Датчик пульса: принцип работы и практические применения

Что такое пульс?

Пульс — ритмическое сокращение камер сердца, проталкивающее кровь по телу. Число сокращений в минуту — частота сердечных сокращений (ЧСС). Осязаемый пульс — в артериях близко к коже — внешнее проявление этой частоты.

Два способа измерения пульса

• Ручной метод: Счёт пульса на запястье (радиальный) или шее (каротидный). Ложь указательный и средний пальцы легко на выбранное место, посчитайте 30 секунд, затем удвойте для ЧСС. Минимум давления, сдвигайте пальцы, пока не почувствуете пульс.
• Сенсорный метод: Детектирование изменений интенсивности света, вызванных флуктуациями объёма крови при каждом ударе.

Принцип датчика пульса

Датчики пульса используют фотоплетсмографию (ФПГ). Они измеряют изменения объёма крови в ткани, меняющие количество проходящего или отражённого света. Поскольку кровь поглощает свет, вариации отражённого или прошедшего света напрямую соответствуют пульсациям сердца.

ФПГ выполняется двумя основными способами:

Прохождение: Свет проходит через сосудистую область (например, мочка уха) и принимается с другой стороны.

Отражение: Свет отражается от поверхности ткани (например, пальца).

Как работает датчик пульса

Типичный датчик состоит из светодиода и фотодетектора — фотодиода или фоторезистора. Когда светодиод освещает ткань, часть света поглощается кровью, а остаток отражается или проходит к детектору. Электрический выход детектора содержит постоянную составляющую (поглощение тканью) и переменную, синхронную с каждым пульсом.

Для выделения переменной составляющей выход детектора фильтруется через двухступенчатую высоко/низкочастотную цепь, затем преобразуется в цифровую последовательность импульсов компаратором или АЦП. Частота импульсов (f) поступает в микроконтроллер, который вычисляет ЧСС формулой:

ЧСС = 60 × f

Практические датчики пульса

Популярные модули: Heart Rate Sensor (Product No PC-3147), использующий ИК-светодиод и LDR на клипсе для мочки уха или пальца.

Другой популярный выбор — TCRT1000, 4-пиновый оптический датчик. Пин 1 питает светодиод, пины 2 и 3 — земля, пин 4 — выход. При включении датчик можно монтировать на носимое устройство на запястье и передавать данные по Bluetooth для удалённого мониторинга.

Сборка простой системы датчика пульса

Базовую систему можно собрать с LDR, компаратором (LM358) и микроконтроллером. Ниже типичная схема.

LDR выступает детектором света: при росте интенсивности сопротивление падает; при падении — растёт. LM358 сравнивает напряжение LDR с фиксированным порогом от делителя напряжения. Когда тканевой пульс уменьшает свет на LDR, его сопротивление растёт, поднимая напряжение выше порога и выдавая логическую единицу. Полученная последовательность импульсов идёт в микроконтроллер, который вычисляет частоту сердца и выводит на экран.

Видео-объяснение схемы датчика пульса