基于Arduino的心率血氧浓度监测仪设计与制作

目录

1产品设计背景1

2设计方案遴选1

2.1产品总框架设计1

2.2ArduinoUNO开发板的选择2

2.3SSD1306OLED显示屏模块的选择2

2.4MAX30102心率血氧传感器2

3产品模块设计3

3.1产品组成3

3.2产品功能3

4产品硬件的设计3

4.1系统原理图3

4.2ArduinoUNO开发板4

4.2.1ArduinoUNO实物照片4

4.2.2ArduinoUNO核心板电路原理图4

4.3MAX30102心率血氧传感器5

4.3.1MAX30102心率血氧传感器实物照片5

4.3.2MAX30102心率血氧传感器的产品接线解析5

4.4SSD1306OLED显示屏模块7

4.4.1SSD1306OLED显示屏实物照片7

4.4.2SSD1306OLED显示屏模块产品接线解析7

5产品软件设计8

5.1Arduino软件开发环境8

5.2主程序流程图9

5.3产品程序清单10

6产品组装与调试10

6.1产品装配图10

6.2产品调试过程11

I

7产品设计技术标准13

参考资料14

附录15

附录1元件清单列表15

附录2电路原理图15

附录3PCB设计图16

附录4作品实物照16

附录4主程序代码17

II

基于Arduino的心率血氧浓度监测仪设计与制作

1产品设计背景

心率和血氧浓度是人体健康状况的重要指标，对于实时了解自身的身体状

况具有重要意义。随着科技的发展，便携式的心率血氧监测设备逐渐流行起来，

能够为用户提供方便、准确的监测服务。这些设备小巧便携，可以佩戴在身上

并通过传感器实时监测心率和血氧浓度。通过获取这些数据，人们可以判断自

己的身体状况是否正常，及时调整和采取相应的措施。心率血氧浓度监测设备

的出现，使人们更加关注自身的健康状态，提高了健康管理的水平，能够更好

地保护身体健康。无论是日常生活中的运动爱好者，还是担心心血管健康的人

群，心率血氧浓度监测设备都能为他们提供准确、实时的数据反馈，帮助他们

更好地管理自身的健康状况。

2设计方案遴选

2.1产品总框架设计

本次设计的方案为基于Arduino的心率血氧浓度监测。

电源接口

SSD1306OLEDArduinoUNOMAX30102

显示屏模块开发板心率血氧传感器

图2-1产品总框架图

1

2.2ArduinoUNO开发板的选择

方案一：ArduinoUNO开发板入门较为简单，在硬件方面,Arduino开发板

的电路非常简单,连接外设也很直观。在软件方面,Arduino提供了简单易用的

IDE和编程语法,入门门槛较低。即使是编程初学者也能很快上手Arduino开发。

方案二：STM32开发板入门相对较难，在硬件方面,STM32开发板的电路和

外设接口相对复杂,需要有一定的电子基础知识。在软件方面,STM32使用的是

基于ARM架构的专业级开发环境,如Keil或者STM32Cube,需要一定的编程基础。

将两者对比起来,所以我选择ArduinoUNO开发板，因为完全适合初学嵌入

式开发的新手,能够快速掌握并投入实践;而STM32则更适合有一定编程基础的

开发者,可以满足更高级的需求,但入门需要投入更多的学习成本。

2.3SSD1306OLED显示屏模块的选择

方案一：SSD1306OLED显示屏，在显示效果方面SSD1306OLED显示屏具

有更高的对比度和更好的显示效果，特别是在光线较弱的环境中。在功耗方面

