一种智能型血氧检测仪设计与实现

2021-03-30罗志坚赵展飞马南丞

湖南工程学院学报（自然科学版） 2021年1期

黄峰，罗志坚，赵展飞，马南丞

（1.湖南工程学院电气与信息工程学院，湘潭411104；2.湖南康验医疗科技有限公司，长沙410011）

血氧检测仪主要用来检测血液中的血氧饱和度，如果人体血氧浓度低于94%，一般视为供氧不足.2019年末新冠肺炎疫情开始蔓延，至2020年8月初，全球确诊超过1800万人［1］.新冠肺炎死亡率高，体征指标典型表现有血氧浓度下降.为提高治愈率，患者需使用血氧检测仪实时监测血氧浓度.另外，血管疾病、呼吸系统疾病患者、老年人等大都需要血氧检测仪［2］，需求量不少.

血氧饱和度指标十分重要，如何科学准确测量是研究的重点，国内外医疗公司对血氧检测技术进行了专利布局［3］.文献［4］以MSP430单片机为开发平台，设计一种便携式无线脉搏血氧检测仪，采用新型的腕式血氧探头，用户佩戴和测量更加方便.文献［5］提出了一种以MSP430F5529为处理器，TI AFE4400为血氧模拟前端芯片的反射式脉搏血氧饱和度检测方案.文献［6］设计一种以MAX30102血氧饱和度和心率的集成芯片为传感器，nRF52832为微处理器的穿戴式血氧饱和度检测系统，具有准确性高的特点.

本文采用价格便宜、功能强大的STM 32单片机，设计实现一款智能型血氧检测仪，原理简单、测量结果准确，为新冠肺炎、心脑血管等疾病的早期筛查、预防干预提供科学有效的技术手段.

1 智能型血氧检测仪设计

1.1 检测原理

根据Beer-Lambert定律，不同波长红外光的吸光度变化率之比值R/IR与动脉血氧饱和度（SaO2）的函数关系为线性关系［7］.检测仪通过检测充血人体末梢组织，如手指或耳垂等部位的R/IR值计算动脉血氧饱和度（SaO2）.

1.2 硬件设计

硬件原理如图1所示，微控制器采用STM 32单片机，型号为STM 32F103C8T 6.硬件包括血氧模块、电源模块、按键模块、存储模块、语音模块等模块，以实现血氧饱和度检测、语音播报、LCD显示等功能.

图1 硬件原理图

（1）血氧模块

血氧模块采用MAX30102，如图2所示，VCC和GND分别接单片机的电源和地；SCL、SDA是标准IIC接口，内部已接上拉电阻；INT为中断引脚，低电平有效，可查询该引脚来判断MAX30102数据是否准备好.

图2 血氧模块

（2）电源电路

电源电路采用两个AMS1117-3V3稳压芯片，将外部输入的6 V电压稳压到3.3 V.配置四个电容对电源滤波使电压稳定，通过两个上拉电阻接入两个LED，作为指示灯，如图3所示.

图3 电源电路

（3）按键电路

将STM 32单片机3个GPIO端口连接到3个按键，构成按键电路，如图4所示.3个按键分别是开关、设置和记忆功能，其中开关按键控制系统电路通断，设置按键可设置单位和开关声音，记忆按键控制EEPROM数据的存储和显示.

图4 按键电路

（4）存储电路

将STM 32的两个引脚与EEPROM的时钟线和数据线相连构成存储电路，如图5所示.电路采用滤波电容稳定芯片电压.通过记忆按键实现数据的存储.

图5 存储电路

（5）蓝牙模块

采用低功耗HC-08蓝牙模块.通过调用微信小程序中蓝牙连接模块的API实现与手机的数据传输.

2 系统软件设计

包括嵌入式系统C语言程序设计和微信小程序设计.嵌入式系统编译平台为Keil.微信小程序采用腾讯官方的微信开发者工具.

（1）血氧检测模块

利用AT指令集向血氧模块发送开始测量、结束测量等指令.利用switch语句，将接收到的数据进行解析封装，再通过蓝牙发送解析后的数据，将血氧数据存储到flash上，通过记忆按键存储、显示血氧历史数据.

（2）按键检测模块

通过Key_Read按键检测函数，读取键值.函数中调用HAL_GPIO_ReadPin（）函数接口.利用3个if条件语句，循环检测是否有按键按下，利用key_num变量标记键值.

（3）微信小程序

微信小程序基于JavaScript、HTML两种语言以及CSS样式开发.血氧检测仪通过HC-08蓝牙和手机进行匹配，然后建立数据连接.微信小程序接收到数据，对数据进行处理，在软件界面进行显示.同时将数据保存到云数据库，便于异地查询和历史数据查询.软件流程图如图6所示，采用丰富的AT指令，减少项目开发的难度，有利于研发并投放市场.