一、系统概述与核心功能

1. 系统定位

基于STM32的便携式心率检测仪，通过MAX30102光电传感器采集人体脉搏波信号（PPG），利用STM32内置ADC采集模拟心电/压力信号，结合数字滤波算法与峰值检测算法实时计算心率值（BPM）。系统支持蓝牙数据上传与OLED实时显示，可作为医疗辅助设备或运动健康监测终端。

2. 核心功能模块

模块	功能描述	技术指标
信号采集	MAX30102采集脉搏波（红光+红外），ADS1015采集模拟心电信号	采样率100Hz，分辨率16位
数据处理	数字滤波（带通+陷波）、峰值检测、心率计算、运动伪影消除	心率误差±3BPM，响应时间<3秒
人机交互	OLED显示实时心率、波形滚动、电池电量；按键控制测量启停	128×64分辨率，I2C接口
数据通信	蓝牙BLE上传原始数据/心率值至上位机/手机APP	传输距离10m，波特率115200
低功耗设计	动态采样率调整，无操作时自动休眠，锂电池续航>48小时	待机电流<50μA

二、硬件设计方案

1. 核心硬件选型

模块	型号	关键参数	接口方式
主控MCU	STM32L432KC	80MHz Cortex-M4，超低功耗，256KB Flash，支持DSP指令	核心控制器
心率传感器	MAX30102	集成红光(660nm)+红外(880nm)LED，16位ADC，I2C接口	I2C1（PB6/PB7）
模拟采集	ADS1015	12位ADC，4通道，I2C接口，支持可编程增益	I2C1（复用总线）
显示模块	OLED 12864	0.96寸，128×64像素，自发光，I2C接口	I2C1（地址0x3C）
蓝牙模块	JDY-08（BLE4.0）	超低功耗，透传模式，支持AT指令配置	UART1（PA9/PA10）
电源管理	MCP73831+TPS61099	锂电池充电管理+高效升压，200mAh锂电池	3.3V系统供电
交互模块	触摸按键+振动马达	单按键控制，振动马达反馈异常心率	GPIO（PA0/PA1）

2. 硬件电路设计要点

2.1 信号采集电路

MAX30102电路：
- VDD → 3.3V（并联0.1μF+10μF电容）
- SDA/SCL → PB6/PB7（4.7kΩ上拉）
- INT → PA2（中断引脚，数据就绪唤醒）
- LED引脚 → 外接100nF电容稳定电流

ADS1015电路（可选模拟心电）：
- AIN0 → 心电电极输入（通过仪表放大器AD620）
- AIN1 → 压力传感器输入
- ADDR → GND（I2C地址0x48）

2.2 抗干扰设计

• 电源隔离：模拟电源（AVDD）与数字电源（DVDD）通过磁珠隔离
• 信号屏蔽：MAX30102加装黑色硅胶遮光罩，避免环境光干扰
• 电极设计：心电采集使用银/氯化银电极，降低接触阻抗
• PCB布局：模拟信号线远离数字线，大面积铺地减少EMI

3. 传感器佩戴方案

手指佩戴式：
┌─────────────┐
│  MAX30102   │ ← 食指指尖（指甲面朝下）
│  [传感器]   │
└──────┬──────┘
       │
   FPC软排线（10cm）
       │
┌──────▼──────┐
│ STM32主控板 │
│  OLED显示   │
└─────────────┘

手腕佩戴式（可选）：
- 集成在手表表带中
- MAX30102朝向手腕内侧
- 松紧度可调节魔术贴

三、软件设计与核心算法

1. 系统架构（FreeRTOS多任务）

采用FreeRTOS实时操作系统，划分6个核心任务：

任务	优先级	功能	周期
信号采集	5（最高）	MAX30102数据读取，ADS1015采样	10ms
数字滤波	4	带通滤波(0.5-3Hz)、50Hz陷波、去基线漂移	事件触发
峰值检测	4	PPG波形峰值识别，RR间期计算	事件触发
心率计算	3	BPM计算，数据平滑，异常值剔除	1s
显示更新	2	OLED波形滚动显示，心率数值更新	100ms
蓝牙传输	2	数据包封装，蓝牙透传发送	500ms

