心拍数モニター回路の設計と製作：LM358・Arduino対応 完全ガイド

スマートウォッチやフィットネスバンドに搭載され、今や身近になった心拍数モニター。その仕組みを理解し、自分でセンサーモジュールを作ったり、Arduinoで波形を可視化したりする方法を、基礎原理から実装ステップまで詳しく解説します。

心拍センサーの基本原理：光電容積脈波法（PPG）

スマートウォッチの心拍計測

最も一般的なウェアラブル心拍センサーは、**光電容積脈波法** を用います。指先や手首に緑色/赤外線LEDを照射し、反射/透過光量の変化をフォトダイオードで検知します。心拍に同期して動脈血流量が変化するため、吸収光量が脈動し、それを電気信号として取り出します。

心拍センサーモジュールの基本構成

• 発光部： 赤外線LED (IR LED) または緑色LED
• 受光部： フォトダイオード / フォトトランジスタ
• 信号処理部： オペアンプ（増幅・フィルタリング）、コンパレータ（パルス整形）
• 出力： デジタルパルス（心拍同期）またはアナログ波形 → マイコンのADC/割り込みピンへ

指先透過型/反射型 脈波センサー回路

上図は代表的なアナログフロントエンド回路です。フォトダイオードの微小電流をコンデンサでDCカットし、第1オペアンプ（LM358等）で非反転増幅（ゲイン約1000倍、カットオフ周波数設定でベースライン除去）。第2オペアンプでコンパレータ動作させ、パルス波形に整形。トランジスタ(BC547)でレベルシフトし、マイコンへ出力。LEDが心拍同期で点滅します。

製作プロジェクト1：LM358 単体で作るアナログ心拍センサー

マイコン不要、オペアンプIC1個で心拍パルスをLED点滅で可視化するスタンドアローン回路です。

LM358心拍センサー回路図

LM358ピン配置

必要な部品

• LM358 デュアルオペアンプIC × 1
• 電解コンデンサ 4.7µF × 1、セラミックコンデンサ 100nF × 1
• 9V電池(006P) + スナップ × 1
• 赤外線LED (発光側) × 1、フォトダイオード/フォトトランジスタ (受光側) × 1 ペア
• 5mm 表示用LED (赤色等) × 1
• 抵抗：220kΩ×2、10kΩ、680kΩ、6.8kΩ、47kΩ 各1本
• 基板(ユニバーサル/ブレッドボード)、ハンダ付けツール

組み立て手順

1. LM358 を基板に実装（ソケット推奨）。
2. 発光用IR LED と 受光用フォトダイオード を指先が挟めるよう配置・固定（向かい合わせ/反射型）。
3. 全抵抗・コンデンサを回路図通り実装。
4. 電池スナップ接続、極性確認後電池装着。
5. 指をセンサー部に静かに置き、表示LEDが心拍に同期して点滅すれば成功。

※ 全接点は確実にはんだ付けしてください。ブレッドボードでは接触抵抗でノイズが乗りやすいです。

動作原理

2個のフォトダイオードを使用し、片方を発光(IR LED駆動)、もう片方を受光として機能させます。指を挟むと、動脈の拍動に合わせて血液量/酸素飽和度が変化 → 透過/反射光量が変調 → 受光側フォトダイオードの電流が脈動 → オペアンプで増幅・整形 → パルス出力。

製作プロジェクト2：Arduino 接続型心拍センサーでBPM表示

市販の指クリップ型心拍センサーモジュール（例：KY-039, Pulse Sensor等、VCC/GND/Signal 3ピン）を Arduino に接続し、16x2 LCD に心拍数をリアルタイム表示します。

Arduino用指クリップ型心拍センサー

必要な部品

• Arduino Uno / Nano × 1
• 心拍センサーモジュール (指クリップ型、アナログ出力) × 1
• 16x2 キャラクタLCD (HD44780互換) × 1
• 10kΩ ポテンショメータ × 1 (LCDコントラスト調整用)
• 330Ω 抵抗 × 1 (LCDバックライト用)
• タクトスイッチ × 1 (測定開始トリガー用)
• ミニブレッドボード、ジャンパーワイヤ

配線（インターフェース）

• LCD データピン D4〜D7 → Arduino デジタルピン 2〜5 (または任意)
• LCD RS → Arduino ピン 6、E → ピン 7 (例)
• LCD V0 (コントラスト) → ポテンショメータ中央端子、両端を VCC/GND
• 心拍センサー Signal 出力 → Arduino アナログピン A0
• タクトスイッチ → デジタルピン 8 (プルアップ/プルダウン設定)

スケッチ（プログラム）

Arduino 標準の LiquidCrystal ライブラリを使用。センサーからのアナログ値を読み取り、ピーク検出アルゴリズム（閾値判定、最小間隔チェック等）で R-R 間隔を計測、BPM (拍/分) に換算して LCD 表示。スイッチ押下で新規測定開始。

※ コード全文は GitHub 等のリポジトリ、または本記事関連リンクからダウンロード可能です。

測定のコツ

• 親指以外の指（人差し指/中指推奨）をクリップに深く装着。
• 測定中は体を動かさず、ケーブルを揺らさない（アーティファクト防止）。
• 周囲光の影響を受けにくいよう、センサー部を遮光する（指で覆う/黒テープ等）。

応用分野

• 健康管理・フィットネス： 患者・アスリートの心拍モニタリング、トレーニング強度管理。
• 低コスト医療/介護機器： 高価な医療機器の代替・補完として、在宅見守りシステム等に組み込み。
• IoT ヘルスケア： BLE/Wi-Fi モジュール連携でスマホアプリ/クラウドへデータ送信、遠隔診療支援。

人体心拍測定の様子

スマホアプリ連携イメージ

患者健康見守りシステム構成例

核心原理の再確認：光電容積脈波法 (PPG)

指クリップ型脈波センサー

出典：Wikimedia Commons

「臓器を通過する光強度の変化から、その臓器の血液量変化を測定できる」という原理です。IR LED は生体組織への透過性が高く、ヘモグロビン吸収特性に合致するため最適な光源です。受光側には、光子電流変換効率の良いフォトダイオードや、光電流増効果を持つフォトトランジスタを用います。

おわりに

心拍センサーは、アナログ回路設計（オペアンプ、フィルタ、コンパレータ）とデジタル信号処理（ピーク検出、BPM算出）の両方を学べる優れた教材です。LM358版でアナログの基礎を固め、Arduino版でシステム統合とIoT展開へ進むのがおすすめの学習パスです。

更なる高精度化（動作アーティファクト除去、SpO2測定等）や、独自プロジェクトへの組み込みでお困りの際は、ぜひご相談ください。