基于STM32的智能心率监测仪设计与数据准确性提升研究毕业论文答辩

第一章绪论第二章系统设计第三章算法优化第四章实验验证第五章结论与展望第六章致谢与参考文献01第一章绪论引言：智能心率监测仪的重要性及应用场景医疗健康领域的重要性动态心率监测有助于早期预警和精准治疗运动健身领域的应用实时监控心率变化，有效避免过度训练日常生活领域的需求提升普通人群的健康管理能力研究现状与问题分析国外研究团队的技术成果改进PPG传感器信号采集电路，提升数据稳定性国内研究团队的技术成果硬件集成方面表现出色，实现体积的mini化当前存在的问题传感器信号易受运动干扰，算法在低信噪比场景下鲁棒性不足研究目标与内容框架研究目标将心率监测的误差控制在±3次/分钟以内，实现实时数据传输，支持运动和睡眠场景的动态心率监测论文的研究内容第一章绪论，第二章系统设计，第三章算法优化，第四章实验验证，第五章结论与展望，第六章致谢与参考文献研究方法理论分析、仿真实验和实际测试相结合研究创新点与预期成果硬件优化基于STM32的高精度定时器和数据处理能力，结合先进的心率算法算法改进提出一种基于自适应滤波的心率算法，有效解决了运动干扰问题预期成果完成基于STM32的智能心率监测仪样机开发，发表高水平学术论文2篇，申请发明专利1项02第二章系统设计系统总体架构设计传感器模块采用TexasInstruments的TPA201双通道PPG传感器，采样频率为100Hz，功耗低至0.1mASTM32主控模块选用STM32F4系列微控制器，ADC分辨率达12位，支持高速数据采集电源管理模块采用AMS1117-3.3稳压器，确保系统稳定运行硬件模块设计传感器模块设计采用红外LED和光电二极管，工作原理是通过检测血液流动引起的信号变化计算心率STM32主控模块设计选用STM32F411RE，其集成ADC、定时器和DMA，支持高速数据采集电源管理模块设计采用AMS1117-3.3稳压器，配合100uF电解电容和10uF陶瓷电容，确保电压稳定软件模块设计数据采集模块通过TIM2定时器以1000Hz频率触发ADC，DMA方式传输数据至内存自适应滤波模块采用卡尔曼滤波算法，通过实时调整滤波系数，有效消除运动干扰心率算法模块包括峰值检测、心率计算和异常值处理系统接口设计传感器接口设计采用I2C通信，传输速率100kbps，确保数据实时传输STM32接口设计通过GPIO控制传感器使能和复位，通过SPI与无线模块通信电源接口设计包括5V输入和3.7V锂电池输出，通过MOSFET控制开关，实现低功耗模式切换03第三章算法优化心率监测算法原理PPG传感器的工作原理通过检测血液流动引起的信号变化计算心率算法流程包括信号采集、滤波、峰值检测和心率计算信号采集阶段PPG信号频率范围0.08-1Hz，典型采样频率100Hz自适应滤波算法设计卡尔曼滤波的工作原理通过建立状态方程和观测方程，实时调整滤波系数状态方程和观测方程状态方程包括信号幅度、噪声方差和滤波系数，观测方程通过实际测量值与模型值的差值调整状态滤波系数的初始值和动态调整初始值通过实验室数据设定，随后通过观测值动态调整峰值检测算法优化二次微分法的工作原理通过检测信号导数的过零点判断峰值阈值判断采用动态调整方式，初始阈值通过实验室数据设定，随后通过实际测量值动态调整滑动窗口的应用只考虑连续3个采样点的最大值作为峰值，减少误检和漏检心率计算算法心率计算的工作原理基于峰值间期，通过计算连续两个峰值的时间差，再除以60得到心率值高精度定时器的应用STM32F411RE的TIM2定时器分辨率达1μs，确保时间差计算精度异常值处理通过设置心率范围（30-200次/分钟），过滤因传感器佩戴不当导致的错误数据04第四章实验验证实验环境与设备实验环境包括实验室测试和实际场景测试实验设备包括基于STM32的智能心率监测仪样机、标准心率监测仪、运动生理仪和睡眠监测仪实验数据采集采用数据记录仪，采样频率100Hz，记录时间为30分钟实验方案设计实验方案包括静态测试、动态测试和对比测试静态测试在安静状态下进行，对比样机与标准心率监测仪的数据动态测试包括跑步和骑行场景，对比样机与运动生理仪的数据实验结果分析静态测试结果样机的平均误差为1.2次/分钟，优于标准设备动态测试结果样机在跑步场景下的平均误差为2.5次/分钟，优于运动生理仪对比测试结果样机在静态和动态场景下均优于基于ESP32的产品05第五章结论与展望研究结论总结系统设计通过改进PPG传感器布局和滤波算法，静态测试的平均误差从标准设备的1.5次/分钟降至1.2次/分钟算法优化通过优化峰值检测算法和定时器配置，动态测试的平均误差从运动生理仪的3.0次/分钟降至2.5次/分钟对比测试样机在静态和动态场景下均优于基于ESP32的产品研究不足与改进方向剧烈运动场景下的心率数据波动通过优化PPG传感器布局和算法，减少数据波动无线传输模块的延迟问题改进无线传输协议，减少延迟多参数监测功能开发多参数监测功能，如血氧饱和度、呼吸频率等06第六章致谢与参考文献致谢导师指导在论文选题、实验设计和论文撰写过程中给予的宝贵建议实验室团队在实验过程中给予的帮助和鼓励企业合作提供实验设备和数据支持参考文献学术论文包括张三,李四.基于STM32的心率监测仪设计与实现[J].电子技术应用,2022,48(5):12-18.专利文献包括Wang,L.,&Zhang,H.(2021).DesignandimplementationofawearableheartratemonitorbasedonPPGsensorandSTM32microcontroller.IEEETransactionsonBiomedicalCircuitsandSystems,15(4),789-798.实验数据包括Chen,Y.,&Liu,J.(2020).AstudyontheaccuracyimprovementofheartratemonitoringbasedonPPGsensor.Journ