多功能医疗健康手表（心率/体温/计步）C语言实现

一、系统概述

基于低功耗嵌入式系统，实现一款集心率测量、体温检测、计步功能于一体的医疗健康手表。核心采用STM32L051C8T6（Cortex-M0+，32MHz，超低功耗）为主控，搭配PPG心率传感器（MAX30102）、红外体温传感器（MLX90614）、三轴加速度计（ADXL345），通过I2C/SPI接口通信，结合信号滤波、特征提取算法实现健康数据监测，支持OLED显示、按键交互和低功耗续航（目标：7天续航）。

二、硬件设计

2.1 核心组件

模块 型号/参数 功能说明
主控 STM32L051C8T6（64KB Flash，8KB RAM） 传感器驱动、数据处理、低功耗管理、显示控制
心率传感器 MAX30102（I2C，红光+红外LED，PPG） 采集光电容积脉搏波信号，计算心率（BPM）
体温传感器 MLX90614（I2C，非接触红外） 测量体表温度（精度±0.5℃，范围32~42℃）
加速度计 ADXL345（I2C/SPI，±16g，13位分辨率） 检测三轴加速度，实现计步功能
显示模块 0.96寸OLED（I2C，SSD1306） 显示心率、体温、步数、电量等状态
电源 3.7V/200mAh锂电池+TP4056充电管理 供电与充电控制，支持低功耗模式

2.2 硬件连接

模块 引脚（STM32L051C8T6） 通信接口 说明
MAX30102 PB6（SCL）、PB7（SDA） I2C1 心率信号采集（PPG波形）
MLX90614 PB6（SCL）、PB7（SDA） I2C1 体温数据读取（目标温度）
ADXL345 PB10（SCL）、PB11（SDA） I2C2 三轴加速度采集（计步用）
OLED PB6（SCL）、PB7（SDA） I2C1 显示数据（共享I2C1总线）
按键 PA0（模式切换）、PA1（确认） GPIO 用户交互

三、软件设计（C语言+HAL库）

3.1 开发环境

  • IDE：STM32CubeIDE 1.13.0+

  • 库：STM32Cube_FW_L0_V1.12.0（HAL库，低功耗优化）

  • 工具链：GCC ARM Embedded

3.2 系统架构

graph TD A[主程序] --> B[低功耗管理] A --> C[传感器驱动] C --> D[心率模块（MAX30102）] C --> E[体温模块（MLX90614）] C --> F[计步模块（ADXL345）] A --> G[数据处理算法] G --> H[心率算法（PPG滤波+峰值检测）] G --> I[体温校准算法] G --> J[计步算法（加速度特征提取）] A --> K[显示与交互（OLED+按键）] A --> L[数据存储（EEPROM）]

3.3 核心代码实现

3.3.1 传感器驱动（I2C通信）

MAX30102心率传感器驱动

#include "max30102.h"
#include "i2c.h"

// 写寄存器
void MAX30102_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data) {
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MAX30102_ADDR, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);
}

// 读寄存器
uint8_t MAX30102_ReadReg(uint8_t reg) {
    uint8_t data;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MAX30102_ADDR, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);
    return data;
}

// 初始化（配置采样率、LED电流）
void MAX30102_Init(void) {
    MAX30102_WriteReg(REG_INTR_ENABLE_1, 0xC0);  // 使能FIFO满/新数据中断
    MAX30102_WriteReg(REG_FIFO_CONFIG, 0x4F);   // 采样率100Hz，FIFO水位16
    MAX30102_WriteReg(REG_MODE_CONFIG, 0x03);   // 心率模式（红光+红外）
    MAX30102_WriteReg(REG_SPO2_CONFIG, 0x27);   // 100Hz采样，100μs脉宽
    MAX30102_WriteReg(REG_LED1_PA, 0x24);      // 红光LED电流（7.2mA）
    MAX30102_WriteReg(REG_LED2_PA, 0x24);      // 红外LED电流（7.2mA）
}

ADXL345加速度计驱动（计步用）

#include "adxl345.h"
#include "i2c.h"

// 读取三轴加速度（单位：g，1g=9.8m/s²）
void ADXL345_ReadAccel(float *ax, float *ay, float *az) {
    uint8_t data[6];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2, ADXL345_ADDR, REG_DATAX0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 6, 100);
    *ax = (int16_t)(data[1]<<8 | data[0]) * 0.004f;  // 13位分辨率，±16g→4mg/LSB
    *ay = (int16_t)(data[3]<<8 | data[2]) * 0.004f;
    *az = (int16_t)(data[5]<<8 | data[4]) * 0.004f;
}

