基于STM32单片机生理监控心率脉搏TFT彩屏波形曲线加体温测量

1. 系统功能介绍

本设计的题目为基于STM32单片机生理监控心率脉搏TFT彩屏波形曲线加体温测量。整个系统的核心在于通过传感器采集人体的关键生理参数，并利用STM32单片机进行处理，最终将数据以可视化的方式在TFT液晶上显示出来。与传统的心率体温检测仪不同，本系统不仅能够提供心率和体温的实时数值，还能绘制动态曲线，直观反映心率的波动情况。

系统的主要功能如下：

1. 实时监测与显示：通过心率传感器与温度传感器，采集人体心率、脉搏信号以及体温，并在TFT液晶上实时显示。
2. 曲线绘制：系统能够将心率传感器输出的模拟信号经过A/D采样和处理后绘制成曲线，用户能够直观观察心率的动态变化。
3. 阈值报警功能：系统支持通过按键设置心率报警阈值，当检测值超过阈值时，蜂鸣器报警，同时显示数值变为红色警示。若未超出阈值，蜂鸣器保持静音，数值以蓝色显示。
4. 按键设置功能：用户可通过“设置按键”进入阈值设置模式，并使用“设置+”、“设置-”按键来调节心率报警阈值，设置直观、操作简单。
5. 多功能显示：系统不仅显示心率与体温的数值，还能同时显示心率波形，增强数据的直观性与可读性。

该系统的设计不仅适合用于家庭健康监护，同时在医疗教学实验、运动训练监控等方面也具有应用价值。

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2. 系统电路设计

本系统由STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，外设电路包括心率传感器模块、DS18B20温度传感器、TFT彩屏显示模块、按键电路和蜂鸣器报警电路。以下对各部分进行详细介绍。

2.1 STM32F103C8T6单片机核心电路

STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机，主频72MHz，内置丰富的外设接口如GPIO、ADC、定时器、USART、SPI、I2C等，非常适合本系统的多任务需求。

在本系统中，STM32主要承担以下功能：

1. 接收心率传感器的模拟信号并通过ADC进行采样。
2. 读取DS18B20传感器的数字温度数据。
3. 驱动TFT彩屏，显示数值及绘制曲线。
4. 读取按键输入，执行阈值设置逻辑。
5. 控制蜂鸣器，实现超阈值报警功能。

2.2 心率传感器电路

心率传感器通过光电容积脉搏波（PPG）原理工作。传感器发射红外或绿光穿过手指，光敏元件接收反射或透射光的强弱变化，进而反映血液脉动信息。传感器将信号输出为模拟电压信号。

STM32的ADC通道负责对模拟信号进行采样，通过滤波和峰值检测算法提取心率值。与此同时，采样信号会被用于绘制波形曲线，实现动态显示。

2.3 DS18B20温度传感器电路

DS18B20是一款数字温度传感器，单总线通信方式，测温精度高，适合人体体温测量。其测量范围为-55℃至+125℃，精度可达±0.5℃。

在本系统中，STM32通过单总线与DS18B20通信，定时读取温度值并显示在液晶屏上。体温测量功能补充了心率监控，实现更全面的生理参数检测。

2.4 TFT彩屏显示电路

TFT彩屏作为人机交互的核心界面，能够直观显示心率、体温、报警信息及心率曲线。显示内容主要包括：

1. 数字显示当前心率与体温值。
2. 曲线区域实时绘制心率波形。
3. 阈值设置信息与报警提示。

STM32通过SPI接口与TFT屏通信，利用专用驱动库完成数据绘制与刷新。

2.5 按键电路

本系统设计三个按键：

1. 设置键：进入或退出阈值设置模式。
2. 加键：在设置模式下增加心率阈值。
3. 减键：在设置模式下减少心率阈值。

按键采用上拉电阻方式，按下时输入低电平。STM32通过GPIO口读取按键状态，结合消抖程序确保按键响应可靠。

2.6 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器采用有源蜂鸣器，控制简单，只需提供高低电平信号即可发声。

