[开源免费]基于STM32的心率监控仪 —— 从原理到实现的完整技术解析

news/2025/12/6 13:58:49/文章来源:https://www.cnblogs.com/baoto/p/19315653

基于STM32的心率监控仪 —— 从原理到实现的完整技术解析

前言

心率监测技术在智能穿戴、健康管理设备中已经非常普及，但如果你想亲手做一个心率监控仪，理解其硬件原理、信号采集方法以及心率算法，其实并不复杂。在大四毕业设计期间，我曾基于 STM32F103C8T6 + PulseSensor + OLED 实现过一台完整可用的心率监控仪，并将全过程整理成技术文档。

本文将结合当时的实践，系统讲解这个小项目的实现思路，涵盖从硬件设计、信号采集、算法处理到界面显示的完整流程，帮助你快速入门一个小而完整的嵌入式信号采集项目。

源码分享

直接放到之前写的文章里了，免费开源，下载学习即可。
https://blog.csdn.net/weixin_52908342/article/details/155599089

项目介绍

本项目的核心功能包括：

采集手指脉搏的光电信号
使用 STM32 内部 ADC 进行采样
利用算法识别心率波形峰值，并计算 BPM（Beats Per Minute）
在 OLED 上实时显示波形与心率数值
当心率异常时通过蜂鸣器报警
支持按键切换界面、关闭报警等交互

使用到的关键器件：

Pulse Sensor 心率传感器（模拟信号输出）
STM32F103C8T6 最小系统板
0.96 寸 128×64 OLED（IIC 接口）
LED ×1
按键 ×2
蜂鸣器 ×1（需三极管驱动）

成品具有较清晰的心率波形显示、较稳定的数据采集能力，以及轻量的硬件成本，非常适合作为课程设计或个人项目。

开发环境与硬件构成

软件环境

Windows 10
MDK-ARM Keil 5.24
下载器：ST-Link / J-Link / 串口均可

硬件清单

器件	功能
STM32F103C8T6	主控芯片
Pulse Sensor 心率模块	采集脉搏光电信号
OLED（IIC）	显示波形与数据
蜂鸣器 + 三极管	心率异常报警
按键 2 个	页面切换、报警消除
LED	心跳指示灯（可选）

硬件电路设计

Pulse Sensor 通过光电反射检测指尖血液流动变化，并输出模拟电压信号。STM32 使用 ADC1 通道 0（PA0） 进行采样。配合简单 RC 滤波，可有效抑制部分噪声干扰。

OLED 使用软件 IIC 驱动（示例中使用 PA7/SDA 和 PA8/SCL），布线简单，占用资源少。

蜂鸣器由 NPN 三极管驱动，避免 GPIO 无法直接提供驱动电流的问题。

完整连接关系如下：

Pulse Sensor → PA0（ADC）
OLED SDA → PA7
OLED SCL → PA8
按键 K1/K2 → 任意 GPIO（带上拉）
蜂鸣器 → 三极管 → GPIO
LED → GPIO

（电路图略，可按你的原图展示）

软件设计与核心模块

软件部分主要包含三大模块：

OLED 显示系统
ADC 采样与信号预处理
心率计算算法（峰值检测法）

1. OLED 显示模块

OLED 采用软件 IIC 驱动，兼容性好且不占用硬件 IIC。显示部分我在移植正点原子例程基础上进行了：

优化字库，支持显示汉字
增加数字补零功能
提供波形绘制和连续补点，使曲线更平滑

下面是波形绘制核心代码示例：

void OLED_Waveform_display(void)
{int i, n;if(waveform_flag){waveform_flag = 0;for(i = 127; i >= 0; i--){for(n = 0; n < 64; n++)OLED_DrawPoint(i, n, 0);#if 1if(i != 0){if(abs(waveform[i] - waveform[i-1]) > 1){int start = MIN(waveform[i], waveform[i-1]);int end = MAX(waveform[i], waveform[i-1]);for(n = start; n <= end; n++)OLED_DrawPoint(i, n, 1);}}
#endifOLED_DrawPoint(i, waveform[i], 1);}OLED_Refresh_Gram();}
}

2. Pulse Sensor 信号采样

Pulse Sensor 输出模拟信号，需要 STM32 的 ADC 来采集。建议采样频率在 400Hz～500Hz 之间（本项目使用 2ms 定时器中断 = 500Hz）。

核心采样流程：

定时器每 2ms 进入中断
执行 ADC 启动转换
读取电压值（0–4095）
保存到波形缓存
调用心率处理算法

3. 心率计算算法（峰值检测法）

算法原理非常经典：

记录采样时间戳（sampleCounter）
找到波峰（P）和波谷（T）
检测信号越过阈值（thresh）时触发一次心跳
计算两次心跳间隔（IBI = Inter Beat Interval）
BPM = 60000 / 平均 IBI

以下为简化算法片段：

void HeartRate_deal(void)
{Num = sampleCounter - lastBeatTime;if (Signal < thresh && Num > (IBI/5)*3)if (Signal < T) T = Signal;if (Signal > thresh && Signal > P)P = Signal;if (Num > 250){if (Signal > thresh && !Pulse && Num > (IBI/5)*3){Pulse = true;IBI = sampleCounter - lastBeatTime;lastBeatTime = sampleCounter;if (firstBeat) { firstBeat = false; secondBeat = true; return; }if (secondBeat){secondBeat = false;for (i = 0; i < 10; i++)rate[i] = IBI;}runningTotal = 0;for (i = 0; i < 9; i++) { rate[i] = rate[i+1]; runningTotal += rate[i]; }rate[9] = IBI;runningTotal += rate[9];BPM = 60000 / (runningTotal / 10);QS = true;}}if (Signal < thresh && Pulse){Pulse = false;amp = P - T;thresh = amp/2 + T;P = thresh;T = thresh;}if (Num > 2500){thresh = P = T = 512;firstBeat = true;secondBeat = false;lastBeatTime = sampleCounter;}
}

该算法具有较好的鲁棒性，在 PulseSensor 官方算法基础上进行了简化与调优。