SSD1306OLED显示屏的功耗较低，特别适合电池供电的便携设备。在应用场景

方面SSD1306适合需要显示图形、图像和动态内容的复杂应用，如手持设备、

智能家居显示屏等

方案二：LCD1602显示屏，在显示效果方面LCD1602的对比度和视角较差，

但在光线充足的环境下仍能提供清晰的字符显示。在功耗方面LCD1602需要背

光，功耗相对较高。在应用场景方面LCD1602则适合简单的字符显示，如家电

控制面板、简单仪表显示等。

将两者对比起来,所以我选择SSD1306OLED显示屏，因为SSD1306OLED显

示屏在显示效果、功耗和灵活性方面有显著优势，适合需要高质量图形显示的

应用。

2.4MAX30102心率血氧传感器

MAX30102心率血氧传感器，是一种集成了心率和血氧监测功能的传感器模

块。MAX30102传感器模块具有高精度、稳定性和低功耗的特点。通过结合多种

光线测量和算法处理，MAX30102传感器能够有效地抑制运动和环境干扰，提供

可靠、准确的测量结果。

2

3产品模块设计

此产品以ArduinoUNO开发板为主，外接SSD1306OLED显示屏模块、

MAX30102心率血氧传感器模块组装而成，符合产品设计标准。

3.1产品组成

1.ArduinoUNO开发板

2.SSD1306OLED显示屏模块

3.MAX30102心率血氧传感器模块

3.2产品功能

实时心率检测：通过电容积脉搏波描记法技术，传感器实时检测手指末端

的血液波动，精确计算每分钟心跳次数。

血氧浓度检测：通过红光和红外光反射，计算血液中的氧合血红蛋白和去

氧血红蛋白比例，得出血氧饱和度。

SSD1306OLED显示屏：实时显示心率和血氧浓度数据，通过查看SSD1306

OLED显示屏可以看出自己的心率和血氧过高、过低以及正常的波形显示。

4产品硬件的设计

4.1系统原理图

本产品是以ArduinoUNO开发板为中心，外接SSD1306OLED显示屏模块、

MAX30102心率血氧传感器模块组装而成。系统电路原理图如下：

图4-1系统电路原理图

3

4.2ArduinoUNO开发板

4.2.1ArduinoUNO实物照片

图4-2ArduinoUNO实物图

4.2.2ArduinoUNO核心板电路原理图

图4-3ArduinoUNO核心板原理图

4

4.3MAX30102心率血氧传感器

4.3.1MAX30102心率血氧传感器实物照片

图4-4MAX30102心率血氧传感器实物图

4.3.2MAX30102心率血氧传感器的产品接线解析

产品接线解析:

1.VINArduino开发板VIN

2.SCLArduino开发板A5

3.SDAArduino开发板A4

4.GNDArduino开发板GND

MAX30102心率血氧传感器电路原理图如图4-5所示。

5

图4-5MAX30102心率血氧传感器原理图

6

4.4SSD1306OLED显示屏模块

4.4.1SSD1306OLED显示屏实物照片

图4-6SSD1306OLED显示屏事物图

4.4.2SSD1306OLED显示屏模块产品接线解析

产品接线解析:

1.电源线VCC（3.3V～5V）Arduino开发板VCC

2.地线GNDArduino开发板GND

3.SCLArduino开发板上面的SCL

4.SDAArduino开发板上面的SDA

7

SSD1306OLED显示屏电路原理图:

