フォトレジスタとArduinoで作る高精度心拍数モニター

概要

フォトレジスタ（CdSセル）を光センサーとして指先の血流変化を検出し、オペアンプ3段＋コンパレータで波形整形、Arduinoで心拍数（BPM）を計算表示する低コスト心拍モニターです。オシロスコープ（Digilent OpenScope MZ + WaveForms Live）で波形観測しながら閾値調整可能。

動作原理

光電脈波（PPG）の検出

心拍に伴う血管内圧力変動により、指先などの薄い組織を透過する光量が微小に変化します。フォトレジスタはこの光量変化を抵抗値変化として検出します。ただし変化は極めて小さく、ノイズも多いため増幅・フィルタリングが必須です。

信号処理チェーン

1. 分圧回路: フォトレジスタ + 20kΩ で電圧変化に変換
2. Amp1（フィルタ）: 高周波ノイズ除去（ローパス）
3. Amp2（反転増幅）: 利得最大化（飽和直前まで）
4. Amp3（バーチャルグラウンド）: 信号を2.5V中心にシフト（0-5Vフルスイング確保）
5. コンパレータ（ヒステリシス付き）: 非対称閾値（Vh, Vl）で矩形波化。ジッター・二重峰（二尖切痕）対策
6. Arduino割り込み: 立下りエッジでパルス幅測定（200-800ms範囲のみカウント）、15秒移動平均でBPM算出

必要な部品

部品	数量	備考
Digilent OpenScope MZ（オシロスコープ）	1	波形観測・閾値調整用。なければ他のオシロで代用可
Arduino UNO	1	心拍計算・表示用
汎用クアッドオペアンプ（TL084等）	1	Amp1-3用。単電源5V動作可能なもの
高速コンパレータ（TLV3501等）	1	ヒステリシス用フィードバック回路実装
マルチターンポテンショメータ 10kΩ (25ターン)	2	コンパレータ閾値設定用（R3, R4）。精密調整必須
シングルターンポテンショメータ 100kΩ	1	Amp2利得調整用（R7）。マルチターン推奨
シングルターンポテンショメータ 10kΩ	1	バーチャルグラウンド調整用（R8/R9代替）
コンデンサ 100µF, 100nF	各1	電源バイパス・フィルタ用
抵抗 10kΩ, 4.75kΩ, 82kΩ	各種	分圧・フィードバック網用
フォトレジスタ（CdSセル）	1	クリア熱収縮チューブでリード線絶縁推奨

調整手順

1. 増幅段（Amp2）利得調整

R7（100kΩポテンショメータ）を約375Ω側から開始。OpenScope Ch2をAmp2出力に接続、Time=1s、Trigger=OFF、Offset=2.5V、Samples=1000設定でRUN。指をセンサーに当て、パルス波形がクリップしない最大振幅になるようR7調整。

2. コンパレータ閾値設定

代表的な波形を一時停止、カーソル電圧測定でピーク付近を Vh、二尖切痕下を Vl として読み取り。添付Excel（comparator calcs.xlsx）に R5実測値、Vh, Vl を入力 → R3, R4 計算値をマルチターンポテンショメータで設定。

3. バーチャルグラウンド調整

R8/R9（または単一ポテンショメータ）でAmp3出力を2.50Vに設定。

Arduinoスケッチ（心拍計算部）

#define INT0 3
volatile int counter = 0;
volatile long pulseStart = 0;
volatile bool low = false;
float freqAvg = 0, total = 15;

void setup() {
  pinMode(3, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT0), intrruption, CHANGE);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  long start = millis();
  counter = 0;
  while (millis() - start < 5000) { /* 5秒間カウント */ }
  if (counter > 3) {
    total += counter;
    total -= freqAvg;
    freqAvg = total / 3; // 15秒移動平均（5秒×3）
  }
  Serial.print("Heart rate = ");
  Serial.println(freqAvg * 12); // 5秒カウント → 1分換算 (×12)
  delay(100);
}

void intrruption() {
  if (digitalRead(3) == LOW) { // 立下りエッジ
    pulseStart = millis();
    low = true;
  } else if (low) { // 立上りエッジ
    long width = millis() - pulseStart;
    if (width > 200 && width < 800) counter++; // 生理的パルス幅のみ
    low = false;
  }
}

既知の課題と改善案

• 周囲光の影響: 環境光変化でベースライン・振幅が変動。解決策：高輝度赤色LEDを光源としてセンサーと対向配置（指挟み込み型）、遮光ケース化。
• 動作アーティファクト: 指の圧力変化でノイズ発生。解決策：機械的固定具、加速度センサー併用でモーション除去。
• 閾値固定の限界: 個人差・条件変化で再調整必要。解決策：デジタルポテンショメータ（MCP41xxx等）でArduinoから閾値自動追従（オートレンジ）。アナログ入力でピーク/ボトム検出 → 閾値計算 → デジタルポテンショメータ設定 → コンパレータ出力で割り込みカウント。
• 精度向上: 高分解能タイマー（Timer1/ICP）でパルス幅測定、ピーク検出アルゴリズム（動的閾値・微分/積分処理）導入。

添付ファイル

• comparator calcs.xlsx - コンパレータ非対称閾値計算シート（R3, R4 自動算出）
• Arduino Heart Rate Counter.ino - 上記スケッチ完全版
• hr_monitor_tnffXlVQQV.fzz - Fritzing回路図

参考文献

• Texas Instruments: Signal Conditioning with Hysteresis (Application Report)
• CapitanoRed YouTube: フォトレジスタ心拍モニター原型