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使用Arduino通过LCD显示屏显示心率血氧

已有 4629 次阅读2020-4-15 18:02 |个人分类:tft lcd module| tft lcd, arduino

简介

前段时间在网上购物时发现了一款心率传感器模块MAX30100，这个模块可以采集用户的血氧和心率数据，使用起来也很简单方便。

通过查资料发现在Arduino的库文件中有MAX30100的库文件，也就是说如果我使用Arduino和MAX30100通讯的话，可以直接调用Arduino的库文件，不需要自己再重新写驱动文件，这是一件好事，于是我买下了这个MAX30100的模块。

我决定使用Arduino来验证MAX30100的心率和血氧的采集功能。

MAX30100模块的购买链接：

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.69.c0c56556o8wH44&id=559690766124&ns=1&abbucket=2#detail

注意：这个模块默认情况下只能与3.3V电平的MCU通讯，因为它的IIC引脚默认是用4.7K的上拉电阻接到1.8V，所以默认情况下是无法与Arduino通讯的，如果要与Arduino通讯，需要把IIC引脚的两个4.7K上拉电阻连接到VIN引脚，这些内容会在后面的章节介绍。

功能确认

在开始做这个项目之前，我先构思一下简单的功能：

l 采集心率数据、血氧数据

l 通过LCD显示屏显示出心率和血氧数据

功能就这两点，但是如果要实现的话，我们还需要做进一步的构思：

l 使用什么主控MCU？

l 使用什么显示屏？

MCU前面我们已经说到了，使用Arduino做主控MCU，但是这是一个Arduino LCD显示项目，所以还需要选择合适的LCD显示模组。LCD显示屏我打算使用

简单的串口显示屏，我这里有一块STONE STVI070WT显示屏，但是Arduino如果需要与它通讯的话，需要用MAX3232来做电平转换。

那么我们的基本电子物料就确定了：

1、 Arduino Mini Pro开发板

2、 MAX30100心率和血氧传感器模块

3、 STONE STVI070WT-01 LCD串口显示屏模组

4、 MAX3232模块

硬件介绍
MAX30100

MAX30100是一个集成的脉搏血氧饱和度和心率监测传感器解决方案。

它结合了两个led, 光电探测器，优化光学，低噪声模拟信号处理检测脉搏血氧饱和度和率

信号。MAX30100的工作电压是1.8V和3.3V，并可以通过软件配置使它进入待机状态。

应用场景：

● 可穿戴设备

● 健身辅助设备

● 医疗监控设备

特性

●超低功耗运行，延长电池使用寿命

1、可穿戴设备

2、可编程采样率和LED电流

3、电能节约

4、超低休眠电流(0.7µa typ)

●精准测量

1、高信噪比提供了强大的运动伪影恢复能力

2、集成环境光消除

3、高采样率能力

4、快速数据输出能力

检测原理

只需要将手指头紧贴在传感器上，就能估计脉搏血氧饱和度(SpO2)及脉搏(相当于心跳)。

携带氧气的红血球能吸收较多红外光(850-1000nm)，未携带氧气的红血球则是吸收较多的红光(600-750nm)，因此pulse oximeter就是一个迷你的分光计，利用不同红血球之吸收光谱的原理，来分析血氧饱和度。这种实时而快速的测量方式，也广泛被运用在许多临床的参考。

关于MAX30100我不做过多的介绍，因为这些资料我们再网上都可以获取到，有兴趣的朋友可以到网络上查找这个心率测试模块的资料，更深入地了解它的检测原理。

STONE STVI070WTLCD-TFT显示屏介绍

在这个项目中，我打算使用STONE STVI070WT这款显示屏来显示心率和血氧数据。

这款显示屏内部已经集成了驱动芯片，并且有上位机可以给用户使用，使用者只需要把设计好的UI图片通过上位机进行按钮，文本框等逻辑添加，然后生成配置文件下载到显示屏中就可以运行了。

STVI070WT-01这款显示屏是通过UART-RS232信号跟MCU通讯的，这说明我们需要增加一个MAX3232芯片，把RS232信号转换成TTL信号，才可以和Arduino的MCU通讯。