图4-7SSD1306OLED显示屏原理图

5产品软件设计

Arduino软件设计是一项基于开源硬件平台的开发技术，通过编程语言和

开发环境，实现对Arduino板的控制和操作。其灵活性和易用性使得Arduino

成为学习和创造互动电子项目的理想选择。

5.1Arduino软件开发环境

通过USB串口和电脑PC端连接、新建工程、选择开发板和端口、进行编译

在烧录程序。在观察开发板上面的两个灯是否亮，如果亮则开发板正常。

图5-1软件开发页面

8

5.2主程序流程图

开始

清除和设置位的例程

定义BUTTON引脚

定义OPTIONS引脚

定义两个数组

辨别Arduino开发板是1284还是328

在取电压

记录、缩放和显示PPG波形

休息时每分钟心跳72下

作为参考

记录波形

去保存精度，把波形规模

画波形

睡眠直到按下按钮导致重置

转化波形得到经典的BP波形

检查红外或红色检测心跳

计算血氧浓度比率

如果按下手指，则每50毫秒更新一次显示闪光灯LED持续25ms

图5-2主程序流程图

9

5.3产品程序清单

基于Arduino的心率血氧浓度检测清单

定义变量

初始化

Arduino.ino

MAX30102心率血氧模块SSD1306OLED显示模块

图5-3产品程序清单

6产品组装与调试

6.1产品装配图

产品主要由Arduino开发板，MAX30102心率血氧传感器，SSD1306OLED显

示屏模块其装配图如下：

10

SSD1306OLED

MAX30102

显示屏模块

心率血氧传感器ArduinoUNO

开发板

图6-1产品装配图

6.2产品调试过程

1.未接连接烧录程序实物图片

图6-2产品介绍图

11

第一步:将模块接入开发板中，开发板接入电源。

图6-3未烧入程序的图片

第二步：将程序烧入Arduino开发板中。

图6-4烧入Arduino开发板中的图片

第三步：将手指放在MAX30102心率血氧传感器上（注意在测试的时候要带防静电手套

避免用静电造成损坏）。

12

图6-5在SSD1306OLED显示屏模块中的波形图

7产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

13

参考资料

[1]李永乐，曲明哲.Arduino项目开发[M].北京:清华大学出版社，2019

[2]周润景，李茂泉.常用传感器技术及应用[M].电子工业出版社，2020

[3]周润景.传感器与检测技术[M].电子工业出版社，2022

[4]戴蓉.传感器原理与工程应用[M].电子工业出版社，2021

[5]唐文彦.张晓琳.传感器[M].机械工业出版社，2021

[6]刁彬斌.Arduino编程从入门到进阶实战[M].化学工业出版社，2020

[7]李永华.王思野.Arduino案例实战卷[M].北京：清华大学出版社，2017

[8]王洪源.Arduino单片机高级开发[M].北京:清华大学出版社，2022

14

附录

附录1元件清单列表

附表1-1元件清单列表

基于Arduino心率血氧浓度监测仪的设计与制作

元件符号元件名称数量

A1ArduinoUNO开发板1

A2SSD1306OLED显示屏模块1

A3MAX30102心率血氧传感器1

附录2电路原理图

附图2-1产品原理图

15

附录3PCB设计图

附图3-1PCB设计图

附录4作品实物照

附图4-1产品实物图

16

附录4主程序代码

#include"ssd1306h.h"//显示屏模块

#include"MAX30102.h"//心率血氧模块

#include"Pulse.h"脉冲

#include<avr/pgmspace.h>

#include<EEPROM.h>

#include<avr/sleep.h>

//用于清除和设置位的例程（以便于再次使用）

#ifndefcbi

#definecbi(sfr,bit)(_SFR_BYTE(sfr)&=~_BV(bit))

#endif

#ifndefsbi

#definesbi(sfr,bit)(_SFR_BYTE(sfr)|=_BV(bit))

#endif

SSD1306oled;//（显示屏）

MAX30102sensor;//（传感器）

PulsepulseIR;//（脉冲红外）

PulsepulseRed;//（脉冲红）

MAFilterbpm;//（每分钟心跳次数）

#defineLEDLED_BUILTIN

#defineBUTTON3//定义BUTTON引脚

#defineOPTIONS7//定义OPTIONS引脚

staticconstuint8_theart_bits[]PROGMEM={0x00,0x00,0x38,0x38,

0x7c,0x7c,0xfe,0xfe,0xfe,0xff,

0xfe,0xff,0xfc,0x7f,

0xf8,0x3f,0xf0,0x1f,0xe0,0x0f,

17

0xc0,0x07,0x80,0x03,

0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00};

