DIY 高精度血氧传感器制作指南：红外/红光、Arduino、LCD 与元件全解析

元件清单

所需工具

• 烙铁（鸥翼头）

软件与在线服务

• Arduino IDE

项目原理与制作过程

血氧饱和度与 COVID-19

疫情期间，血氧饱和度（SpO₂）成为重要健康指标。正常人 SpO₂ ≥ 95%，若低于 90% 并伴有咳嗽、发热，需就医。指夹式血氧仪利用红光（~660 nm）与红外光（~940 nm）对含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收差异，无创测量 SpO₂。若制造者能自制血氧仪，可辅助早期筛查，减少恐慌性就医。

先理解心率传感器原理

项目起步于常见的 KY-039 心率模块：一颗红外 LED 照射光电二极管，配两个电阻限流与采样。手指置于两者间，血液搏动导致透光率周期性变化，光电二极管输出电流随之变化，经放大后即可得到脉搏波形。若无 KY-039，可自行搭建：仅需红外 LED、光电二极管、三个电阻。

通过计数波峰获取心率

信号含噪声且幅度小，需滑动平均滤波（窗口 4 个样本）并消除 50 Hz 电源干扰。采用“连续 N 个样本上升”判定波峰（代码中 rise_threshold = 3），统计单位时间内波峰数即得 BPM。关键在于选取合适的阈值，避免将双峰波的切迹误判为心跳。

构建血氧仪：改造 KY-039 增加红光通道

血液对红光（~600 nm）和红外光（~950 nm）吸收随含氧量不同。在 KY-039 基础上断开红外 LED 与 VCC，分别用 330 Ω 电阻接两个 Arduino 引脚，新增一颗 600 nm 红光 LED。交替点亮两 LED，同一光电二极管分时采样，得到红光与红外两路信号。原理图见文中图示。

SpO₂ 计算公式与校准

根据米兰理工大学文献，定义比值 R：

R = ((REDmax - REDmin) / REDmin) / ((IRmax - IRmin) / IRmin)

每个心跳周期内，采样率 40 ms（红/红外各 20 ms），周期长度 L = 周期/40 个样本。在最近 L 个样本中求两路信号的最大最小值，算出 R。R 与 SpO₂ 的关系近似线性：SpO₂ = K × R + M。需用市售血氧仪作参考，记录两组（正常呼吸、屏气）的 SpO₂ 与 R 值，解二元一次方程得 K、M。作者实测校准公式为 SpO₂ = -19 × R + 112。显示前要求最近 5 个周期稳定（±10%），以提高可靠性。

改进：消除环境光干扰

低成本元件极易受环境光影响。作者加装一颗常亮白光 LED，并用黑布遮挡传感器，提供恒定背景光。改进后读数稳定，不再随环境光变化，但需重新校准。

核心代码（oximeter-diy-ver-0.92.ino）

/* DIY 血氧仪 v0.92
 * 基于 KY-039 改造或自制红外/红光+光电二极管传感器
 */
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define MAX_PERIOD_SIZ 80
#define MEASURES 10
#define SAMP_SIZ 4
#define RISE_THRESHOLD 3

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2);
int T = 20;                // 单通道采样时隙(ms)
int sensorPin = A1;
int REDLed = 3;
int IRLed = 4;

// 自定义字符：心形、问号等
byte sym[3][8] = { ... };

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(sensorPin, INPUT);
  pinMode(REDLed, OUTPUT);
  pinMode(IRLed, OUTPUT);
  lcd.init(); lcd.backlight();
  digitalWrite(REDLed, LOW); digitalWrite(IRLed, LOW);
  for(int i=0;i<8;i++) lcd.createChar(i, sym[i]);
}

void loop() {
  // 交替点亮 IR/RED，各采样 20 ms 并滑动平均
  // 存入环形缓冲，周期满时计算 R
  // 滑动平均检测 IR 波峰，计算 BPM
  // 稳定后用校准公式换算 SpO₂，LCD 显示
  // 串口输出原始波形供绘图调试
}

完整代码请见项目附件，已包含详细注释。

原理图

基于 KY-039 改造或全新搭建的电路原理图（Fritzing 文件 oximeter-diy_oW9ZI5zQtJ.fzz）。

关键提示

• 手指放置要稳，指甲贴紧 LED，测量期间勿移动、勿遮挡环境光。
• 采样时隙 20 ms 可有效抑制 50 Hz 交流干扰。
• 校准需市售血氧仪配合，两点法求线性系数。
• 改进版加装白光 LED + 遮光罩，显著提升稳定性。
• 本项目仅供教学/实验参考，非医疗器械，不可用于临床诊断。