2. 核心算法实现（基于HAL库）

2.1 MAX30102驱动与数据采集

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

// MAX30102寄存器定义
#define MAX30102_INT_STATUS  0x00
#define MAX30102_FIFO_WR_PTR 0x04
#define MAX30102_FIFO_DATA   0x07
#define MAX30102_MODE_CONFIG 0x09
#define MAX30102_SPO2_CONFIG 0x0A
#define MAX30102_LED_CONFIG  0x0C

// 全局变量
uint32_t red_buffer[100];   // 红光数据缓冲区
uint32_t ir_buffer[100];    // 红外数据缓冲区
uint8_t buffer_index = 0;

// MAX30102初始化
uint8_t MAX30102_Init(void) {
    uint8_t part_id;
    
    // 读取器件ID
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x57<<1, 0xFF, 1, &part_id, 1, 100);
    if (part_id != 0x15) return 1;  // 器件ID错误
    
    // 复位器件
    MAX30102_WriteReg(MAX30102_MODE_CONFIG, 0x40);
    HAL_Delay(100);
    
    // 配置SpO2模式，100Hz采样率
    MAX30102_WriteReg(MAX30102_MODE_CONFIG, 0x03);  // SpO2模式
    MAX30102_WriteReg(MAX30102_SPO2_CONFIG, 0x27); // 100Hz，411μs脉冲
    MAX30102_WriteReg(MAX30102_LED_CONFIG, 0x24);  // 红光/红外LED电流7.6mA
    
    return 0;
}

// 读取FIFO数据
void MAX30102_ReadFIFO(uint32_t *red, uint32_t *ir) {
    uint8_t fifo_data[6];
    
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x57<<1, MAX30102_FIFO_DATA, 1, fifo_data, 6, 100);
    
    *red = ((uint32_t)fifo_data[0] << 16) | ((uint32_t)fifo_data[1] << 8) | fifo_data[2];
    *ir  = ((uint32_t)fifo_data[3] << 16) | ((uint32_t)fifo_data[4] << 8) | fifo_data[5];
    
    // 取低18位有效数据
    *red &= 0x3FFFF;
    *ir  &= 0x3FFFF;
}

2.2 数字滤波算法（关键！）

#include "digital_filter.h"

// 带通滤波器系数（0.5-3Hz，对应30-180BPM）
typedef struct {
    float b[3];  // 分子系数
    float a[3];  // 分母系数
    float x[3];  // 输入历史
    float y[3];  // 输出历史
} BandpassFilter_t;

BandpassFilter_t bp_filter;

// 初始化带通滤波器（Fs=100Hz，Fc1=0.5Hz，Fc2=3Hz）
void Bandpass_Init(void) {
    // 二阶带通滤波器系数（双线性变换法设计）
    bp_filter.b[0] = 0.0976f;
    bp_filter.b[1] = 0.0f;
    bp_filter.b[2] = -0.0976f;
    bp_filter.a[0] = 1.0f;
    bp_filter.a[1] = -1.7955f;
    bp_filter.a[2] = 0.8045f;
    
    // 清空历史数据
    memset(&bp_filter.x, 0, sizeof(bp_filter.x));
    memset(&bp_filter.y, 0, sizeof(bp_filter.y));
}

// 50Hz陷波滤波器（去除工频干扰）
float Notch50Hz_Filter(float input) {
    static float x1=0, x2=0, y1=0, y2=0;
    float output;
    
    output = 0.9317f*input - 1.8634f*x1 + 0.9317f*x2 + 1.8634f*y1 - 0.8692f*y2;
    
    x2 = x1; x1 = input;
    y2 = y1; y1 = output;
    
    return output;
}

// 执行带通滤波
float Bandpass_Filter(float input) {
    float output;
    