//spo2_tableisapproximated（近似）as-45.060*ratioAverage（比

率平均值）*ratioAverage+30.354*ratioAverage+94.845;

constuint8_tspo2_table[184]PROGMEM=

{95,95,95,96,96,96,97,97,97,97,97,98,98,98,

98,98,99,99,99,99,

99,99,99,99,100,100,100,100,100,100,100,100,

100,100,100,100,100,100,100,100,

100,100,100,100,99,99,99,99,99,99,99,99,98,

98,98,98,98,98,97,97,

97,97,96,96,96,96,95,95,95,94,94,94,93,93,

93,92,92,92,91,91,

90,90,89,89,89,88,88,87,87,86,86,85,85,84,

84,83,82,82,81,81,

80,80,79,78,78,77,76,76,75,74,74,73,72,72,

71,70,69,69,68,67,

66,66,65,64,63,62,62,61,60,59,58,57,56,56,

55,54,53,52,51,50,

49,48,47,46,45,44,43,42,41,40,39,38,37,36,

35,34,33,31,30,29,

28,27,26,25,23,22,21,20,19,17,16,15,14,12,

11,10,9,7,6,5,

3,2,1};

intgetVCC(){

#ifdefined(__AVR_ATmega1284P__)

ADMUX=_BV(REFS0)|_BV(MUX4)|_BV(MUX3)|_BV(MUX2)|

_BV(MUX1);

#else

18

ADMUX=_BV(REFS0)|_BV(MUX3)|_BV(MUX2)|_BV(MUX1);//辨

别Arduino开发板的芯片是1284还是328，因为它们所需要电压不同。

#endif

delay(2);//等待Vref的结算

ADCSRA|=_BV(ADSC);//转变

while(bit_is_set(ADCSRA,ADSC));

uint8_tlow=ADCL;

unsignedintval=(ADCH<<8)|low;

//丢弃之前的结果

ADCSRA|=_BV(ADSC);//转变

while(bit_is_set(ADCSRA,ADSC));

low=ADCL;

val=(ADCH<<8)|low;

return(((long)1024*1100)/val)/100;

}

voidprint_digit(intx,inty,longval,charc='',uint8_tfield

=3,constintBIG=2)

{

uint8_tff=field;

do{

charch=(val!=0)?val%10+'0':c;

oled.drawChar(x+BIG*(ff-1)*6,y,ch,BIG);

val=val/10;

--ff;

}while(ff>0);

}

/*

*记录、缩放和显示PPG波形。

*/

constuint8_tMAXWAVE=72;//(休息时每分钟心跳72下)

19

classWaveform{

public:

Waveform(void){wavep=0;}

voidrecord(intwaveval){

waveval=waveval/8;//缩放以适合字节

waveval+=128;//（移位如此累实的波形）

waveval=waveval<0?0:waveval;

waveform[wavep]=(uint8_t)(waveval>255)?255:waveval;

wavep=(wavep+1)%MAXWAVE;

}//波形记录波形

voidscale(){

uint8_tmaxw=0;

uint8_tminw=255;

for(inti=0;i<MAXWAVE;i++){

maxw=waveform[i]>maxw?waveform[i]:maxw;

minw=waveform[i]<minw?waveform[i]:minw;

}

uint8_tscale8=(maxw-minw)/4+1;//去保存精度

uint8_tindex=wavep;

for(inti=0;i<MAXWAVE;i++){

disp_wave[i]=

31-((uint16_t)(waveform[index]-minw)*8)/scale8;

index=(index+1)%MAXWAVE;

}

}//规模

voiddraw(uint8_tX){

for(inti=0;i<MAXWAVE;i++){

uint8_ty=disp_wave[i];

oled.drawPixel(X+i,y);

20

if(i<MAXWAVE-1){

uint8_tnexty=disp_wave[i+1];

if(nexty>y){

for(uint8_tiy=y+1;iy<nexty;++iy)

oled.drawPixel(X+i,iy);

}

elseif(nexty<y){

for(uint8_tiy=nexty+1;iy<y;++iy)

oled.drawPixel(X+i,iy);

}

}

}

}//画波形图

private:

uint8_twaveform[MAXWAVE];

uint8_tdisp_wave[MAXWAVE];

uint8_twavep=0;

