基于STM32 NUCLEO的心率检测仪设计

陈景霞 肖琳 路铭

摘 要：本文以STM32 NUCLEO开发板为核心，利用芯片内部的模数转换器将心率传感器测得的模拟心率信号转换成数字信号，并在OLED液晶屏上显示心率数据。为便于观察，主控板内部还将数据绘制成波形图显示于OLED屏。另外，系统应用串口通讯模块连接主控板和CPU，以达到对心率信号深入分析和处理的目的。

关键词：心率检测仪；STM32 NUCLEO；心率传感器；可穿戴设备

中图分类号：TP872 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0150-03

Design of Heart Rate Detector Based on STM32-NUCLEO

CHEN Jingxia，XIAO Lin，LU Ming

（Applied Science and Technology College，Beijing Union University，Beijing 100012，China）

Abstract：STM32 NUCLEO board was taken as the development core in this project，and then the heart rate signal measured by the heart rate sensor was converted into digital signal by using the analog-to-digital converter inside the chip. In order to observe the heart rate more intuitively，the collected data was displayed and plotted into waveforms on OLED LCD screen. In addition，the system uses serial communication module to connect the main control board and CPU，in order to achieve in-depth analysis and processing of heart rate signals.

Keywords：heart rate detector；STM32 NUCLEO；heart rate sensor；wearable device

0 引 言

经济的发展促进了人类物质生活的改善，思想状况的更新使得人们越来越多地关注自己的身体状况。心率作为人体的重要生理参数指标之一，在人的身体健康中扮演着重要角色。传统的检测方法需要病人前往医院或诊所进行专业检测，且仅能检测出某些时间段内的健康数据，不具备连续性和实时性。便携式穿戴智能产品的悄然兴起为心率实时监测提供了重要的硬件基础，同时可方便我们在疾病出现的初期及时治疗，减少多种疾病的发病率，为我们的生命健康提供了重要保障。

国外对心率检测技术的研究已经相当成熟，各项技术指标也已居世界前列，然而我国在此项技术上起步较晚，各项核心技术均需要从国外进口，这使得我们在心率检测方面的研究失去了主动权。本文针对目前国内外设备只可穿戴，数据分析不全面和不直观等缺点，在深入了解心率检测设备的研究情况和发展状况的基础上，将嵌入式技术、传感器技术以及信号处理技术相结合，提出了一种成本低、实用性强、便于携带的心率检测方案。

1 系统的总体设计方案

心率检测系统的主要模块包括：信号采集模块、信号的预处理模块、STM32 NUCLEO核心模块、电源模块、显示模块和串口通信模块，其构成如图1所示。其中预处理模块包含原始信号的电压转换、滤波和放大，该模块的功能主要使处理后的信号能够满足A/D转换对输入信号电压值的要求。

首先，信号采集模块中的心率传感器利用反射式光电原理感知到心率信号，信号预处理模块将获得的心率信号进行转换、滤波和放大，之后输入主控模块STM32F411 NUCLEO进行数据的分析和处理，串口通信模块可实现设备与电脑的串行通信，最后心率数据和相关波形通过显示模块直观地展示出来。

2 系统的硬件模块

2.1 STM32 NUCLEO

STM32F411 NUCLEO开发板包含了STM32F系列板卡惯有的机械按键、LED指示灯、Mini USB调试接口，众多I/O口外设通过排针座引出等功能，除此之外，还兼容Arduino Shield接口，并且可以通过Arduino Shield扩展接口给板卡供电，板卡搭载了STM32F401RET6核心微控制器，基于32位的高性能ARM Cortex-M4处理器，带FPU单元，最高能支持100MHz主频。

本系统采用NUCLEO-F411为核心处理单元，它具有运算处理快，内部外设资源丰富等特点，包含12位的ADC、多个16位、32位的定时计时器、UART串行通信收发器及大量的GPIO口。通过NUCLEO-F411可采集外部的模拟信号，并可驱动OLED液晶屏显示数据及绘制波形图等。

2.2 信号预处理模块

心脏的跳动能够产生脉搏，脉搏的跳动会引起透光率的变化，基于这一原理，传感器采集到的光信号形式的心率信号，必须转换成电信号才能进行后续的分析和运算。传感器采集心率信号转换成的电信号往往比较微弱，因此需要在预处理模块进行放大处理。另外，采集到的原始信号还需要进行降噪或去噪处理，以获得干扰较低的心率信号。

2.3 心率传感器

通过不同传感器的性能对比，本文选用发绿光的反射式光電脉搏传感器作为心率数据的采集模块。传感器的内部结构中不仅仅包含光电模块，还集成了信号处理模块。光电模块包括绿光LED和光接收器，信号处理模块包括滤波电路和放大电路。

传感器的工作原理：首先，发光LED发出绿色的光源，人体皮肤由于血液脉动会引起透光率的变化。接着，光接收器会根据采集到的变化的透光率转换成不同的心率数据，应用该传感器采集到的心率数据精确，且受外界干扰小。传感器输出的信号为模拟量，在采集时需进行A/D转换，才能成为供MCU分析处理的数字信号。经分析计算可获得脉搏值、心率值及相邻心拍时间等。

2.4 显示模块

为增强显示效果，系统采用OLED液晶屏为显示模块。OLED（Organic Light-Emitting Diode），有机发光二极管，又称为有机电激光显示。OLED具备构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

有机发光显示技术的原理是在显示屏表面涂一层非常薄的有机材料，并配置玻璃基板。当有电荷通过这些有机材料时就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，故厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。通过OLED显示屏，可将采集的数据输出到屏幕上，并可根据数据绘制出便于直接观察的波形图。

2.5 串口通信模块

串口通信，指串口按位发送和接受字节。对比并行通信而言，串口通信要慢一些，但由于串口是一步的，因此可使用一根线发送数据，而另一根线同时接收数据。串行接口接收来自CPU的并行数据，转换为连续的串行数据流发送出去。同时，可将接收到的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU器件。常用的RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于连接鼠标、打印机或者Modem，同时，也可以连接到工业仪器仪表。

本系统将采集到的心率数据通过串行通讯模块上传到电脑，借助软件可实现对脉搏波形和心率曲线的绘制，以便进行精确地分析和判读。

2.6 电源模块

除了5V的电源外，心率检测仪还需要3.3V的电源。因此，电源模块采用线性稳压器完成电源的转换。系统的电源模块采用AMS1117系列稳压管，它的优点是最小饱和压降小、最高输入电压低、输出端的成对电容可滤除电源干扰。

3 系统的软件流程

本系统以Keil uVision5版本为集成开发环境，应用C语言编写功能代码，通过OLED屏显示数据并更新的软件流程如图2所示。

4 结 论

本文设计了一种基于STM32 NUCLEO的心率检测仪。信号预处理模块可实现对心率数据的滤波、放大等前期处理，核心板STM32可将采集的数据和波形图显示于OLED液晶屏，也可与CPU通信进行深入分析和处理。该心率检测系统即可应用于智能可穿戴设备，也可为临床诊疗提供有价值的医学数据。

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作者简介：陈景霞（1979-），女，汉族，山西夏县人，讲师，硕士，研究方向：电子系统设计、无线传感器应用。