    // 移位历史数据
    bp_filter.x[2] = bp_filter.x[1];
    bp_filter.x[1] = bp_filter.x[0];
    bp_filter.x[0] = input;
    
    bp_filter.y[2] = bp_filter.y[1];
    bp_filter.y[1] = bp_filter.y[0];
    
    // 差分方程计算
    output = bp_filter.b[0]*bp_filter.x[0] + bp_filter.b[1]*bp_filter.x[1] + 
             bp_filter.b[2]*bp_filter.x[2] - bp_filter.a[1]*bp_filter.y[1] - 
             bp_filter.a[2]*bp_filter.y[2];
    
    bp_filter.y[0] = output;
    return output;
}

2.3 峰值检测与心率计算

#include "heart_rate_algorithm.h"

// 峰值检测结构体
typedef struct {
    float threshold;       // 动态阈值
    uint32_t peak_interval; // 峰值间隔（采样点数）
    uint8_t peak_detected; // 峰值检测标志
    uint32_t last_peak_time; // 上次峰值时间
    uint32_t rr_intervals[10]; // RR间期数组
    uint8_t rr_index;        // RR间期索引
} PeakDetector_t;

PeakDetector_t peak_detector;

// 初始化峰值检测器
void PeakDetector_Init(void) {
    peak_detector.threshold = 0.5f;  // 初始阈值
    peak_detector.peak_interval = 0;
    peak_detector.peak_detected = 0;
    peak_detector.last_peak_time = 0;
    peak_detector.rr_index = 0;
    memset(&peak_detector.rr_intervals, 0, sizeof(peak_detector.rr_intervals));
}

// 峰值检测算法
uint8_t Detect_Peak(float filtered_signal) {
    static uint8_t above_threshold = 0;
    uint8_t peak_found = 0;
    
    // 动态阈值更新（自适应）
    if (filtered_signal > peak_detector.threshold) {
        if (!above_threshold) {
            above_threshold = 1;
            peak_detector.peak_detected = 1;
            peak_found = 1;
            
            // 计算RR间期
            if (peak_detector.last_peak_time > 0) {
                uint32_t rr_interval = peak_detector.peak_interval - peak_detector.last_peak_time;
                peak_detector.rr_intervals[peak_detector.rr_index] = rr_interval;
                peak_detector.rr_index = (peak_detector.rr_index + 1) % 10;
            }
            peak_detector.last_peak_time = peak_detector.peak_interval;
        }
    } else {
        above_threshold = 0;
    }
    
    peak_detector.peak_interval++;
    
    // 更新动态阈值（指数移动平均）
    peak_detector.threshold = 0.95f * peak_detector.threshold + 0.05f * filtered_signal;
    
    return peak_found;
}

// 计算心率（BPM）
uint8_t Calculate_HeartRate(void) {
    float avg_rr_interval = 0;
    uint8_t valid_intervals = 0;
    
    // 计算平均RR间期
    for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {
        if (peak_detector.rr_intervals[i] > 0) {
            avg_rr_interval += peak_detector.rr_intervals[i];
            valid_intervals++;
        }
    }
    
    if (valid_intervals < 3) return 0;  // 数据不足
    
    avg_rr_interval /= valid_intervals;
    
    // 转换为BPM（采样率100Hz）
    float heart_rate = 6000.0f / avg_rr_interval;  // 60s * 100Hz / RR_interval
    
    // 合理性检查（30-180BPM）
    if (heart_rate < 30 || heart_rate > 180) return 0;
    
    return (uint8_t)heart_rate;
}

2.4 FreeRTOS任务实现

#include "freertos.h"
#include "task.h"

// 信号采集任务
void Signal_Acquisition_Task(void *pvParameters) {
    uint32_t red_value, ir_value;
    
    while (1) {
        // 读取MAX30102数据
        MAX30102_ReadFIFO(&red_value, &ir_value);
        
        // 存储到缓冲区
        red_buffer[buffer_index] = red_value;
        ir_buffer[buffer_index] = ir_value;
        buffer_index = (buffer_index + 1) % 100;
        
