Полное руководство по сборке надежного измерителя частоты сердечных сокращений

Измерители пульса (heart rate monitors) сегодня повсюду: в смарт-часах, фитнес-браслетах, смартфонах. Если вы хотите понять принцип их работы и собрать свой — вы по адресу.

Здесь вы узнаете секрет работы схемы пульсометра и соберете несколько вариантов за пару простых шагов.

Концепция датчика пульса

Датчики пульса критически важны для пациентов и спортсменов для контроля состояния сердца. Самый доступный способ — оптический датчик пульса: портативный, компактный, дающий мгновенные показания.

Смарт-часы с пульсометром

Они измеряют время, затрачиваемое сердцем на сокращение и расслабление в минуту (уд/мин).

Структура измерителя пульса

Базовый модуль содержит:

• ИК-светодиод (ИК-ИС)
• Фотодиод (приемник)
• Управляющая схема (ОУ, фильтры, компаратор)

Выходной сигнал совместим с микроконтроллерами (Arduino, ESP и др.).

Схема датчика пульса (пальцевой)

Датчик устанавливается на палец. Пульсация крови меняет интенсность отраженного/прошедшего ИК-света. Фотодиод фиксирует эти изменения.

Сигнал с фотодиода через конденсатор (блокирует постоянную составляющую) подается на первый ОУ (LM358) как неинвертирующий усилитель с коэффициентом ~100 и полосой пропускания ~1 Гц. Второй ОУ работает как компаратор, его выход через транзистор (BC547) идет к микроконтроллеру. Светодиод на коллекторе транзистора мигает в такт пульсу.

Проектирование схем: три варианта

Вариант 1: Датчик пульса на LM358

Детекция пульса через ИК-передатчик и приемник. Один ИК-диод излучает свет сквозь палец, второй (фотодиод) измеряет отраженную интенсивность.

Иллюстрация схемы пульсометра на LM358

Распиновка LM358

Компоненты:

• ОУ LM358 (1)
• Электролитический конденсатор 4,7 мкФ (1)
• Керамический конденсатор 100 нФ (1)
• Батарея 9 В (1)
• Пара ИК-светодиодов (1)
• Светодиод 5 мм индикации (1)
• Резисторы: 220 кОм (2), 10 кОм, 680 кОм, 6,8 кОм, 47 кОм
• Датчик пульса PC3 (опционально, 1)

Сборка:

1. Установите LM358 на печатную плату
2. Установите все светодиоды
3. Установите конденсаторы
4. Установите все резисторы
5. Подключите батарейный отсек, проверьте работу

Важно: все соединения паять.

Принцип работы:

Два ИК-фотодиода: один — излучатель, второй — приемник. Интенсивность отраженного света зависит от: (1) частоты сердечных сокращений, (2) изменения оксигенированности крови.

Вариант 2: Датчик пульса на Arduino

Готовый модуль с пальцевым клипом, три вывода: VCC, GND, Signal.

Модуль пульсометра для Arduino

Компоненты:

• Arduino (1)
• Потенциометр 10 кОм (1) — для контраста LCD
• Резистор 330 Ом (1) — подсветка LCD
• LCD дисплей 16×2 (1)
• Перемычки, кнопка, макетная плата
• Модуль пульсометра с пальцевым датчиком (1)

Интерфейсинг датчика с Arduino

Для вывода пульса в уд/мин на LCD 16×2:

• Данные LCD (D4–D7) → пины Arduino
• Потенциометр 10 кОм → вывод 3 LCD (контраст)
• RS и E LCD → пины Arduino
• Выход датчика (Signal) → аналоговый вход A0 Arduino

Программный код:

Ссылка на готовый скетч (в оригинале). Код считывает аналоговый сигнал, фильтрует, находит пики, считает BPM и выводит на LCD.

Как пользоваться:

1. Наденьте клип на любой палец, кроме большого
2. Нажмите кнопку запуска
3. Сядьте спокойно — дрожание проводов дает ложные показания
4. Arduino покажет пульс в BPM
5. Для нового измерения нажмите кнопку снова

Применение измерителей пульса

• Контроль пульса человека (пациент, спортсмен)
• Бюджетная альтернатива дорогим медицинским мониторам
• Системы мониторинга здоровья пациентов

Пульс человека, мобильное приложение, система мониторинга пациента

Физический принцип: фотетозграфия

Основа работы — фотетозграфия (photoplethysmography, PPG): интенсивность света, проходящего через орган (палец, ушную раковину), пропорциональна объему крови в нем.

ИК-диоды — оптимальные источники: кожа хорошо пропускает ИК, гемоглобин активно поглощает. В качестве детектора используют фотодиод (фототок) или фотранзистор (токоусиление).

Датчик пульса с пальцевым клипом

Источник: Wikimedia Commons

Наш обзор завершен. Нужна помощь? Пишите — с радостью поможем.