如果你不清楚怎样使用MAX3232，可以参考下面的图片：

如果觉得电平转换太麻烦，可以选用STONE其他型号的显示屏，有些型号可以直接输出UART-TTL信号。

官网有详细的资料和介绍：https://www.stoneitech.com/

如果需要视频教程和使用教程，也可以在官网找到。

开发步骤

STONE显示屏开发的三个步骤：

l 用STONE TOOL软件设计显示逻辑和按钮逻辑，并把设计文件下载到显示屏模组上。

l MCU通过串口跟STONE LCD显示模组通信。

l 通过步骤2取得的数据，MCU做其他动作。

STONE TOOL软件安装

在官网上下载最新版本的STONE TOOL软件（目前最新版本是TOOL2019）,然后安装。

软件安装完成以后，打开软件将是以下界面：

点击左上角的“File”按钮就可以新建项目了，这个我们后面在介绍。

Arduino

开发环境

Arduino的开发环境是Arduino IDE，在网络上就可以下载到。

陆 Arduino 官方网站软件下载 https://www.arduino.cc/en/Main/Software?setlang=cn

安装完Arduino IDE以后，打开软件将会是以下界面：

Arduino IDE默认为我们创建了两个函数：setup函数和loop函数。

关于Arduino的介绍网络上也有很多，大家如果有不明白的可以直接到网络上去查找。

Arduino LCD显示项目实施过程
硬件连接

要确保后面编写代码的工作能顺利进行，我们必须要先确定硬件连接的可靠性。

本项目中只用到了四个硬件：

1、 Arduino Mini pro开发板

2、 STONE STVI070WT-01 TFT-LCD显示屏

3、 MAX30100心率和血氧传感器

4、 MAX3232（RS232-->TTL）

Arduino Mini Pro开发板和STVI070WT-01 TFT-LCD显示屏通过UART连接，这中间需要通过MAX3232进行电平转换，然后Arduino Mini pro开发板与MAX30100模块通过IIC接口连接。

思路理清以后，可以绘制出下面的接线图片：

确定硬件连接没有错误，然后进入下一步的工作。

LCD-TFT显示屏用户界面设计

首先我们需要设计一张UI显示图片，可以使用PhotoShop软件设计，也可以使用其他图片设计工具设计，设计UI显示图片片以后，把图片保存未JPG格式。

打开STONE TOOL2019软件，新建一个项目：

删除掉新建项目默认加载的图片，然后添加我们设计好的UI图片。

添加文本显示组件，设计显示的位数和小数点，获取文本显示组件在显示屏中的存储位置。

效果如下：

文本显示组件的地址：

l Connection sta : 0x0008

l Heart rate : 0x0001

l Blood oxygen : 0x0005

UI界面主要内容如下：

l 心率显示

l 血氧显示

l 心脏跳动效果

生成配置文件

上面的UI界面设计完成以后，就可以生成配置文件，然后把配置文件下载到STVI070WT显示屏中，这一部分的操作在STONE的开发资料中有介绍。

先执行步骤1，然后再电脑中插入U盘，此时会显示盘符，然后点击“Download to u-disk”把配置文件下载到U盘中，再把U盘插入STVI070WT-01，就可以完成升级。

MAX30100

MAX30100的通信方式是通过IIC进行通信。其工作原理是通过红外led灯照射，能够得到心率的ADC值。 MAX30100的寄存器可以分为五类，状态寄存器、FIFO、控制寄存器、温度寄存器、ID寄存器。温度寄存器是读取芯片的温度值，以矫正因为温度而产生的偏差。ID寄存器可以读取芯片的ID号。

MAX30100通过IIC通讯接口和Arduino Mini Pro开发板连接，由于Arduino IDE里面有现成的MAX30100库文件，所以我们可以不用研究MAX30100的寄存器，只需要调用Arduino里面的接口就可以实现心率和血氧数据读取。

有兴趣研究MAX30100的寄存器的朋友可以查看MAX30100的Datasheet。

修改MAX30100 IIC上拉电阻

需要注意的是，MAX30100模块的IIC引脚的4.7K上拉电阻是接到1.8V的，这个理论上是没什么问题的，但是Arduino的IIC引脚通讯逻辑电平是5V的，所以在不改动MAX30100模块硬件的情况下，它是无法跟Arduino通讯的。如果MCU使用的是STM32或者其他3.3V逻辑电平的MCU，就可以直接通讯。

所以，需要做以下改动：

把图片中标出来的三个4.7K的电阻用电烙铁取下来。然后在SDA、SCL引脚处再焊接两个4.7K的电阻接到VIN引脚，这样就可以和Arduino通讯了。

如果项目中需要用到INT引脚，那么还需要把INT引脚也焊接一个4.7K的电阻连接到VIN引脚。

INT引脚是中断功能，当检测到心跳时，这个引脚会中断一次，可以用来做心跳检测。

Arduino

打开Arduino IDE，找到以下按钮：

搜索“MAX30100”，找到两个MAX30100的库文件，然后点击下载安装。

安装完成以后就可以在Arduino的LIB库文件夹里面找到MAX30100的Demo：

鼠标双击这个文件就可以打开了。

这个Demo就可以直接测试了，在确保硬件连接没问题的情况下，把这个代码编译下载到Arduibo开发板中，就可以在串口调试工具中看到MAX30100的数据了。

完整的代码如下：

Arduino-MAX30100 oximetry / heart rate integrated sensor library

This program is free software: you can redistribute it and/or modify

it under the terms of the GNU General Public License as published by

the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

(at your option) any later version.

This program is distributed in the hope that it will be useful,

but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

GNU General Public License for more details.