3.3.2 核心算法实现

（1）心率检测算法（PPG信号处理）

步骤：PPG波形采集→带通滤波（0.55Hz，对应30300BPM）→峰值检测→计算心率。

// 带通滤波（IIR滤波器，去除运动噪声）
#define FILTER_ORDER 2
float iir_filter(float x, float *x_history, float *y_history, float *a, float *b) {
    float y = 0;
    for (int i=0; i<FILTER_ORDER+1; i++) {
        y += b[i] * x_history[i];
        if (i>0) y -= a[i] * y_history[i-1];
    }
    // 更新历史数据
    for (int i=FILTER_ORDER; i>0; i--) x_history[i] = x_history[i-1];
    x_history[0] = x;
    for (int i=FILTER_ORDER-1; i>0; i--) y_history[i] = y_history[i-1];
    y_history[0] = y;
    return y;
}

// 心率计算（峰值检测法）
uint8_t calculate_heart_rate(float *ppg_data, uint16_t len) {
    float threshold = 0.3f;  // 峰值检测阈值（归一化后）
    uint8_t peaks = 0;
    for (uint16_t i=1; i<len-1; i++) {
        if (ppg_data[i] > ppg_data[i-1] && ppg_data[i] > ppg_data[i+1] && ppg_data[i] > threshold) {
            peaks++;
        }
    }
    return (peaks * 60) / (len / 100);  // 100Hz采样，len=100→1秒数据，心率=peaks*60
}
（2）计步算法（加速度特征提取）

步骤：三轴加速度合成→低通滤波（去除高频噪声）→检测步态特征（波峰+波谷，步频1~3Hz）→累计步数。

// 计步检测（基于加速度模值变化）
uint16_t step_count = 0;
float last_accel = 0;
uint32_t last_step_time = 0;

void detect_step(float ax, float ay, float az) {
    float accel = sqrtf(ax*ax + ay*ay + az*az);  // 合成加速度模值
    float delta = accel - last_accel;
    last_accel = accel;
    
    // 检测波峰（上升沿+阈值）
    if (delta > 0.3f && HAL_GetTick() - last_step_time > 300) {  // 步频<3Hz（300ms/步）
        step_count++;
        last_step_time = HAL_GetTick();
    }
}

3.3.3 主程序流程（低功耗设计）

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();  // 32MHz HSI
    MX_I2C1_Init();        // OLED+MAX30102+MLX90614
    MX_I2C2_Init();        // ADXL345
    MX_GPIO_Init();        // 按键+LED
    OLED_Init();           // 显示初始化
    
    // 传感器初始化
    MAX30102_Init();
    MLX90614_Init();
    ADXL345_Init();
    
    while (1) {
        // 1. 采集数据（每2秒一次，降低功耗）
        float heart_rate = read_heart_rate();  // 调用MAX30102+心率算法
        float temp = MLX90614_ReadTemp();     // 读取体温
        float ax, ay, az;
        ADXL345_ReadAccel(&ax, &ay, &az);
        detect_step(ax, ay, az);               // 计步
        
        // 2. 显示数据
        OLED_ShowHeartRate(heart_rate);
        OLED_ShowTemp(temp);
        OLED_ShowStep(step_count);
        
        // 3. 低功耗休眠（5秒，通过RTC闹钟唤醒）
        HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 5, RTC_WAKEUPCLOCK_CK_SPRE_16BITS);
        HAL_SuspendTick();
        HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
        SystemClock_Config();  // 唤醒后恢复时钟
        HAL_ResumeTick();
    }
}

参考代码 心率、体温测量并计步的多功能医疗健康手表 www.youwenfan.com/contentcnt/160724.html

四、关键问题与解决方案

4.1 心率测量抗干扰

  • 问题：运动导致PPG波形失真（运动伪影）。

  • 解决：

  • 硬件：MAX30102增加皮肤接触检测（IR反射强度）；

  • 软件：采用自适应滤波（如LMS算法），用加速度计数据补偿运动噪声。

4.2 计步精度优化

  • 问题：误检（如手臂摆动）或漏检（慢走）。

  • 解决：

  • 设定步频范围（0.53Hz）和**加速度变化阈值**（0.3g2g）；

  • 增加状态机（行走/静止/跑步），通过连续3个波峰确认一步。

4.3 低功耗设计

  • 问题：传感器和MCU功耗高，续航短。

  • 解决：

  • 传感器：非采集时进入休眠模式（如MAX30102的SHUTDOWN位）；

  • MCU：使用STOP模式（功耗<1μA），通过RTC或按键中断唤醒；

  • 显示：OLED采用间歇显示（每5秒刷新一次）。

五、测试与验证

  1. 心率测试：对比医用指夹式血氧仪，误差<5BPM（静息状态）；

  2. 体温测试：对比水银温度计，误差<0.3℃（额头测量）；

  3. 计步测试：模拟步行1公里（约1300步），误差<5%；

  4. 功耗测试：待机电流<2mA，续航>7天（200mAh电池）。

六、总结

通过多传感器融合和低功耗嵌入式开发，实现了心率、体温、计步三大核心功能。软件上采用信号滤波+特征提取算法保证数据精度，硬件上通过低功耗器件+休眠模式延长续航，可扩展至血压、血氧等更多健康指标监测。

posted @ 2026-04-07 16:56  anpijj  阅读(69)  评论(0)    收藏  举报