if (ir_filtered < ir_valley) ir_valley = ir_filtered;

// 检测峰值（波形下降沿，且超过阈值）
static uint16_t ir_prev = 0;
if (ir_prev > ir_filtered && ir_prev > (ir_valley + (ir_peak - ir_valley) * 0.7)) {
    pr_count++;// 检测到一个脉搏峰值，计数+1
    ir_peak = ir_valley = ir_filtered;// 重置峰值谷值，准备下一次检测
}
ir_prev = ir_filtered;

// 每100次主循环（10秒）计算一次PR
if (pr_timer >= 100) {
    pox_data->pr = pr_count * 6;// 10秒计数 * 6 = 每分钟脉搏数（bpm）
   
    // 限幅：确保PR在30~250bpm范围内
    if (pox_data->pr > 250) pox_data->pr = 250;
    if (pox_data->pr < 30) pox_data->pr = 30;
   
    // 重置计时和计数
    pr_timer = 0;
    pr_count = 0;
}
}

/************************ 电池电量采集与计算 ************************/
void MAXREFDES117_ReadBattery(PulseOximeter_DataDef *pox_data) {
uint32_t adc_val = 0;
float bat_voltage, adc_voltage;

// 1. ADC多次采样求平均（减少误差）
for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
    adc_val += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}
adc_val /= 10;

// 2. 换算ADC电压（3.3V参考电压，12位ADC）
adc_voltage = (float)adc_val * 3.3f / 4095.0f;

// 3. 换算锂电池实际电压（分压比：10K+2.2K，即5.545倍）
bat_voltage = adc_voltage * 5.545f;

// 4. 电压转电量百分比（基于3.7V锂电池放电曲线）
if (bat_voltage >= 4.2f) {
    pox_data->battery = 100;
} else if (bat_voltage >= 4.1f) {
    pox_data->battery = 90;
} else if (bat_voltage >= 4.0f) {
    pox_data->battery = 70;
} else if (bat_voltage >= 3.9f) {
    pox_data->battery = 50;
} else if (bat_voltage >= 3.8f) {
    pox_data->battery = 30;
} else if (bat_voltage >= 3.7f) {
    pox_data->battery = 10;
} else if (bat_voltage >= 3.0f) {
    pox_data->battery = 5;
    pox_data->status = 1;// 标记低电量
} else {
    pox_data->battery = 0;
    pox_data->status = 1;// 标记低电量
}
}

/************************ 异常检测与报警驱动 ************************/
void MAXREFDES117_AlarmCheck(PulseOximeter_DataDef *pox_data) {
// 1. 数据异常检测（SpO₂<90% 或 PR<60/PR>100）
if (pox_data->spo2 < 90 || pox_data->pr < 60 || pox_data->pr > 100) {
    pox_data->status = 2;
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);// 蜂鸣器报警（高电平导通）
}
// 2. 低电量报警
else if (pox_data->status == 1) {
    // 间歇报警（每1秒响一次）
    if (HAL_GetTick() % 1000 < 500) {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
    } else {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
    }
}
// 3. 正常状态，关闭报警
else {
    pox_data->status = 0;
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
}
}初始化代码
#ifndef __MAXREFDES117_H
#define __MAXREFDES117_H

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "oled.h"// 若无需OLED，可注释相关内容
#include "adc.h"

/************************ MAXREFDES117 配置 ************************/
// I2C从地址（ADDR引脚接地，默认0x57，左移1位适配HAL库I2C接口）
#define MAXREFDES117_I2C_ADDR    0x57 << 1

// 寄存器地址定义
#define MAXREFDES117_REG_RED   0x00// 红光数据寄存器（16位）
#define MAXREFDES117_REG_IR      0x02// 红外光数据寄存器（16位）
#define MAXREFDES117_REG_CONFIG0x04// 配置寄存器
#define MAXREFDES117_REG_STATUS0x06// 状态寄存器

// 配置寄存器参数（中等亮度、10Hz采集率、16位ADC分辨率）
#define MAXREFDES117_CONFIG_VAL0x0200

/************************ 数据结构定义 ************************/
// 脉搏血氧数据结构体
typedef struct {
uint16_t red_data;    // 红光原始数据
uint16_t ir_data;   // 红外光原始数据
uint8_tspo2;      // 血氧饱和度（70~100%）
uint16_t pr;          // 脉搏率（30~250bpm）
uint8_tbattery;   // 电池电量（0~100%）
uint8_tstatus;      // 设备状态：0-正常，1-低电量，2-数据异常
} PulseOximeter_DataDef;

/************************ 外部函数声明 ************************/
// 初始化MAXREFDES117传感器
HAL_StatusTypeDef MAXREFDES117_Init(void);

// 读取红光/红外光原始数据
HAL_StatusTypeDef MAXREFDES117_ReadRawData(uint16_t *red, uint16_t *ir);

// 数据处理：滤波、计算SpO₂和PR
void MAXREFDES117_ProcessData(PulseOximeter_DataDef *pox_data);

// 电池电量采集与计算
void MAXREFDES117_ReadBattery(PulseOximeter_DataDef *pox_data);

// 异常检测与报警
void MAXREFDES117_AlarmCheck(PulseOximeter_DataDef *pox_data);

#endif



总结
   这个项目其实做了很久，自己调试软件也是比较久，目前已知在出差，照片比较少，只有将代码发上来，整个设计还是比较简单，但是对于最初的血样设计还是可以做一个参考的，非常感谢与非网和得捷的大力支持，希望与非网越办越好！

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