基于HS1101的呼吸频率测量系统及其上位机的设计

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摘要

本报告设计了一种基于HS1101传感器的呼吸频率监测系统，该系统通过采集呼吸引起的湿度变化实现实时监测。系统采用频率输出电路，以高响应速度满足呼吸频率测量需求。硬件部分包括自制传感器PCB和STM32扩展接口板，软件部分则涉及STM32的频率读取与串口通信，以及基于Python的PC端上位机开发。上位机通过数据可视化和算法处理提取呼吸频率和周期，实现了高精度、低延迟的呼吸监测功能。测试结果验证了系统在监测成人静息呼吸频率方面的准确性和稳定性，。针对传感器响应速度慢的问题，通过硬件优化和软件多线程处理提升了系统性能。该系统为医学监护和睡眠质量评估提供了一种有效的监测工具。

关键词：HS1101传感器、呼吸监测、上位机设计、实时数据监测、湿度变化、频率输出电路、STM32、PC端软件、医学监护

设计任务

根据图1要求，设计一个基于HS1101变介质电容的呼吸检测系统，实时采集呼吸引起的湿度变化，通过数据采集与处理模块传输至上位机，在PC端实现呼吸周期的实时监测与显示。上位机需具备数据接收、呼吸周期提取、曲线实时显示、参数计算与存储功能，确保系统具备高精度、低延迟的实时监测能力，满足医学监护和睡眠质量检测等应用需求。

方案选择与设计

查阅HS1101LF的数据手册[1]，得10KHz测量频率、25℃下的响应曲线如图所示。该曲线较为平滑，电容与湿度的变化近似为线性变化。根据HS1101LF的这一特性，人在呼吸时会带动周围空气的湿度变化，进而引起HS1101变介质电容值的变化，具体公式如下：

其中为湿度55%时对应的电容值，通过测量电容值的变化即可初步测定呼吸频率。

有序呼吸十次，使用实验室仪器对HS1101电容进行精确测量，测量频率为5KHz时得到如图3左侧所示的波形。将数据导出，并使用Origin绘图得到如图3右侧所示的响应曲线。

从测量图3中可以看出，电容随呼气增大，吸气下降，即湿度增大电容增大，这与图1所示的响应曲线一致。但十次呼吸只有8次响应，且电容变化量仅有2pF，因此直接测量电容变化量较为困难，易产生误差，下面提出两种方案。

比例电压输出电路

该电路是一个比例电压输出型湿度测量系统，用于将环境湿度变化转换成与之成比例的电压信号。电路由参考振荡器和传感器振荡器构成，参考振荡器提供稳定的基准频率，而传感器振荡器的频率会随着湿度变化而发生偏移，这种变化可以通过HS1101变介质式电容值的改变来实现。