開發(fā)環(huán)境：

Arduino-1.8.5-windows.exe、HXDZ-30102-ACC

硬件設(shè)備：

MAX30102

MAX30102是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊。

它集成了一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。

采用一個(gè)1.8V電源和一個(gè)獨(dú)立的5.0V用于內(nèi)部LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。

標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容的通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給Arduino、KL25Z等單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計(jì)算。

該芯片還可通過軟件關(guān)斷模塊，待機(jī)電流接近為零，實(shí)現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)。

集成了玻璃蓋可以有效排除外界和內(nèi)部光干擾，擁有最優(yōu)可靠的性能。

心率血氧傳感器模塊(HXDZ-30102-ACC)

集成了LIS2DH12(ST的三軸加速傳感器，用于記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù))和MAX30102(血氧和心率檢測記錄)。

傳感器參數(shù)：

電路板尺寸：38*16mm

電路板厚度：2.5mm

LED峰值波長：660nm/880nm

LED供電電壓：3.3v~5v

檢測信號類型：光反射信號(PPG)

輸出信號接口：I2C接口(數(shù)字接口)

通信接口電壓：3~5v

工作電路：1.5mA(3.3v 輸入)

心率精確度：+/- 5bpm，+/- 10bpm(動(dòng)態(tài))

分辨率： 1bpm

采樣率：100Hz(STM32程序)/ 25Hz(arduino程序)

接口說明

VCC：LED電源輸入端，也是I2C總線上拉電平，可以接3.3v或者5v

GND：地線

SCL：I2C總線的時(shí)鐘引腳

SDA：I2C總線的數(shù)據(jù)引腳

I_L：LIS2DH12芯片的中斷引腳

I_M：MAX30102芯片的中斷引腳

工作原理

傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種：

1、從心電信號中提取

2、從測量血壓時(shí)壓力傳感器測到的波動(dòng)來計(jì)算脈率

3、光電容積法

前兩種會(huì)限制病人的活動(dòng)，長時(shí)間使用會(huì)加重病患的心理和生理負(fù)擔(dān)，而光電容積法在實(shí)際中時(shí)普遍使用的一種有效方法，其特點(diǎn)：方法簡單、佩戴方便、可靠性高。

光電容積法基本原理：

利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病患的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白(Hb02)和血紅蛋白(Hb)有選擇性的特定波長的發(fā)光二極管(一般使用660nm附近的紅光和900nm附近的紅外光)。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥?/p>

由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。同時(shí)根據(jù)血氧飽和度的定義，其表示為：

計(jì)算公式.png

image.png

注意：

1、SaO2 ：廣義上的氧飽和度，常指血液樣品中的氧含量對該樣品血液最大氧含量的百分比(SpO2是經(jīng)皮血氧飽和度, 而SaO2是動(dòng)脈血氧飽和度,二者不同,但是相關(guān)性好,絕對值十分接近)。

2、HbO2：氧合血紅蛋白

3、Hb：還原血紅蛋白

MAX30102本身集成了完整的發(fā)光LED及其驅(qū)動(dòng)部分，光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換部分，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，只將數(shù)字接口留給用戶，極大地減輕了用戶的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。用戶只需要使用單片機(jī)通過硬件I2C或者模擬I2C接口來讀取MAX30102本身的FIFO，就可以得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值，通過編寫相應(yīng)的算法就可以得到心率值和血氧飽和度。

