基於STM32的心率監控儀 —— 從原理到實現的完整技術解析
前言
心率監測技術在智能穿戴、健康管理設備中已經非常普及，但如果你想親手做一個心率監控儀，理解其硬件原理、信號採集方法以及心率算法，其實並不複雜。在大四畢業設計期間，我曾基於 STM32F103C8T6 + PulseSensor + OLED 實現過一台完整可用的心率監控儀，並將全過程整理成技術文檔。
本文將結合當時的實踐，系統講解這個小項目的實現思路，涵蓋從硬件設計、信號採集、算法處理到界面顯示的完整流程，幫助你快速入門一個小而完整的嵌入式信號採集項目。
源碼分享
直接放到之前寫的文章裏了，免費開源，下載學習即可。
https://blog.csdn.net/weixin_52908342/article/details/155599089
項目介紹
本項目的核心功能包括：
- 採集手指脈搏的光電信號
- 使用 STM32 內部 ADC 進行採樣
- 利用算法識別心率波形峯值，並計算 BPM（Beats Per Minute）
- 在 OLED 上實時顯示波形與心率數值
- 當心率異常時通過蜂鳴器報警
- 支持按鍵切換界面、關閉報警等交互
使用到的關鍵器件：
- Pulse Sensor 心率傳感器（模擬信號輸出）
- STM32F103C8T6 最小系統板
- 0.96 寸 128×64 OLED（IIC 接口）
- LED ×1
- 按鍵 ×2
- 蜂鳴器 ×1（需三極管驅動）
成品具有較清晰的心率波形顯示、較穩定的數據採集能力，以及輕量的硬件成本，非常適合作為課程設計或個人項目。
開發環境與硬件構成
軟件環境
- Windows 10
- MDK-ARM Keil 5.24
- 下載器：ST-Link / J-Link / 串口均可
硬件清單
| 器件 | 功能 |
|---|---|
| STM32F103C8T6 | 主控芯片 |
| Pulse Sensor 心率模塊 | 採集脈搏光電信號 |
| OLED（IIC） | 顯示波形與數據 |
| 蜂鳴器 + 三極管 | 心率異常報警 |
| 按鍵 2 個 | 頁面切換、報警消除 |
| LED | 心跳指示燈（可選） |
硬件電路設計
Pulse Sensor 通過光電反射檢測指尖血液流動變化，並輸出模擬電壓信號。STM32 使用 ADC1 通道 0（PA0） 進行採樣。配合簡單 RC 濾波，可有效抑制部分噪聲干擾。
OLED 使用軟件 IIC 驅動（示例中使用 PA7/SDA 和 PA8/SCL），佈線簡單，佔用資源少。
蜂鳴器由 NPN 三極管驅動，避免 GPIO 無法直接提供驅動電流的問題。
完整連接關係如下：
- Pulse Sensor → PA0（ADC）
- OLED SDA → PA7
- OLED SCL → PA8
- 按鍵 K1/K2 → 任意 GPIO（帶上拉）
- 蜂鳴器 → 三極管 → GPIO
- LED → GPIO
（電路圖略，可按你的原圖展示）
軟件設計與核心模塊
軟件部分主要包含三大模塊：
- OLED 顯示系統
- ADC 採樣與信號預處理
- 心率計算算法（峯值檢測法）
1. OLED 顯示模塊
OLED 採用軟件 IIC 驅動，兼容性好且不佔用硬件 IIC。顯示部分我在移植正點原子例程基礎上進行了：
- 優化字庫，支持顯示漢字
- 增加數字補零功能
- 提供波形繪製和連續補點，使曲線更平滑
下面是波形繪製核心代碼示例：
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 1
if(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);
}
}
#endif
OLED_DrawPoint(i, waveform[i], 1);
}
OLED_Refresh_Gram();
}
}2. Pulse Sensor 信號採樣
Pulse Sensor 輸出模擬信號，需要 STM32 的 ADC 來採集。建議採樣頻率在 400Hz～500Hz 之間（本項目使用 2ms 定時器中斷 = 500Hz）。
核心採樣流程：
- 定時器每 2ms 進入中斷
- 執行 ADC 啓動轉換
- 讀取電壓值（0–4095）
- 保存到波形緩存
- 調用心率處理算法
3. 心率計算算法（峯值檢測法）
算法原理非常經典：
- 記錄採樣時間戳（sampleCounter）
- 找到波峯（P）和波谷（T）
- 檢測信號越過閾值（thresh）時觸發一次心跳
- 計算兩次心跳間隔（IBI = Inter Beat Interval）
- BPM = 60000 / 平均 IBI
以下為簡化算法片段：
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;
}
}該算法具有較好的魯棒性，在 PulseSensor 官方算法基礎上進行了簡化與調優。
系統交互設計
實際運行中，設備具有以下操作流程：
-
按鍵 K1：切換界面
- 界面 1：顯示心率數值、ADC 原始數據等
- 界面 2：實時心率波形顯示
-
手指檢測機制
- 利用採集到 0 值的“空白時間段”判斷是否有人手放上傳感器
-
心率異常報警
- 當 BPM 不在設定區間（如 40–150）蜂鳴器報警
- 按鍵 K2：關閉蜂鳴器
成品展示
你可以使用原項目中的圖片，例如：
- 心率動態波形圖
- 心率數據界面
- 實際測試圖
總結
本項目雖然硬件簡單，但涵蓋了 傳感器信號採集 → 嵌入式算法處理 → 波形圖形化顯示 → 用户交互設計 的完整體系，非常適合作為嵌入式入門項目或課程設計。
你可以在此基礎上繼續擴展：
- 通過 BLE/WiFi 上傳數據
- 加濾波器、卡爾曼算法優化心率穩定性
- 更換更高性能的 MCU
- 增加 PPG 信號分析與 HRV（心率變異性）計算
