심박수 모니터 회로 제작 완벽 가이드: 신뢰할 수 있는 설계 노하우

심박수 모니터는 한 번쯤 들어보셨을 장치입니다. 아마 심박수 센서를 가진 기기나 사람을 한두 개쯤은 알고 계실 겁니다.

요즘은 너무 흔해서 스마트워치에 내장되거나 손목밴드 스타일로 나와 쉽게 접근할 수 있습니다.

작동 원리가 궁금하고 프로젝트로 직접 만들어보고 싶으시다면 걱정하지 마세요. 바로 여기 있습니다.

여기서는 심박수 모니터 회로의 비밀을 배우고 몇 가지 쉬운 단계로 다른 것을 만드는 방법을 알려드리겠습니다.

준비되셨나요? 시작해 볼까요!

심박 센서의 개념

기술적 세부 사항으로 들어가기 전에 알아두어야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

심박 센서는 환자와 운동선수 같은 사람들에게 필수적입니다. 그들의 심장 상태를 알 수 있도록 돕기 때문입니다.

심박수를 모니터링하는 방법은 여러 가지 있지만, 심박 센서가 가장 쉽습니다. 또한 휴대 가능하고 다양한 크기와 모양으로 제공됩니다. 게다가 즉시 심박수를 확인할 수 있는 접근 가능한 플랫폼을 제공합니다.

스마트 워치

앞서 언급했듯이 시계, 전화기, 기타 스마트 기기에서 찾아볼 수 있습니다. 따라서 심장이 분당 확장하거나 수축하는 데 걸리는 시간을 측정하는 데 도움이 됩니다.

심박수 모니터의 개념

기본적인 심박수 모니터는 다음을 특징으로 합니다:

• 센서
• IR LED
• 센서에 있는 포토다이오드
• 제어 회로

반면 회로는 원래 신호를 다양한 마이크로컨트롤러와 연결하는 Op-Amp IC와 기타 요소와 함께 제공됩니다.

아래에서 개념을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 심박 센서 회로도를 준비했습니다.

심박 센서 회로

위 회로는 맥박을 감지하는 손가락 심박 센서를 보여줍니다. 심박은 자동으로 혈액량과 IR LED 빛의 강도를 변화시킵니다. 또한 포토다이오드가 감지하는 것도 달라집니다.

또한 커패시터가 포토다이오드의 출력을 1단 Op-Amp의 '비반전 부하'로 공급합니다. 이는 신호의 DC 성분을 차단합니다. Op-Amp는 1001 차단 주파수 증폭 계수를 사용하는 '비반전' 단 증폭기로도 작동합니다.

또한 2단 Op-Amp는 1단 Op-Amp의 출력을 입력 중 하나로 받습니다. 또한 비교기 형태를 취합니다. 또한 2단 Op-Amp의 출력은 트랜지스터를 트리거하며, 이는 신호를 마이크로컨트롤러로 전달합니다.

이 심박 센서 회로의 Op-Amp는 LM358로, 한 칩에 두 개의 Op-Amp가 있습니다. 또한 트랜지스터는 BC547이며, 트랜지스터에 연결된 LED는 신호를 감지하면 펄스합니다.

회로 설계

여기서는 세 가지 심박 센서 제작 방법을 배웁니다:

• LM358을 사용한 심박 센서
• 아두이노를 사용한 심박 센서
• 아두이노 심박 센서 인터페이스 방법

심박수 모니터 회로: LM358을 사용한 심박 센서

이 회로로는 LM358 IC와 적외선 송신기 및 수신기를 결합하여 심박을 감지할 수 있습니다. 또한 IR LED는 IR 송신기이고, 포토다이오드는 회로의 검출기입니다. 아래 회로 그림을 확인하세요:

LM358 심박 센서 회로 그림

또한 LM358 핀아웃은 다음과 같습니다:

LM358 핀아웃 다이어그램

필요한 부품:

• LM358 IC 연산 증폭기 (1개)
• 4.7μF 전해 커패시터 (1개)
• 100nF 세라믹 커패시터 (1개)
• 9V 배터리 (1개)
• IR LED 한 쌍 (1개)
• 5mm LED (1개)
• 220kΩ 저항 (2개)
• 10kΩ 저항 (1개)
• 680kΩ 저항 (1개)
• 6.8kΩ 저항 (1개)
• 47kΩ 저항 (1개)
• 심박 센서 (PC3) (1개)

단계

• 1: LM358 IC의 베이스를 PC에 연결하고 IC를 베이스에 연결합니다.
• 2: 모든 LED를 PCB에 연결합니다.
• 3: 두 커패시터를 모두 PCB에 연결합니다.
• 4: 모든 저항도 연결합니다.
• 5: 배터리 클립을 회로에 추가하고 배터리를 연결하여 회로가 작동하는지 확인합니다.

