Точный измерятель пульса на фоторезисторе и Arduino: сборка и настройка

Компоненты и материалы

Приложения и онлайн-сервисы

• Arduino IDE — прошивка микроконтроллера
• Digilent WaveForms Live — просмотр формы сигнала в браузере (для OpenScope)

О проекте

Введение

Проект вдохновлен видео CapitanoRed, где автор сделал пульсометр на фоторезисторе для осциллографа. Я захотел повторить и добавить Arduino для расчёта и отображения ЧСС. Так можно одновременно смотреть форму волны на осциллографе и получать цифровое значение пульса.

Принцип работы

При сокращении сердца давление крови пульсирует. В тонких местах (палец, мочка уха) эти пульсации меняют прохождение света. Глаза не улавливают это, но фоторезистор — да. Его сопротивление меняется с интенсивностью света.

Цепь:

1. Фоторезистор + 20 кОм — делитель напряжения. Больше свет → выше напряжение.
2. Amp1 — фильтр низких частот, убирает высокочастотный шум.
3. Amp2 — инвертирующий усилитель, максимизирует амплитуду пульса.
4. Amp3 — создаёт виртуальную землю 2.5 В, центрируя сигнал для максимального размаха 0–5 В.

Компаратор (Cmp) — специальный ОУ, выдающий только HIGH (5 В) или LOW (0 В). С гистерезисом (разными порогами включения/выключения) он генерирует один квадратный импульс на удар сердца, игнорируя шум и дикротический зубчик.

Подготовка фоторезистора

Надёжно изолируйте выводы (термоусадка, лак). Напряжения тела могут искажать показания при контакте с кожей.

Настройка усилителя (R7)

Начните с ~375 Ом на стороне фильтра. Наблюдайте сигнал в WaveForms Live. Увеличьте усиление (уменьшайте резистанс), пока пульс не станет чётким, но без обрезания вершин.

Установка порогов компаратора (R3, R4, R5)

Используйте многооборотные потенциометры для R3, R4. R5 — любой резистор 10–100 кОм (точно измеренный). Приложен Excel-калькулятор (comparator calcs.xlsx) для расчёта R3/R4 по заданным порогам Vl (нижний) и Vh (верхний).

В WaveForms Live: Time=1s, Trigger=OFF, Offset Ch1/Ch2=2.5V, Samples=1000 (lock). Запустите RUN, приложите палец к фоторезистору. Найдите удобное положение (лучше первый сустав указательного). Остановите захват, включите CURSORS → Voltage, установите курсоры: один чуть ниже пика, второй — ниже дикротического зубчика. Считайте напряжения → введите в калькулятор → выставьте R3, R4.

Код Arduino (счётчик частоты + скользящее среднее)

#define INT0 3
float frequency; long timeCount; int counter; long pulseStart;
int inputPin = 3; boolean low; float freqAvg; float total;

void setup() {
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT0), intrruption, CHANGE);
  counter = 0; timeCount = 0; frequency = 0; low = false;
  Serial.begin(9600); total = 15;
}

void loop() {
  timeCount = millis();
  while (millis() - timeCount < 5000) { frequency = counter; }
  if (frequency > 3) {
    total += frequency; total -= freqAvg; freqAvg = total / 3;
  }
  showHR(); counter = 0;
}

void intrruption() {
  if (digitalRead(3) == 0) { fallDetect(); low = true; }
  else if (digitalRead(3) == 1) { widthCheck(); }
}

void fallDetect() { pulseStart = millis(); }

void widthCheck() {
  long pulseEnd = millis();
  if ((pulseEnd - pulseStart > 200) && (pulseEnd - pulseStart < 800) && low) {
    counter++; low = false;
  }
}

void showHR() {
  Serial.print("Heart rate = ");
  Serial.println(freqAvg * 12); // 5-секундные окна → *12 = BPM
}

Интерпретирует импульсы от компаратора (пин 3). Отбраковывает импульсы короче 200 мс и длиннее 800 мс. Скользящее среднее за 15 секунд (3 окна по 5 с) сглаживает случайные пропуски.

Перспективы улучшения

• Добавить собственный ИСТОЧНИК СВЕТА (красный LED) для независимости от окружающего освещения. Проба с LED дала хорошие результаты.
• Авто-режиминг на Arduino: анализ пиков/впадин на аналоговом входе → установка порогов через цифровые потенциометры → прерывания по цифровому сигналу компаратора для точного счёта.

Файлы проекта

• comparator calcs.xlsx — калькулятор порогов компаратора (скачать)
• Arduino Heart Rate Counter — скетч (приведён выше)