Umfassender Leitfaden zum Bau eines zuverlässigen Herzfrequenzmessers

Herzfrequenzmesser kennen Sie wahrscheinlich. Wahrscheinlich kennen Sie Geräte oder Personen mit Herzfrequenzsensoren.

Heute sind sie allgegenwärtig – in Smartwatches oder Armbändern für einfachen Zugriff.

Wenn Sie neugierig auf die Funktionsweise sind und selbst einen bauen möchten – Sie sind richtig.

Hier lernen Sie das Geheimnis der Herzfrequenzmesserschaltung und wie Sie in wenigen Schritten verschiedene aufbauen.

Bereit? Los geht's!

Das Konzept des Herzschlagsensors

Vor den technischen Details ein paar Grundlagen:

Herzschlagsensoren sind essenziell für Patienten und Athleten, um ihren Herzzustand zu kennen.

Es gibt verschiedene Methoden zur Herzfrequenzmessung, aber der Herzschlagsensor ist der einfachste. Er ist tragbar, in verschiedenen Größen und Formen erhältlich und bietet eine sofortige Plattform zur Herzfrequenzprüfung.

Smartwatch

Wie erwähnt: In Uhren, Handys und anderen Smart-Geräten verbaut. Sie messen die Zeit, die das Herz pro Minute für Ausdehnung und Kontraktion benötigt.

Das Konzept des Herzfrequenzmessers

Ein primärer Herzfrequenzmesser umfasst:

• Sensor
• IR-LED
• Fotodiode im Sensor
• Steuerschaltung

Die Schaltung enthält einen Op-Amp-IC und weitere Elemente, die das Originalsignal mit verschiedenen Mikrocontrollern verbinden.

Unten ein Schaltbild eines Herzschlagsensors zum besseren Verständnis.

Herzschlagsensor-Schaltung

Die Schaltung zeigt einen Fingersensor, der Pulse detektiert. Herzschläge ändern automatisch die Blutmenge und die Intensität des IR-LED-Lichts. Auch das, was die Fotodiode detektiert, ändert sich.

Ein Kondensator speist den Fotodiode-Ausgang in den „nicht-invertierenden Eingang“ des 1. Op-Amps. Dies blockiert die DC-Komponenten des Signals. Der Op-Amp arbeitet als nicht-invertierende Verstärkerstufe mit 100-facher Verstärkung und Cutoff-Frequenz.

Der 2. Op-Amp erhält den Ausgang des 1. an einem Eingang und arbeitet als Komparator. Sein Ausgang triggert einen Transistor, der das Signal an den Mikrocontroller weiterleitet.

Der LM358 ist der Op-Amp (zwei Op-Amps in einem Chip), der BC547 der Transistor. Die am Transistor angeschlossene LED pulsiert bei Signalerkennung.

Schaltungsdesign

Wir bauen drei Herzschlagsensoren:

• Herzschlagsensor mit LM358
• Herzschlagsensor mit Arduino
• Anbindung eines Arduino-Herzschlagsensors

Herzfrequenzmesser-Schaltung: Herzschlagsensor mit LM358

Mit dieser Schaltung detektieren Sie Herzschläge über einen LM358 IC, gekoppelt mit Infrarot-Sender und -Empfänger. Die IR-LED ist der Sender, die Fotodiode der Detektor. Schaltbild:

Herzschlagsensor mit LM358 Schaltbild

LM358 Pinout:

LM358 Pinbelegung

Benötigte Bauteile:

• LM358 IC Operationsverstärker (1)
• 4,7 µF Elko (1)
• 100 nF Keramikkondensator (1)
• 9 V Batterie (1)
• IR-LED Paar (1)
• 5 mm LED (1)
• 220 kΩ Widerstände (2)
• 10 kΩ Widerstand (1)
• 680 kΩ Widerstand (1)
• 6,8 kΩ Widerstand (1)
• 47 kΩ Widerstand (1)
• Herzschlagsensor (PC3) (1)

Schritte

• 1: LM358 IC-Basis mit PC verbinden und IC auf Basis montieren.
• 2: Alle LEDs auf der Platine anschließen
• 3: Beide Kondensatoren anschließen
• 4: Alle Widerstände anschließen
• 5: Batterieclip anbringen, Batterie anschließen und Funktion prüfen

Hinweis: Alle Verbindungen verlöten.

Funktionsweise

Ähnlich wie der zuvor beschriebene Herzschlagsensor. Zwei IR-Fotodioden erfassen Herzpulse.

Eine fungiert als Sender (Licht durch Finger), die andere als Empfänger (misst reflektiertes Licht).

Die Intensität der reflektierten Strahlen hängt von zwei Faktoren ab: Herzpumprate und Unterschied im Sauerstoffgehalt des Blutes.

Herzfrequenzmesser-Schaltung: Herzschlagsensor mit Arduino

Arduino-basierter Herzschlagsensor mit Fingerclip und drei Pins für Daten, GND, VCC.

Arduino Herzschlagsensor

Benötigte Bauteile

• Arduino Board (1)
• 10 kΩ Potentiometer (1)
• 330 Ω Widerstand (1)
• 2×16 LCD Display (1)
• Verbindungsdrähte
• Taster
• Mini-Steckplatine
• Herzschlagsensor-Chip mit Finger-Sonde (1)

Anbindung eines Arduino-Herzschlagsensors

Einfach: Arduino mit 16×2 LCD verbinden, um Herzschläge in bpm anzuzeigen.

Vier Datenpins des LCD (D7, D5, D4, D6) an Arduino Pin 1. 10 kΩ Potentiometer an LCD Pin 3. LCD Pins 3 und 5 (E & RS) an Arduino Pin 1.

Herzschlagsensor-Ausgang an Pin 1 (analoger Eingang) des Arduino.

Code

Nach der Anbindung: Code für den Systembetrieb schreiben.

Link zu den Code-Zeilen.

Funktionsweise

Einfach: Beliebigen Finger (außer Daumen) auf Sensorclip legen, Taster drücken.

Arduino berechnet Herzfrequenz aus Sensordaten und zeigt sie in bpm an.

Wichtig: Entspannt bleiben während der Messung, damit Drähte nicht wackeln – sonst fehlerhafte Werte.

Nach Anzeige: Taster drücken für neue Messung.

Herzfrequenzmesser-Schaltung: Anwendungen

• Berechnung der Herzfrequenz eines menschlichen Körpers (Person, Patient, Athlet)

Herzfrequenz des menschlichen Körpers

• Alternative zu teuren Herzfrequenzmessern

Herzfrequenz-App auf Smartphone

• Patienten-Überwachungssystem

Patienten-Überwachungssystem

Abschließende Gedanken

Wichtig: Das Prinzip des Herzschlagsensors basiert auf Photoplethysmographie.

Dies besagt: Die Lichtintensität, die ein Organ durchdringt, misst dessen Blutvolumen.

Kurz: IR-LEDs sind bessere Lichtquellen für die meisten Herzschlagsensoren.

Daher: Detektor, der Lichtphotonen in Strom wandelt, oder stromverstärkendes Bauteil, das lichtabhängig arbeitet.

Herzschlagsensor mit Fingerclip

Quelle: Wikimedia Commons

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