Создание монитора сердечного ритма Arduino: схемы и код

Для кого эта статья:

• Студенты и любители электроники, желающие освоить Arduino и медицинские технологии.
• Инженеры и разработчики, интересующиеся DIY-проектами в области здравоохранения.

• Специалисты в области робототехники и программирования, стремящиеся улучшить свои навыки в создании медицинских устройств.

  Создание собственного монитора сердечного ритма на Arduino — это не просто увлекательный DIY-проект, а настоящий шаг в мир персональной медицинской электроники. Представьте: вы собираете устройство, которое может отслеживать ваше сердцебиение во время тренировок, контролировать ваше состояние в периоды стресса или стать основой для более сложных проектов в области здравоохранения. От выбора правильного пульсометра до написания эффективного кода — каждый этап этого проекта открывает новые возможности для технического творчества и практического применения ваших навыков программирования. 💓🔧

Хотите углубить свои навыки программирования для работы с Arduino и другими платформами? Обучение Python-разработке от Skypro — идеальный шаг вперёд. Овладев Python, вы сможете создавать более сложные медицинские приложения, которые будут взаимодействовать с вашим Arduino-монитором сердечного ритма, анализировать данные и строить прогнозы. Python и Arduino — мощный тандем для любого разработчика медицинских гаджетов!

Основы мониторинга сердечного ритма с Arduino

Мониторинг сердечного ритма с помощью Arduino основан на принципе фотоплетизмографии — метода, измеряющего изменения объема крови через оптические датчики. Когда сердце сокращается, кровь перекачивается по телу, вызывая микроскопические изменения в оптических свойствах тканей, которые можно обнаружить с помощью светодиода и фотодиода или фототранзистора. 📊

Arduino в этой системе выполняет три ключевые функции:

• Подаёт питание на датчик пульса
• Считывает аналоговые значения с датчика через АЦП
• Обрабатывает полученные данные для расчёта частоты сердечных сокращений (ЧСС)

Существует два основных типа датчиков для измерения пульса, совместимых с Arduino:

Для начинающих оптимальным выбором является оптический датчик (например, популярный модуль Pulse Sensor или датчики на базе MAX30100/MAX30102), так как он прост в подключении и предоставляет достаточную точность для большинства DIY-проектов. 🔍

Антон Кравцов, инженер-электронщик по медицинскому оборудованию

Мой первый опыт создания монитора сердечного ритма на Arduino начался после того, как мне понадобилось недорогое решение для тестирования алгоритмов обработки ЭКГ-сигналов. Коммерческие устройства стоили тысячи долларов, а мне требовалась лишь базовая функциональность.

Я приобрёл Arduino Nano и простой датчик Pulse Sensor Amped. После нескольких часов подключения и калибровки я получил свой первый график сердцебиения на экране ноутбука. Качество сигнала меня удивило — с правильным расположением датчика на мочке уха я смог получить стабильные показания даже в движении.

Самым сложным оказалась фильтрация шумов. Пришлось добавить дополнительные конденсаторы и переработать алгоритм обработки сигнала, но результат превзошёл ожидания. Теперь этот самодельный прибор используется в нашей лаборатории для предварительного тестирования перед испытаниями на профессиональном оборудовании.

Необходимые компоненты и датчики для проекта

Для создания функционального монитора сердечного ритма вам потребуются как основные компоненты, так и дополнительные модули, которые расширят возможности вашего устройства. Давайте разберёмся, что именно нужно приобрести для успешного воплощения проекта. 🛒

Основные компоненты:

• Arduino (UNO, Nano или Pro Mini) — мозг вашей системы
• Датчик пульса (Pulse Sensor, MAX30100, MAX30102 или AD8232) — для считывания сердечного ритма
• Макетная плата и соединительные провода — для сборки прототипа
• USB-кабель — для программирования и питания Arduino
• Дисплей (LCD 16x2, OLED SSD1306) — для визуализации данных
• Резисторы (220 Ом, 10 кОм) — для стабильной работы схемы
• Конденсаторы (0.1 мкФ, 1 мкФ) — для фильтрации помех

Дополнительные компоненты для расширенной функциональности:

• Модуль Bluetooth HC-05 или ESP8266/ESP32 — для беспроводной передачи данных
• Модуль SD-карты — для сохранения долгосрочных измерений
• Аккумулятор Li-Po и контроллер зарядки — для мобильности устройства
• Кнопки или тактовые переключатели — для управления интерфейсом
• Зуммер или светодиоды — для звуковой и визуальной индикации