You should have received a copy of the GNU General Public License

along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

#include <Wire.h>

#include "MAX30100_PulseOximeter.h"

#define REPORTING_PERIOD_MS 1000

// PulseOximeter is the higher level interface to the sensor

// it offers:

// * beat detection reporting

// * heart rate calculation

// * SpO2 (oxidation level) calculation

PulseOximeter pox;

uint32_t tsLastReport = 0;

// Callback (registered below) fired when a pulse is detected

void onBeatDetected()

{

Serial.println("Beat!");

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

Serial.print("Initializing pulse oximeter..");

// Initialize the PulseOximeter instance

// Failures are generally due to an improper I2C wiring, missing power supply

// or wrong target chip

if (!pox.begin()) {

Serial.println("FAILED");

for(;;);

} else {

Serial.println("SUCCESS");

}

// The default current for the IR LED is 50mA and it could be changed

// by uncommenting the following line. Check MAX30100_Registers.h for all the

// available options.

// pox.setIRLedCurrent(MAX30100_LED_CURR_7_6MA);

// Register a callback for the beat detection

pox.setOnBeatDetectedCallback(onBeatDetected);

}

void loop()

{

// Make sure to call update as fast as possible

pox.update();

// Asynchronously dump heart rate and oxidation levels to the serial

// For both, a value of 0 means "invalid"

if (millis() - tsLastReport > REPORTING_PERIOD_MS) {

Serial.print("Heart rate:");

Serial.print(pox.getHeartRate());

Serial.print("bpm / SpO2:");

Serial.print(pox.getSpO2());

Serial.println("%");

tsLastReport = millis();

}

这套代码非常简单，相信大家一看就能明白，不得不说Arduino的模块化编程是非常方便的，我甚至都不用去了解Uart和IIC的驱动代码是如何实现的。

当然了，上面的代码是官方的Demo，要把数据显示到STONE显示屏，我还需要做一些修改。

通过Arduino把数据显示到STONE显示屏

首先我们需要获取到STONE显示屏中显示心率和血氧数据的组件地址：

在我的项目中，地址如下：

心率显示组件地址：0x0001

血氧显示组件地址：0x0005

传感器连接状态地址：0x0008

如果需要改变对应的空间的显示内容，只需要通过Arduino的串口向显示屏相应的地址发送数据就可以改变显示的内容了。

修改以后的代码如下：

Arduino-MAX30100 oximetry / heart rate integrated sensor library

This program is free software: you can redistribute it and/or modify

it under the terms of the GNU General Public License as published by

the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

(at your option) any later version.

This program is distributed in the hope that it will be useful,

but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

GNU General Public License for more details.

You should have received a copy of the GNU General Public License

along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

#include <Wire.h>

#include "MAX30100_PulseOximeter.h"

#define REPORTING_PERIOD_MS 1000

#define Heart_dis_addr 0x01

#define Sop2_dis_addr 0x05

#define connect_sta_addr 0x08

unsigned char heart_rate_send[8]= {0xA5, 0x5A, 0x05, 0x82,\

0x00, Heart_dis_addr, 0x00, 0x00};

unsigned char Sop2_send[8]= {0xA5, 0x5A, 0x05, 0x82, 0x00, \

Sop2_dis_addr, 0x00, 0x00};

unsigned char connect_sta_send[8]={0xA5, 0x5A, 0x05, 0x82, 0x00, \

connect_sta_addr,0x00, 0x00};

// PulseOximeter is the higher level interface to the sensor

// it offers:

// * beat detection reporting

// * heart rate calculation

// * SpO2 (oxidation level) calculation

PulseOximeter pox;

uint32_t tsLastReport = 0;

// Callback (registered below) fired when a pulse is detected

void onBeatDetected()

{

// Serial.println("Beat!");

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

// Serial.print("Initializing pulse oximeter..");

// Initialize the PulseOximeter instance

// Failures are generally due to an improper I2C wiring, missing power supply

// or wrong target chip

if (!pox.begin()) {

// Serial.println("FAILED");

// connect_sta_send[7]=0x00;

// Serial.write(connect_sta_send,8);

for(;;);

} else {

connect_sta_send[7]=0x01;

Serial.write(connect_sta_send,8);

// Serial.println("SUCCESS");

}

// The default current for the IR LED is 50mA and it could be changed

// by uncommenting the following line. Check MAX30100_Registers.h for all the

// available options.

pox.setIRLedCurrent(MAX30100_LED_CURR_7_6MA);

// Register a callback for the beat detection

pox.setOnBeatDetectedCallback(onBeatDetected);

}

void loop()

{

// Make sure to call update as fast as possible

pox.update();

// Asynchronously dump heart rate and oxidation levels to the serial

// For both, a value of 0 means "invalid"

if (millis() - tsLastReport > REPORTING_PERIOD_MS) {

// Serial.print("Heart rate:");

// Serial.print(pox.getHeartRate());

// Serial.print("bpm / SpO2:");

// Serial.print(pox.getSpO2());

// Serial.println("%");

heart_rate_send[7]=(uint32_t)pox.getHeartRate();

Serial.write(heart_rate_send,8);

Sop2_send[7]=pox.getSpO2();

Serial.write(Sop2_send,8);

tsLastReport = millis();

}

编译这些代码，然后下载到Arduino开发板中，就可以开始测试了。

我们可以发现，当手指离开MAX30100时，心率和血氧显示的是0。把手指放到MAX30100的采集器上，就可以实时看到自己的心率和血氧数据了。

运行效果可以参考下面的图片：

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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