心拍センサー–動作とアプリケーション

ハートビートとはどういう意味ですか？

人の心拍は、ある領域から別の領域に血液を送り出すときに、心臓の弁が収縮または拡張する音です。 1分あたりの心拍数（BPM）は心拍数であり、皮膚の近くにある動脈で感じることができる心拍数は脈拍です。

心拍を測定する2つの方法

• 手動による方法 ：手首の2か所で脈拍をチェックすることで心拍を手動でチェックできます（橈骨脈拍 ）と首（頸動脈拍動 ）。手順は、2本の指（人差し指と中指）を手首（または気管の下の首）に置き、30秒間脈拍数を数え、その数に2を掛けて心拍数を求めます。ただし、圧力を最小限に抑え、脈拍が感じられるまで指を上下に動かす必要があります。

• センサーの使用 ：心拍数は、心拍数の変化に応じて血液を通過する際に光が散乱または吸収されるため、屈折力の変動に基づいて測定できます。

心拍センサーの原理

心拍センサーは、フォトプレチスモグラフィーの原理に基づいています。それは、その器官（無血管領域）を通る光強度の変化を引き起こす体の任意の器官を通る血液量の変化を測定します。心拍数を監視するアプリケーションの場合、パルスのタイミングがより重要になります。血液量の流れは心拍数によって決まり、光は血液に吸収されるため、信号パルスは心拍パルスに相当します。

フォトプレチスモグラフィーには2つのタイプがあります：

送信 ：発光デバイスから放出された光は、耳たぶなどの体のあらゆる血管領域を透過し、検出器で受信されます。

反射 ：発光デバイスから放出された光は、領域によって反射されます。

心拍センサーの動作

基本的なハートビートセンサーは、発光ダイオードと、光検出抵抗やフォトダイオードなどの検出器で構成されています。心拍パルスは、体のさまざまな領域への血流の変化を引き起こします。組織が光源、つまりLEDによって放出された光で照らされると、反射するか（指の組織）、光を透過します（耳たぶ）。光の一部は血液に吸収され、透過光または反射光は光検出器で受け取られます。吸収される光の量は、その組織の血液量によって異なります。検出器の出力は電気信号の形式であり、心拍数に比例します。

この信号は、組織と血液量に関連するDC信号であり、心拍に同期し、動脈血量の脈動変化によって引き起こされるAC成分がDC信号に重ね合わされます。 。したがって、主要な要件は、そのACコンポーネントが最も重要であるため、そのコンポーネントを分離することです。

AC信号を取得するタスクを実行するには、最初に2ステージHPを使用して検出器からの出力をフィルタリングします。 -LP回路であり、コンパレータ回路または単純なADCを使用してデジタルパルスに変換されます。デジタルパルスは、心拍数を計算するためにマイクロコントローラーに与えられ、次の式で与えられます-

BPM（Beats perminute）=60 * f

ここで、fはパルス周波数です

実用的な心拍センサー

実用的な心拍センサーの例は、心拍センサー（製品番号PC-3147）です。 これは、クリップのような構造に埋め込まれた赤外線LEDとLDRで構成されています。クリップは、検出器部分を肉に付けて臓器（耳たぶまたは指）に取り付けます。

別の例は TCRT1000 です 、4つのピンを持つ-

ピン1：LEDに供給電圧を与えるため

Pin2と3は接地されています。ピン4は出力です。ピン1はイネーブルピンでもあり、ピンを高くするとLEDがオンになり、センサーが動作を開始します。手首に装着できるウェアラブルデバイスに組み込まれており、出力をワイヤレスで（Bluetooth経由で）コンピューターに送信して処理することができます。

アプリケーション開発中の心拍センサーシステム

基本的なハートビートセンサーシステムは、以下に示すように、LDR、コンパレータIC LM358、マイクロコントローラーなどの基本的なコンポーネントを使用して構築することもできます。

心拍センサーの原理について前述したように、光源を使用して指組織または耳たぶ組織を照射すると、光は変調された後、つまり一部が取得された後に透過します。血液に吸収され、残りは伝達されます。この変調された光は、光検出器によって受信されます。

ここでは、光依存抵抗（LDR）が光検出器として使用されています。光が抵抗器に当たると抵抗が変化するという原理で動作します。光の強度が増すと、抵抗は減少します。したがって、抵抗の両端の電圧降下が減少します。

ここでは、LDRからの出力電圧をスレッショルド電圧の出力電圧と比較するコンパレータが使用されています。しきい値電圧は、光源からの固定強度の光がLDRに直接当たるときのLDRの両端の電圧降下です。コンパレータLM358の反転端子は、しきい値電圧に設定された分圧器構成に接続され、非反転端子はLDRに接続されます。光源を使用して人間の組織を照らすと、光の強度が低下します。この減少した光強度がLDRに当たると、抵抗が増加し、電圧降下の結果として増加します。 LDRまたは非反転入力の両端の電圧降下が反転入力の電圧降下を超えると、コンパレータの出力でロジックハイ信号が発生し、電圧降下が小さい場合はロジックロー出力が発生します。したがって、出力は一連のパルスです。これらのパルスはマイクロコントローラーに送ることができ、マイクロコントローラーはそれに応じて情報を処理して心拍数を取得します。これはマイクロコントローラーと接続されたディスプレイに表示されます。

心拍センサー回路図のビデオ説明