При выборе датчика пульса стоит учитывать особенности каждого типа, чтобы выбрать наиболее подходящий для ваших целей:

Для начинающих рекомендую использовать Pulse Sensor Amped из-за его простоты и обилия учебных материалов. Для более продвинутых проектов с измерением кислорода в крови подойдёт MAX30102. Если же вам нужен максимально детализированный сигнал, стоит обратить внимание на модуль AD8232 для ЭКГ-мониторинга. 🧠

Схемы подключения пульсометра к Arduino

Правильное подключение датчика пульса к Arduino — ключевой шаг к созданию надёжного монитора сердечного ритма. Разберём несколько типовых схем подключения наиболее популярных датчиков. 🔌

Подключение Pulse Sensor Amped:

• Красный провод (VCC) → 5V на Arduino
• Чёрный провод (GND) → GND на Arduino
• Фиолетовый провод (Signal) → Аналоговый пин A0 на Arduino

Это базовая схема подключения, которая работает для большинства проектов. Для повышения стабильности сигнала рекомендую добавить фильтрующий конденсатор 1-10 мкФ между VCC и GND рядом с датчиком.

Подключение MAX30100/MAX30102 через I2C:

• VIN → 3.3V на Arduino (важно: эти датчики работают на 3.3V!)
• GND → GND на Arduino
• SCL → A5 на Arduino UNO/Nano (или соответствующий пин SCL)
• SDA → A4 на Arduino UNO/Nano (или соответствующий пин SDA)
• INT → Пин D2 на Arduino (опционально, для прерываний)

Если ваша Arduino работает на 5V, но датчик требует 3.3V, используйте конвертер уровней или резистивный делитель для линий SDA и SCL.

Подключение модуля AD8232 (ЭКГ):

• VCC → 3.3V на Arduino
• GND → GND на Arduino
• OUTPUT → Аналоговый пин A0 на Arduino
• LO- → Цифровой пин D11 на Arduino
• LO+ → Цифровой пин D10 на Arduino

Для AD8232 также потребуется подключение биоэлектродов к портам RA, LA и RL на самом модуле.

Мария Светлова, преподаватель робототехники

Однажды мы со студентами решили создать "умный" монитор сердечного ритма для школьной выставки технологий. Мы использовали Arduino Mega, датчик MAX30102 и цветной TFT-дисплей.

Первая сборка показала нестабильные результаты — частота пульса скакала от 40 до 200 ударов в минуту даже при спокойном измерении. Проблема оказалась в наводках от соседних цифровых линий. Мы перепроектировали схему, добавили экранирование, убрали все провода питания и сигнальные линии дисплея подальше от I2C-линий датчика.

Ключевым моментом стала доработка крепления датчика — мы напечатали на 3D-принтере специальный зажим, который надёжно фиксировал датчик на пальце, обеспечивая постоянное давление. Результаты сразу улучшились, погрешность измерений снизилась до приемлемых 2-3 ударов в минуту.

На выставке наш проект получил первое место, а главное — мы усвоили важный урок: при работе с биометрическими датчиками механическая стабильность и электромагнитная изоляция не менее важны, чем качество кода.

Расширенная схема с дисплеем OLED и Bluetooth:

Для создания полноценного портативного устройства, помимо датчика, добавим дисплей OLED SSD1306 и модуль Bluetooth HC-05:

• Подключение OLED-дисплея (I2C): – VCC → 5V или 3.3V (в зависимости от модели дисплея) – GND → GND – SCL → A5 (тот же пин, что используется для MAX30102) – SDA → A4 (тот же пин, что используется для MAX30102)

• Подключение Bluetooth HC-05: – VCC → 5V – GND → GND – TXD → D10 (подключаем к программному последовательному порту) – RXD → D11 через резисторный делитель (5V → 3.3V)

При сборке сложных схем с несколькими I2C-устройствами следите за возможными конфликтами адресов. Большинство OLED-дисплеев используют адрес 0x3C, а MAX30102 — 0x57, поэтому они могут работать на одной шине без проблем. 🧩

Готовые скетчи и код для считывания пульса

Разработка программного кода для считывания пульса — это балансирование между простотой и точностью. Рассмотрим несколько проверенных программных решений для разных типов датчиков. ⌨️

Базовый скетч для Pulse Sensor Amped:

Этот скетч считывает аналоговые значения с датчика, отфильтровывает шумы и определяет удары сердца:

