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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)

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

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

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。

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

LM358心拍センサー回路図

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

LM358ピン配置

必要な部品

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。

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

Arduino用指クリップ型心拍センサー

必要な部品

配線(インターフェース)

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

応用分野

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

人体心拍測定の様子

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スマホアプリ連携イメージ

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

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)

心拍数モニター回路の設計と製作:LM358・Arduino対応 完全ガイド

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。

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