KY-039心拍センサーで心拍数を測定する

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1
KY-039心拍センサー	1	37種類センサーキットに含まれるもの
ジャンパーワイヤー	1

プロジェクト概要

Arduino用37種類センサーセットに含まれる心拍センサー。名前からはデジタルで心拍数が出力されると思いがちですが、実際は赤外線LEDとフォトトランジスタで構成され、指を挟むことで血流変化による赤外線透過量の変化を0〜1023のアナログ値として出力するだけです。

基本的な手順

生の値をプロットすると非常に荒い波形になりますが、移動平均を取ると脈拍波形が明確になります。さらに50Hz/60Hzの商用電源ノイズを除去するため、20ms（50Hz環境）または16.67ms（60Hz環境）ごとの平均値を計算します。最終的に、立ち上がりエッジを検出して心拍間隔を計測し、BPM（拍動/分）を算出します。

ステップ詳細

1. 生データの取得

int sensorPin = A0;
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  while(1) {
    Serial.println(analogRead(sensorPin));
  }
}

2. 平滑化（移動平均）

配列で直近Nサンプルの合計を維持し、平均を出力します。

#define samp_siz 20
int reads[samp_siz];
long sum = 0;
int ptr = 0;

int reader = analogRead(sensorPin);
sum -= reads[ptr];
sum += reader;
reads[ptr] = reader;
float last = (float)sum / samp_siz;
ptr = (ptr + 1) % samp_siz;

3. 50Hzノイズ除去（20ms区間平均）

int n = 0;
long start = millis();
float reader = 0;
do {
  reader += analogRead(sensorPin);
  n++;
} while (millis() < start + 20);
reader /= n;

4. 心拍検出とBPM計算

連続してrise_threshold回値が上昇したら「立ち上がり」とみなし、前回検出からの経過時間でBPMを計算。直近3拍の加重平均（0.4:0.3:0.3）で安定化します。

最終版コード

#define samp_siz 4
#define rise_threshold 4

int sensorPin = A0;

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() {
  float reads[samp_siz], sum = 0;
  long now, ptr = 0;
  float last, reader, start;
  float first, second, third, before, print_value;
  bool rising = false;
  int rise_count = 0;
  int n;
  long last_beat = 0;

  for (int i = 0; i < samp_siz; i++) reads[i] = 0;

  while(1) {
    // 20ms区間で平均を取り50Hzノイズ除去
    n = 0; start = millis(); reader = 0;
    do {
      reader += analogRead(sensorPin);
      n++;
      now = millis();
    } while (now < start + 20);
    reader /= n;

    // 移動平均配列を更新
    sum -= reads[ptr];
    sum += reader;
    reads[ptr] = reader;
    last = sum / samp_siz;

    // 立ち上がり検出
    if (last > before) {
      rise_count++;
      if (!rising && rise_count > rise_threshold) {
        rising = true;
        first = millis() - last_beat;
        last_beat = millis();
        // 加重平均でBPM計算
        print_value = 60000.0 / (0.4 * first + 0.3 * second + 0.3 * third);
        Serial.println(print_value);
        third = second;
        second = first;
      }
    } else {
      rising = false;
      rise_count = 0;
    }
    before = last;
    ptr = (ptr + 1) % samp_siz;
  }
}

動作確認動画も用意しています。ArduinoのRX LEDが心拍に同期して点滅します。

今後の発展

直近15秒分のBPMを蓄積し、外れ値を除外した平均を取るなど、より堅牢な算出ロジックへの改良が可能です。また、心拍数が180-200 BPMの場合など、立ち上がり検出が困難になるケースへの対応も検討課題です。

回路図