}wave;

intbeatAvg;//平均值

intSPO2,SPO2f;//心率血氧浓度

intvoltage;//电压

boolfilter_for_graph=false;

booldraw_Red=false;

uint8_tpcflag=0;

uint8_tistate=0;

uint8_tsleep_counter=0;

voidbutton(void){

pcflag=1;

}//pc标志

21

voidcheckbutton(){

if(pcflag&&!digitalRead(BUTTON)){

istate=(istate+1)%4;

filter_for_graph=istate&0x01;

draw_Red=istate&0x02;

EEPROM.write(OPTIONS,filter_for_graph);

EEPROM.write(OPTIONS+1,draw_Red);

}

pcflag=0;

}

voidDisplay_5(){

if(pcflag&&!digitalRead(BUTTON)){

draw_oled(5);

delay(1100);

}

pcflag=0;

}

voidgo_sleep(){

oled.fill(0);

oled.off();

delay(10);

sensor.off();

delay(10);

cbi(ADCSRA,ADEN);//禁用adc

delay(10);

pinMode(0,INPUT);

22

pinMode(2,INPUT);

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

sleep_mode();//睡眠直到按下按钮导致重置

setup();

}

voiddraw_oled(intmsg){

oled.firstPage();

do{

switch(msg){

case0:oled.drawStr(10,0,F("Deviceerror"),1);

break;

case1:oled.drawStr(13,10,F("PLACE"),1);

oled.drawStr(10,20,F("FINGER"),1);

oled.drawChar(100,0,voltage/10+'0');

oled.drawChar(106,0,'.');

oled.drawChar(112,0,voltage%10+'0');

oled.drawChar(118,0,'V');

oled.drawStr(84,14,F("Display"),1);

if(draw_Red)

oled.drawStr(84,24,F("Red"),1);

else

oled.drawStr(84,24,F("IR"),1);

if(filter_for_graph)

oled.drawStr(108,24,F("Avg"),1);

else

oled.drawStr(108,24,F("Raw"),1);

break;

case2:print_digit(86,0,beatAvg);

wave.draw(8);

print_digit(98,16,SPO2f,'',3,1);

oled.drawChar(116,16,'%');

print_digit(98,24,SPO2,'',3,1);

23

oled.drawChar(116,24,'%');

break;

case3:oled.drawStr(30,9,F("Madeby"),1);

oled.drawStr(30,20,F("Electricats"),1);

break;

case4:oled.drawStr(28,12,F("OFFIN"),1);

oled.drawChar(76,12,10-sleep_counter/10+'0');

oled.drawChar(82,12,'s');

break;

case5:oled.drawStr(0,0,F("BMP:"),1);

print_digit(25,0,beatAvg);

oled.drawStr(0,15,F("SpO2:"),1);

print_digit(25,15,SPO2);

oled.drawXBMP(106,8,16,16,heart_bits);

break;

}

}while(oled.nextPage());

}

voidsetup(void){

pinMode(LED,OUTPUT);

pinMode(BUTTON,INPUT_PULLUP);

filter_for_graph=EEPROM.read(OPTIONS);

draw_Red=EEPROM.read(OPTIONS+1);

oled.init();

oled.fill(0x00);

draw_oled(3);

delay(3000);

if(!sensor.begin()){

draw_oled(0);

while(1);

}

sensor.setup();

24

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON),button,CHANGE);

}

longlastBeat=0;

longdisplaytime=0;//上次显示更新的时间

boolled_on=false;

voidloop(){

sensor.check();

longnow=millis();//starttimeofthiscycle

if(!sensor.available())return;

uint32_tirValue=sensor.getIR();

uint32_tredValue=sensor.getRed();

sensor.nextSample();

if(irValue<5000){

checkbutton();

draw_oled(sleep_counter<=50?1:4);//fingernotdown

message

delay(200);

++sleep_counter;

if(sleep_counter>100){

go_sleep();

sleep_counter=0;

}

}else{

sleep_counter=0;

//移除直流元件

int16_tIR_signal,Red_signal;

boolbeatRed,beatIR;