1. 当心率超过阈值时，STM32输出高电平驱动蜂鸣器报警，同时将心率值以红色显示。
2. 当心率在正常范围时，蜂鸣器关闭，心率值以蓝色显示。

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3. 程序设计

程序设计是系统实现的关键环节。本系统采用模块化编程思路，将不同功能划分为独立的程序模块，分别介绍如下。

3.1 主程序设计

主程序作为系统核心，负责初始化各模块、调用传感器采集数据、刷新显示、处理按键输入及执行报警逻辑。

主要任务流程如下：

1. 系统初始化（时钟、GPIO、ADC、SPI等外设）。
2. 进入主循环，依次执行数据采集、数据处理、曲线绘制、按键处理和报警判断。
3. 定时任务负责更新屏幕显示和绘制曲线。

示例代码：

int main(void)
{SystemInit();        // 系统时钟初始化LCD_Init();          // TFT液晶初始化DS18B20_Init();      // 温度传感器初始化ADC_Config();        // ADC配置用于心率采样Key_Init();          // 按键初始化Buzzer_Init();       // 蜂鸣器初始化while(1){float temp = DS18B20_ReadTemp();   // 读取体温int heart = HeartRate_GetValue();  // 获取心率LCD_DisplayData(temp, heart);      // 显示数据Curve_Draw(heart);                 // 绘制心率曲线Key_Scan();                        // 检测按键Alarm_Check(heart);                // 报警判断}
}

3.2 心率检测程序设计

心率检测主要通过ADC采样心率传感器输出信号，然后经过滤波、峰值检测和周期计算得到心率值。

关键步骤：

1. 采样频率设置为200Hz左右，保证捕捉脉搏波。
2. 使用滑动平均滤波算法去除高频噪声。
3. 峰值检测提取脉搏波周期，计算心率值。

示例代码：

int HeartRate_GetValue(void)
{static int heartRate = 0;static int sampleCount = 0;int adcValue = ADC_Read();  // 简单滤波adcValue = LowPassFilter(adcValue);// 峰值检测if(IsPeak(adcValue)) {heartRate = CalculateHeartRate();}sampleCount++;return heartRate;
}

3.3 温度测量程序设计

温度测量模块负责通过单总线协议与DS18B20通信，周期性读取体温并显示。

示例代码：

float DS18B20_ReadTemp(void)
{uint16_t temp;DS18B20_Start();Delay_ms(750);temp = DS18B20_Read();return (float)temp / 16.0;   // 转换为摄氏度
}

3.4 TFT彩屏显示程序设计

显示模块负责输出心率、体温数值以及绘制心率曲线。

示例代码：

void LCD_DisplayData(float temp, int heart)
{LCD_ShowString(10, 10, "Heart Rate:");LCD_ShowNum(120, 10, heart, 3, BLUE);LCD_ShowString(10, 30, "Temp:");LCD_ShowNum(120, 30, (int)temp, 2, GREEN);
}

3.5 按键控制程序设计

通过扫描按键状态实现阈值的设置与调节。

示例代码：

void Key_Scan(void)
{if(Key_Read(SET_KEY) == 0) { settingMode = !settingMode; }if(settingMode){if(Key_Read(ADD_KEY) == 0) { threshold++; }if(Key_Read(SUB_KEY) == 0) { threshold--; }}
}

3.6 报警程序设计

报警模块根据心率值与阈值进行比较，执行蜂鸣器报警与颜色切换。

示例代码：

void Alarm_Check(int heart)
{if(heart > threshold){Buzzer_On();LCD_SetColor(RED);}else{Buzzer_Off();LCD_SetColor(BLUE);}
}

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4. 总结

本系统基于STM32单片机，结合心率传感器与温度传感器，实现了心率、脉搏波形及体温的实时检测和显示，并通过TFT液晶直观展现数据。系统具备阈值报警功能，保障使用者能够在心率异常时及时获知风险。通过模块化电路设计与程序实现，该系统不仅满足家庭健康监测的需求，同时具有科研教学和运动医学方面的应用前景。

整个设计充分体现了嵌入式系统在健康监测领域的优势，将传感器技术、信号处理、数据可视化和人机交互有机结合，展示了STM32在医疗电子中的广泛应用潜力。