심박 센서: 작동 원리 및 실용적 응용

심박이란?

심박은 심장 방의 율동적 수축으로 혈액을 온몸으로 보냅니다. 분당 심장 수축 횟수가 심박수(BPM)입니다. 피부 가까운 동맥에서 느껴지는 맥박은 그 심박수의 외부 표현입니다.

심박 측정 두 가지 방법

• 수동 방법: 손목(요골 맥박) 또는 목(경동맥 맥박)에서 맥박을 셉니다. 검지와 중지를 선택 부위에 가볍게 대고 30초간 센 후 2배 하여 BPM을 구합니다. 최소 압력을 가하고 맥박이 느껴질 때까지 손가락을 슬라이드합니다.
• 센서 기반 방법: 각 박동 시 혈액량 변동으로 인한 빛 세기 변화를 감지합니다.

심박 센서의 원리

심박 센서는 광용적맥파(PPG)를 사용합니다. 조직 내 혈액량 변화를 측정하여 투과 또는 반사되는 빛의 양을 변화시킵니다. 혈액이 빛을 흡수하므로 반사/투과 빛의 변동이 심장 박동과 직접 대응합니다.

PPG는 두 가지 주요 방식으로 수행됩니다:

투과법: 혈관 풍부 부위(예: 귓불)를 통과한 빛을 반대편에서 수신.

반사법: 조직 표면(예: 손가락)에서 빛이 반사됨.

심박 센서 작동 방식

일반적인 센서는 LED와 포토디텍터(포토다이오드 또는 조도 의존 저항)로 구성됩니다. LED가 조직을 비추면 혈액이 빛 일부를 흡수하고 나머지가 검출기로 반사/투과됩니다. 검출기의 전기 출력에는 DC 성분(조직 흡수)과 각 맥박과 동기화되는 AC 성분이 포함됩니다.

AC 성분을 분리하기 위해 검출기 출력을 2단계 하이패스/로우패스 필터로 거른 후 비교기나 ADC로 디지털 펄스열로 변환합니다. 펄스 주파수(f)를 마이크로컨트롤러에 입력하여 다음 공식으로 BPM을 계산합니다:

BPM = 60 × f

실용적 심박 센서

일반적 모듈로는 적외선 LED와 LDR을 귓불이나 손가락에 클립으로 고정하는 심박수 센서(제품번호 PC-3147)가 있습니다.

또 다른 인기 선택은 4핀 광학 센서 TCRT1000입니다. 핀 1이 LED에 전원 공급, 핀 2,3이 접지, 핀 4가 출력입니다. 활성화 시 손목 착용형에 장착하여 블루투스로 원격 모니터링 데이터 전송 가능.

간단한 심박 센서 시스템 제작

기본 시스템은 LDR, 비교기 IC(LM358), 마이크로컨트롤러로 조립 가능합니다. 아래 다이어그램이 일반적인 회로를 보여줍니다.

LDR은 빛 검출기 역할을 합니다: 빛 세기가 오르면 저항이 내리고, 떨어지면 저항이 오릅니다. LM358이 LDR 전압을 전압 분할기로 설정한 고정 임계값과 비교합니다. 조직 맥박이 LDR에 닿는 빛을 줄이면 저항이 상승하여 전압이 임계값을 넘어 로직 하이를 생성합니다. 결과 펄스열이 마이크로컨트롤러로 공급되어 심박수를 계산하고 부착된 화면에 표시합니다.

심박 센서 회로도 비디오 설명