// Определение контактов
const int pulsePin = A0;  // Сигнал с датчика Pulse Sensor
const int ledPin = 13;    // Встроенный LED на Arduino

// Переменные для работы с пульсом
int Signal;               // Исходный сигнал с датчика
int Threshold = 550;      // Порог для определения пика
boolean Pulse = false;    // Состояние пульса (true = обнаружен удар)
int BPM;                  // Рассчитанное значение ЧСС
unsigned long lastBeatTime = 0; // Время последнего удара
unsigned long currentTime;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Signal = analogRead(pulsePin);  // Считываем сигнал
  currentTime = millis();
  
  // Обнаружение пика (удара сердца)
  if (Signal > Threshold && !Pulse) {
    Pulse = true;
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    
    // Расчет BPM
    if (lastBeatTime > 0) {
      int beatInterval = currentTime – lastBeatTime;
      BPM = 60000 / beatInterval;  // 60000 мс в минуте
      
      // Проверка на разумность значения
      if (BPM > 50 && BPM < 200) {
        Serial.print("BPM: ");
        Serial.println(BPM);
      }
    }
    
    lastBeatTime = currentTime;
  }
  
  // Сброс флага, когда сигнал падает ниже порога
  if (Signal < Threshold && Pulse) {
    Pulse = false;
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }
  
  delay(10);  // Небольшая задержка для стабилизации считывания
}

Для более серьезных проектов рекомендую использовать готовую библиотеку PulseSensor Playground, которая предоставляет продвинутые функции фильтрации и обработки сигнала.

Код для работы с MAX30102 (измерение пульса и SpO2):

Для работы с датчиками MAX30100/MAX30102 необходимо установить библиотеку MAX30105. Вот пример скетча:

#include <Wire.h>
#include "MAX30105.h"
#include "heartRate.h"

MAX30105 particleSensor;

const byte RATE_SIZE = 4; // Усреднение по 4 значениям
byte rates[RATE_SIZE]; // Массив значений сердечного ритма
byte rateSpot = 0;
long lastBeat = 0; // Время последнего обнаруженного удара
float beatsPerMinute;
int beatAvg;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // Инициализация датчика
  if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_STANDARD)) {
    Serial.println("MAX30105 не найден. Проверьте подключение.");
    while (1);
  }
  
  // Настройка датчика
  particleSensor.setup();
  particleSensor.setPulseAmplitudeRed(0x0A);
  particleSensor.setPulseAmplitudeGreen(0);
}

void loop() {
  long irValue = particleSensor.getIR();

  if (irValue < 50000) {
    Serial.println("Палец не обнаружен!");
  } else {
    // Расчет BPM
    if (checkForBeat(irValue)) {
      long delta = millis() – lastBeat;
      lastBeat = millis();
      
      beatsPerMinute = 60 / (delta / 1000.0);
      
      if (beatsPerMinute < 255 && beatsPerMinute > 20) {
        rates[rateSpot++] = (byte)beatsPerMinute;
        rateSpot %= RATE_SIZE;
        
        // Расчет среднего значения
        beatAvg = 0;
        for (byte x = 0; x < RATE_SIZE; x++)
          beatAvg += rates[x];
        beatAvg /= RATE_SIZE;
      }
    }
    
    Serial.print("IR=");
    Serial.print(irValue);
    Serial.print(", BPM=");
    Serial.print(beatsPerMinute);
    Serial.print(", Avg BPM=");
    Serial.println(beatAvg);
  }
  
  delay(100);
}

Расширенный скетч с выводом на OLED-дисплей:

Для наглядности показаний можно добавить вывод на OLED-дисплей:

#include <Wire.h>
#include "MAX30105.h"
#include "heartRate.h"
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define OLED_RESET    -1

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
MAX30105 particleSensor;

// ... [те же переменные, что и в предыдущем примере] ...

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // Инициализация OLED
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;);
  }
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Heartrate Monitor");
  display.display();
  
  // ... [инициализация датчика MAX30102] ...
}

void loop() {
  long irValue = particleSensor.getIR();
  
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Heart Rate Monitor");
  
  if (irValue < 50000) {
    display.setCursor(0, 20);
    display.println("Place your finger");
    Serial.println("Палец не обнаружен!");
  } else {
    // ... [расчет BPM как в предыдущем примере] ...
    
    display.setCursor(0, 20);
    display.print("IR: ");
    display.println(irValue);
    
    display.setCursor(0, 30);
    display.print("BPM: ");
    display.println(beatsPerMinute, 1);
    
    display.setCursor(0, 40);
    display.print("Avg BPM: ");
    display.println(beatAvg);
    
