Heute werden wir uns einen sehr einfachen Pulssensor ansehen und entdecken, wie dieser funktioniert.
Pulssensor
In diesem Tutorial werden wir uns das KY-039-Modul ansehen. Es gibt verschiedene Varianten dieses Moduls, aber das grundlegende Arbeitsprinzip ist immer das gleiche. Alle Module sind im Grunde recht einfach und nutzen für die Messungen lediglich eine LED und eine Fotodiode oder einen Fototransistor. Die LED leuchtet in die Haut und die Fotodiode oder der Transistor messen die Lichtintensität. Die in der Haut absorbierte Lichtmenge hängt von der Menge des Blutes im Gewebe ab. Durch die Kontraktion des Herzens wird das Blut vom Herzen durch die Arterien in den ganzen Körper gepumpt. Das Blutvolumen im Gewebe nimmt zu und mehr Licht wird absorbiert. Dies wird vom Sensor gemessen und ermöglicht letztlich die Bestimmung der Herzfrequenz.
Die Messmethode wird auch Photoplethysmographie genannt. Verwandt, aber dennoch anders ist die sogenannte Pulsoximetrie, bei der die Sauerstoffsättigung im Blut gemessen wird. Ein Pulsoximeter sieht ähnlich aus wie ein Herzfrequenzsensor und die meisten Geräte zeigen ebenso die Herzfrequenz an, allerdings werden für die Pulsoximetrie typischerweise mehrere LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen benötigt.
Es gibt zwei verschiedene Methoden, die Messungen durchzuführen: durch Durchleuchten der Haut und Messung der Absorption oder durch Messung der Menge des reflektierten Lichts. Es gibt beide Varianten des Moduls KY-039. Im Bild unten ist links die Variante zu sehen, die mit Reflexion arbeitet. Um dieses Modul zu verwenden, muss man nur den Finger auf die grüne LED legen. Für das Modul auf der rechten Seite muss man den Finger zwischen die IR-LED und den Fototransistor legen, so dass die LED durch den Finger hindurch auf den Fototransistor leuchtet. Nicht wundern, da die LED eine Infrarot-LED ist, kann man nicht sehen, ob diese leuchtet oder nicht.
Verwenden des Pulssensors
Lass uns nun sehen, wie wir mit dem Sensor unsere Herzfrequenz messen können.
Beide Varianten des KY-039 können auf die gleiche Weise angeschlossen werden. Verbinde + mit 5V, - mit GND und das analoge Ausgangssignal S mit einem der analogen Eingänge des Arduino. Ich habe A0 gewählt.
In diesem ersten Teil des Tutorials werden wir ein sehr einfaches Arduino-Programm verwenden, das alle 10 ms eine Messung vornimmt und diese an den seriellen Monitor sendet. Dieses Programm sieht wie folgt aus:
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int value = analogRead(A0);
Serial.println(value);
delay(10);
}Das Ergebnis
Sobald das Programm auf den Arduino geladen ist, werden die Messwerte an den Computer gesendet. Diese können im seriellen Plotter, der unter Werkzeuge zu finden ist, visualisiert werden. Für gute Messungen solltest du vermeiden, Druck auf deinen Finger auszuüben. Lege ihn nur sanft auf. Nun solltest du deinen Herzschlag im seriellen Plotter sehen können.
Aus dieser Grafik können wir bereits die Herzfrequenz berechnen. Die Zeit zwischen den großen arteriellen Pulsschlägen beträgt etwa 820 ms. Wenn wir diesen Wert umrechnen, beträgt die gemessene Herzfrequenz 73 Schläge pro Minute. Was jedoch noch nicht geht, ist den Herzschlag auf dem Arduino selbst zu berechnen. Dazu müssten wir das Programm so anpassen, dass es die Herzschläge zuverlässig erkennt und zählt. Das hört sich einfacher an als es ist. Einen einfachen Schwellenwert können wir nicht verwenden, da die gemessenen Werte von vielen Faktoren wie Hautfarbe, Durchblutung, ausgeübtem Druck oder der Intensität des Umgebungslichts abhängen. Wie können wir dieses Problem lösen? Das werden wir in Teil 2 dieses Tutorials genauer betrachten.