        // 发送信号到滤波任务
        xQueueSend(filter_queue, &ir_value, portMAX_DELAY);
        
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  // 100Hz采样率
    }
}

// 数字滤波任务
void Digital_Filter_Task(void *pvParameters) {
    float raw_signal, filtered_signal;
    
    while (1) {
        if (xQueueReceive(filter_queue, &raw_signal, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 50Hz陷波滤波
            filtered_signal = Notch50Hz_Filter(raw_signal);
            
            // 带通滤波
            filtered_signal = Bandpass_Filter(filtered_signal);
            
            // 发送滤波后的信号到峰值检测任务
            xQueueSend(peak_queue, &filtered_signal, portMAX_DELAY);
        }
    }
}

// 心率计算任务
void Heart_Rate_Calculation_Task(void *pvParameters) {
    float filtered_signal;
    uint8_t heart_rate;
    static uint8_t stable_hr[5];
    static uint8_t hr_index = 0;
    
    while (1) {
        if (xQueueReceive(peak_queue, &filtered_signal, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 峰值检测
            if (Detect_Peak(filtered_signal)) {
                // 计算心率
                heart_rate = Calculate_HeartRate();
                
                if (heart_rate > 0) {
                    // 滑动平均滤波心率值
                    stable_hr[hr_index] = heart_rate;
                    hr_index = (hr_index + 1) % 5;
                    
                    uint8_t avg_hr = 0;
                    for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) avg_hr += stable_hr[i];
                    avg_hr /= 5;
                    
                    // 发送心率值到显示任务
                    xQueueSend(display_queue, &avg_hr, portMAX_DELAY);
                }
            }
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

3. 数据采集与蓝牙传输协议

3.1 数据包格式

// 蓝牙数据包结构
typedef struct {
    uint8_t header;      // 帧头 0xAA
    uint8_t data_type;    // 数据类型：0x01=心率，0x02=原始波形
    uint16_t timestamp;   // 时间戳（ms）
    uint32_t data_value;  // 数据值
    uint8_t checksum;    // 校验和
    uint8_t footer;      // 帧尾 0x55
} Bluetooth_Packet_t;

// 发送心率数据
void Send_HeartRate_Data(uint8_t heart_rate, uint16_t timestamp) {
    Bluetooth_Packet_t packet;
    
    packet.header = 0xAA;
    packet.data_type = 0x01;  // 心率数据
    packet.timestamp = timestamp;
    packet.data_value = heart_rate;
    packet.checksum = packet.header ^ packet.data_type ^ 
                     (packet.timestamp >> 8) ^ (packet.timestamp & 0xFF) ^ 
                     packet.data_value;
    packet.footer = 0x55;
    
    // 通过串口发送给蓝牙模块
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&packet, sizeof(packet), 100);
}

3.2 Python上位机接收程序

import serial
import struct
import matplotlib.pyplot as plt
from collections import deque

class HeartRateReceiver:
    def __init__(self, port='COM3', baudrate=115200):
        self.ser = serial.Serial(port, baudrate, timeout=1)
        self.hr_buffer = deque(maxlen=100)  # 心率历史缓冲区
        
    def parse_packet(self, data):
        """解析蓝牙数据包"""
        if len(data) != 7:
            return None
            
        header, data_type, timestamp_high, timestamp_low, data_value, checksum, footer = data
        
        if header != 0xAA or footer != 0x55:
            return None
            
        # 校验和验证
        calc_checksum = header ^ data_type ^ timestamp_high ^ timestamp_low ^ data_value
        if calc_checksum != checksum:
            return None
            
        timestamp = (timestamp_high << 8) | timestamp_low
        return data_type, timestamp, data_value
    
    def plot_realtime(self):
        """实时绘制心率曲线"""
        plt.ion()
        fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
        
        while True:
            if self.ser.in_waiting >= 7:
                data = list(self.ser.read(7))
                result = self.parse_packet(data)
                
                if result:
                    data_type, timestamp, value = result
                    if data_type == 0x01:  # 心率数据
                        self.hr_buffer.append(value)
                        