工作原理.png

實(shí)現(xiàn)算法

心率和血氧飽和度算法流程圖：

算法流程圖.png

工作流程

首先連接開發(fā)板串口，波特率需要進(jìn)行必要設(shè)置，奇偶校驗(yàn)位無，上電后，復(fù)位MAX30102，并開始對MAX30102進(jìn)行功能初始化，此時(shí)Red LED和 IR LED交替點(diǎn)亮來檢測人體皮膚下血液的搏動(dòng)和血氧含量(此時(shí)可以看到MAX30102有紅光亮起，說明初始化成功)。開發(fā)板將一段時(shí)間內(nèi)MAX30102采集的LED反射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中，然后分別計(jì)算Red LED和 IR LED的直流成分(DC)和交流成分(AC)，最后算出數(shù)值R并通過預(yù)先存儲(chǔ)在兩波峰之間的時(shí)間差T來確定，每分鐘心跳數(shù)BPM=60/T。(具體算法原理可以參考AN6409芯片手冊中29~31頁說明)

red和ir是紅色LED，紅外LED的原始數(shù)據(jù)，HR表示心率值，HRvalid是心率是否有效標(biāo)識(shí)，SPO2是血氧數(shù)值，SPO2valid是血氧首付有效標(biāo)識(shí)

血氧模塊與Arduino連接說明：

接口連接說明：

Arduino和HXDZ-30102-ACC接口說明.png

實(shí)際連接圖：

實(shí)物連接圖.png

原理圖管腳說明：

Arduino UNO原理圖.png

實(shí)現(xiàn)代碼

/*

引腳連接關(guān)系

Arduino UNO HXDZ-30102/HXDZ-30102-ACC

SDA SDA

SCL SCL

PIN 10 INT/I_M

5V VCC

GND GND

*/

#include

#include "algorithm.h"

#include "max30102.h"

//if Adafruit Flora development board is chosen, include NeoPixel library and define an NeoPixel object

#if defined(ARDUINO_AVR_FLORA8)

#include "adafruit_neopixel.h"

//to lower the max brightness of the neopixel LED

#define BRIGHTNESS_DIVISOR 8

Adafruit_NeoPixel LED = Adafruit_NeoPixel(1, 8, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

#endif

#define MAX_BRIGHTNESS 255

#define blinkPin 13

#if defined(ARDUINO_AVR_UNO)

//Arduino Uno doesn't have enough SRAM to store 100 samples of IR led data and red led data in 32-bit format

//To solve this problem, 16-bit MSB of the sampled data will be truncated. Samples become 16-bit data.

uint16_t aun_ir_buffer[100]; //infrared LED sensor data

uint16_t aun_red_buffer[100]; //red LED sensor data

#else

uint32_t aun_ir_buffer[100]; //infrared LED sensor data

uint32_t aun_red_buffer[100]; //red LED sensor data

#endif

int32_t n_ir_buffer_length; //data length

int32_t n_spo2; //SPO2 value

int8_t ch_spo2_valid; //indicator to show if the SPO2 calculation is valid

int32_t n_heart_rate; //heart rate value

int8_t ch_hr_valid; //indicator to show if the heart rate calculation is valid

uint8_t uch_dummy;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

#if defined(ARDUINO_AVR_LILYPAD_USB)

pinMode(13, OUTPUT); //LED output pin on Lilypad

#endif

#if defined(ARDUINO_AVR_FLORA8)

//Initialize the LED

LED.begin();

LED.show();

#endif

pinMode(blinkPin, OUTPUT); //LED output pin on UNO

digitalWrite(blinkPin,HIGH); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

digitalWrite(blinkPin,LOW); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

digitalWrite(blinkPin,HIGH); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

digitalWrite(blinkPin,LOW); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

digitalWrite(blinkPin,HIGH); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

digitalWrite(blinkPin,LOW); // turn on pin 13 LED

delay(1000);

maxim_max30102_reset(); //resets the MAX30102

// initialize serial communication at 115200 bits per second:

Serial.begin(115200);

Serial.print(F("MAX30102 begins to start working"));

pinMode(10, INPUT); //pin D10 connects to the interrupt output pin of the MAX30102

delay(1000);

maxim_max30102_read_reg(REG_INTR_STATUS_1,&uch_dummy); //Reads/clears the interrupt status register

maxim_max30102_init(); //initialize the MAX30102

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

uint32_t un_min, un_max, un_prev_data, un_brightness; //variables to calculate the on-board LED brightness that reflects the heartbeats

int32_t i;

float f_temp;

un_brightness=0;

un_min=0x3FFFF;

un_max=0;

n_ir_buffer_length=100; //buffer length of 100 stores 4 seconds of samples running at 25sps