    // Простая визуализация сердцебиения
    if (millis() – lastBeat < 200) {
      display.fillRect(100, 20, 20, 20, SSD1306_WHITE);
    }
  }
  
  display.display();
  delay(100);
}

При отладке кода основные проблемы обычно связаны с подбором правильного порога для обнаружения ударов сердца. Этот параметр может различаться в зависимости от типа датчика и физиологических особенностей пользователя. 🔧

Модификации и улучшения вашего монитора сердцебиения

После успешной сборки базового монитора сердечного ритма наступает время улучшений и персонализации вашего устройства. Эти модификации могут значительно расширить функциональность и удобство использования вашего проекта. 🚀

Добавление беспроводной связи:

• Bluetooth: Интеграция модуля HC-05/HC-06 позволит передавать данные на смартфон или компьютер. Для этого подключите TX/RX модуля к цифровым пинам Arduino через программный UART и дополните код отправкой данных по последовательному порту.
• WiFi: Использование ESP8266 или ESP32 вместо обычной Arduino даст возможность отправлять данные на облачные сервисы или в локальную сеть. Модули ESP также могут выступать как веб-сервер, отображающий график сердцебиения в реальном времени.
• LoRa: Для мониторинга на больших расстояниях можно использовать модули LoRa, которые обеспечивают связь до нескольких километров в открытой местности.

Улучшение питания и портативности:

• Замените Arduino Uno на более компактную Arduino Nano или Pro Mini
• Добавьте литий-полимерный аккумулятор с модулем зарядки TP4056
• Интегрируйте переключатель питания и индикатор заряда батареи
• Разработайте компактный 3D-печатный корпус для всей системы

Расширение функциональности:

Добавление следующих функций существенно повысит полезность вашего устройства:

1. Запись данных: Подключите модуль SD-карты для долгосрочного хранения измерений с временными метками.
2. Мультипараметрический мониторинг: Дополните устройство датчиками температуры тела, движения (акселерометр) или уровня стресса (датчик GSR).
3. Анализ сердечного ритма: Расширьте программное обеспечение для обнаружения аритмий, измерения вариабельности сердечного ритма (HRV) или определения стресса.
4. Умные уведомления: Настройте оповещения при выходе показателей за установленные пределы через LED, зуммер или SMS-сообщения.

Улучшение точности измерений:

Для повышения качества получаемых данных можно применить несколько технических решений:

Интеграция с другими системами:

Объедините ваш монитор сердечного ритма с другими DIY-проектами или готовыми платформами:

• Разработайте собственное мобильное приложение на MIT App Inventor или Flutter
• Интегрируйте данные с платформами IoT, такими как ThingSpeak, Blynk или Home Assistant
• Настройте оповещения через Telegram-бота или IFTTT
• Экспортируйте данные в форматах, совместимых с медицинским ПО для дальнейшего анализа

Помните, что модификации должны осуществляться поэтапно с тестированием каждого изменения. Это позволит избежать многих проблем и гарантирует корректную работу всей системы. Начните с наиболее важных для вас улучшений и постепенно расширяйте возможности вашего устройства. 📈

Создание монитора сердечного ритма на Arduino — это не просто техническое упражнение, но и шаг к пониманию собственного здоровья через технологии. Вы научились выбирать компоненты, собирать схемы, программировать Arduino для обработки биосигналов и модифицировать устройство под свои потребности. Этот проект открывает дорогу к созданию более сложных персональных медицинских устройств и демонстрирует, как доступные технологии могут быть применены для мониторинга жизненно важных показателей. Сделав первые шаги в этом направлении, вы получили практические навыки на стыке электроники и медицины, которые можно развивать и дальше.

Читайте также

• Arduino для умного дома: 5 проектов для простой автоматизации
• 5 проектов Arduino для создания устройств мониторинга сна дома
• Сенсорные экраны Arduino: топ-10 вдохновляющих проектов для начинающих
• Датчики влажности для Arduino: лучшие проекты с автополивом
• Отладка Arduino: эффективные методы поиска и устранения ошибок
• 7 практических проектов с температурными датчиками Arduino: обзор
• Arduino: основы программирования для начинающих электроников
• Как собрать умный термостат на Arduino: экономия и автоматизация
• Arduino: от мигающего светодиода к умному дому за 5 шагов
• 10 проектов Arduino для умного дома: практическое руководство