                        # 更新图表
                        ax.clear()
                        ax.plot(list(self.hr_buffer), 'r-', linewidth=2)
                        ax.set_title('Real-time Heart Rate Monitor')
                        ax.set_xlabel('Time (samples)')
                        ax.set_ylabel('Heart Rate (BPM)')
                        ax.grid(True, alpha=0.3)
                        ax.set_ylim(40, 180)
                        
                        plt.pause(0.01)
            
            plt.pause(0.1)

# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    receiver = HeartRateReceiver('COM3', 115200)
    receiver.plot_realtime()

参考代码 基于STM32的数据采集+心率检测仪（原理图、PCB、程序源码等） www.youwenfan.com/contentcst/123483.html

四、系统调试与优化

1. 调试步骤

阶段	操作	工具	预期结果
硬件调试	测量MAX30102供电电压，验证I2C通信	万用表、示波器	3.3V稳定，I2C波形正常
信号调试	观察原始PPG波形，验证滤波效果	串口打印、MATLAB分析	波形清晰，无明显噪声
算法调试	测试峰值检测准确性，验证心率计算	秒表计时对比	误差<±3BPM
系统测试	实际佩戴测试，连续监测稳定性	真人测试	连续30分钟数据稳定

2. 常见问题与解决方案

问题	原因	解决方案
信号不稳定	佩戴松动，环境光干扰	调整佩戴松紧度，加装遮光罩
心率计算错误	运动伪影，基线漂移	改进滤波算法，增加运动检测
功耗过高	采样率过高，LED电流过大	动态调节采样率，优化LED驱动
蓝牙连接不稳定	信号干扰，距离过远	更换天线，缩短通信距离

3. 性能优化建议

• 动态采样率：静止时降低采样率，运动时提高采样率
• 自适应阈值：根据信号强度自动调整峰值检测阈值
• 运动伪影消除：结合加速度传感器检测运动状态，运动时不计算心率
• 数据压缩：蓝牙传输时使用差分编码压缩数据

五、扩展功能

1. 血氧饱和度测量（SpO2）

// 基于红光/红外比值计算SpO2
float Calculate_SpO2(uint32_t red_ac, uint32_t red_dc, uint32_t ir_ac, uint32_t ir_dc) {
    float ratio = (red_ac * ir_dc) / (ir_ac * red_dc);
    float spo2 = 110.0f - 25.0f * ratio;  // 经验公式
    
    if (spo2 > 100.0f) spo2 = 100.0f;
    if (spo2 < 70.0f) spo2 = 70.0f;
    
    return spo2;
}

2. 心率变异性分析（HRV）

// 计算HRV指标（SDNN、RMSSD）
void Calculate_HRV(uint32_t *rr_intervals, uint8_t count) {
    float mean_rr = 0, sdnn = 0, rmssd = 0;
    uint32_t sum_squared_diff = 0;
    
    // 计算平均RR间期
    for (uint8_t i = 0; i < count; i++) {
        mean_rr += rr_intervals[i];
    }
    mean_rr /= count;
    
    // 计算SDNN
    for (uint8_t i = 0; i < count; i++) {
        float diff = rr_intervals[i] - mean_rr;
        sdnn += diff * diff;
    }
    sdnn = sqrt(sdnn / count);
    
    // 计算RMSSD
    for (uint8_t i = 1; i < count; i++) {
        float diff = rr_intervals[i] - rr_intervals[i-1];
        sum_squared_diff += diff * diff;
    }
    rmssd = sqrt(sum_squared_diff / (count - 1));
}

3. 手机APP开发

• Android端：使用BluetoothLeService接收数据，MPAndroidChart绘制实时波形
• iOS端：CoreBluetooth框架，Charts库显示心率趋势
• Web端：WebSocket实时显示，ECharts绘制历史曲线

六、总结

基于STM32的心率检测仪通过MAX30102光电传感器实现无创心率监测，数字滤波算法有效去除噪声干扰，峰值检测算法精准计算心率值。