참고: 모든 연결을 납땜하는 것을 잊지 마세요.

작동 원리

이 회로는 앞서 설명한 심박 센서와 유사하게 작동합니다. 여기에는 심장에서 오는 맥박을 감지하는 두 개의 IR 포토다이오드가 있습니다.

그러나 하나는 손가락을 통해 빛을 방출하는 송신기 역할을 하고, 다른 수신기는 손가락이 얼마나 많은 빛을 반사하는지 측정합니다.

수신기가 측정하는 반사광의 강도는 두 가지에 따라 달라집니다. 첫째, 심장 박동 속도, 둘째, 혈액이 함유한 산소화 혈액 수준의 차이입니다.

심박수 모니터 회로: 아두이노를 사용한 심박 센서

이제 아두이노 기반 심박 센서 제작 방법을 살펴보겠습니다. 이 센서는 손가락 클립을 특징으로 하며 데이터, GND, VCC 연결을 위해 세 개의 핀을 사용합니다.

아두이노 심박 센서

필요한 부품

이 회로에는 다음이 필요합니다:

• 아두이노 보드 (1개)
• 10kΩ 포텐쇼미터 (1개)
• 330Ω 저항 (1개)
• 2×16 LCD 디스플레이 (1개)
• 연결 와이어
• 푸시 버튼
• 미니 브레드보드
• 손가락 프로브가 있는 심박 센서 칩 (1개)

아두이노 심박 센서 인터페이스 방법

아두이노와 심박 센서를 인터페이스하는 것은 쉽습니다. 그러나 분당 박동 수로 심박수 판독값을 보고 싶다면, 가장 먼저 아두이노 보드를 16×2 LCD에 연결해야 합니다.

LCD 모듈의 네 데이터 핀(D7, D5, D4, D6)을 아두이노의 핀 1에 연결합니다. 또한 10kΩ 포텐쇼미터를 LCD의 핀 3에 연결합니다. 그런 다음 LCD의 핀 3과 5(E & RS)를 아두이노의 1에 병합합니다.

마지막으로 심박 센서의 출력 핀을 아두이노의 핀 1(아날로그 입력 신호 핀)에 연결합니다.

코드

심박 센서를 아두이노와 인터페이스한 후 다음 단계는 시스템 실행을 위해 필요한 코드 라인을 작성하는 것입니다.

여기에서 코드 라인 링크를 확인하세요.

작동 원리

이 회로 사용도 쉽습니다. 엄지손가락을 제외한 아무 손가락이나 센서 클립에 대고 스위치 버튼을 누르기만 하면 됩니다.

이제 아두이노는 센서에서 수신한 데이터로부터 심박수 측정값을 계산하여 bpm으로 표시합니다.

하지만 센서가 데이터를 수집하는 동안 편안하게 유지하여 와이어를 흔들지 마세요. 그렇지 않으면 잘못된 판독값이 나옵니다.

아두이노가 심박수를 표시한 후 버튼을 눌러 다른 판독을 시작할 수 있습니다.

심박수 모니터 회로: 응용 분야

• 인체(사람, 환자, 운동선수)의 심박수 계산

인체 심박수

• 비싼 심박수 모니터의 대안으로 사용

모바일 심박수 앱

• 환자 건강 모니터링 시스템

환자 건강 모니터링 시스템

결론

이 기사를 마무리하기 전에, 심박 센서가 작동하는 원리와 광용적맥파(photoplethysmograph) 방향과 함께 작동하는 방식을 이해해야 합니다.

이 원리는 장기를 통과하는 빛의 강도를 사용하여 해당 장기의 혈액량을 측정할 수 있다고 말합니다.

간단히 말해, 대부분의 심박 센서에서 IR LED가 더 나은 광원임을 알 수 있습니다.

따라서 빛 광자를 전류로 변환하는 검출기나 빛에 의존하는 전류 증폭 부품을 사용할 수 있습니다.

손가락 클립 심박 센서

출처: Wikimedia Commons

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