//read the first 100 samples, and determine the signal range

for(i=0;i

{

while(digitalRead(10)==1); //wait until the interrupt pin asserts

maxim_max30102_read_fifo((aun_red_buffer+i), (aun_ir_buffer+i)); //read from MAX30102 FIFO

if(un_min>aun_red_buffer[i])

un_min=aun_red_buffer[i]; //update signal min

if(un_max

un_max=aun_red_buffer[i]; //update signal max

}

un_prev_data=aun_red_buffer[i];

//calculate heart rate and SpO2 after first 100 samples (first 4 seconds of samples)

maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, n_ir_buffer_length, aun_red_buffer, &n_spo2, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);

//Continuously taking samples from MAX30102. Heart rate and SpO2 are calculated every 1 second

while(1)

{

i=0;

un_min=0x3FFFF;

un_max=0;

//dumping the first 25 sets of samples in the memory and shift the last 75 sets of samples to the top

for(i=25;i<100;i++)

{

aun_red_buffer[i-25]=aun_red_buffer[i];

aun_ir_buffer[i-25]=aun_ir_buffer[i];

//update the signal min and max

if(un_min>aun_red_buffer[i])

un_min=aun_red_buffer[i];

if(un_max

un_max=aun_red_buffer[i];

}

//take 25 sets of samples before calculating the heart rate.

for(i=75;i<100;i++)

{

un_prev_data=aun_red_buffer[i-1];

while(digitalRead(10)==1);

digitalWrite(9, !digitalRead(9));

maxim_max30102_read_fifo((aun_red_buffer+i), (aun_ir_buffer+i));

//calculate the brightness of the LED

if(aun_red_buffer[i]>un_prev_data)

{

f_temp=aun_red_buffer[i]-un_prev_data;

f_temp/=(un_max-un_min);

f_temp*=MAX_BRIGHTNESS;

f_temp=un_brightness-f_temp;

if(f_temp<0)

un_brightness=0;

else

un_brightness=(int)f_temp;

}

else

{

f_temp=un_prev_data-aun_red_buffer[i];

f_temp/=(un_max-un_min);

f_temp*=MAX_BRIGHTNESS;

un_brightness+=(int)f_temp;

if(un_brightness>MAX_BRIGHTNESS)

un_brightness=MAX_BRIGHTNESS;

}

#if defined(ARDUINO_AVR_LILYPAD_USB)

analogWrite(13, un_brightness);

#endif

#if defined(ARDUINO_AVR_FLORA8)

LED.setPixelColor(0, un_brightness/BRIGHTNESS_DIVISOR, 0, 0);

LED.show();

#endif

//send samples and calculation result to terminal program through UART

Serial.print(F("red="));

Serial.print(aun_red_buffer[i], DEC);

Serial.print(F(", ir="));

Serial.print(aun_ir_buffer[i], DEC);

Serial.print(F(", HR="));

Serial.print(n_heart_rate, DEC);

Serial.print(F(", HRvalid="));

Serial.print(ch_hr_valid, DEC);

Serial.print(F(", SPO2="));

Serial.print(n_spo2, DEC);

Serial.print(F(", SPO2Valid="));

Serial.println(ch_spo2_valid, DEC);

}

maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, n_ir_buffer_length, aun_red_buffer, &n_spo2, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);

}

}

運(yùn)行效果

初始化：

MAX30102初始化.png

無采集狀態(tài)：

無采集數(shù)據(jù).png

image.png

數(shù)據(jù)采集狀態(tài)：

數(shù)據(jù)開始采集.png

ps：這里由于整體軟件和硬件的標(biāo)準(zhǔn)沒有像醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)一樣，所以只是驗(yàn)證性測試。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的spo2数据集_Arduino 血氧心率模块传感器数据采集的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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