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 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。
系统交互设计
实际运行中，设备具有以下操作流程：
按键 K1：切换界面
- 界面 1：显示心率数值、ADC 原始数据等
- 界面 2：实时心率波形显示
手指检测机制
- 利用采集到 0 值的“空白时间段”判断是否有人手放上传感器
心率异常报警
- 当 BPM 不在设定区间（如 40–150）蜂鸣器报警
按键 K2：关闭蜂鸣器
成品展示
你可以使用原项目中的图片，例如：
- 心率动态波形图
- 心率数据界面
- 实际测试图
总结
本项目虽然硬件简单，但涵盖了 传感器信号采集 → 嵌入式算法处理 → 波形图形化显示 → 用户交互设计 的完整体系，非常适合作为嵌入式入门项目或课程设计。
你可以在此基础上继续扩展：
- 通过 BLE/WiFi 上传数据
- 加滤波器、卡尔曼算法优化心率稳定性
- 更换更高性能的 MCU
- 增加 PPG 信号分析与 HRV（心率变异性）计算
