KY-039 심박 센서로 심박수 측정하기: Arduino 튜토리얼

부품 및 소모품

프로젝트 소개

센서 이해하기

Arduino 37종 센서 키트에 포함된 '심박 센서'는 실제로는 심박수(BPM)를 직접 출력하지 않습니다. 단지 적외선 LED와 포토트랜지스터로 구성되어, 손가락을 사이에 둘 때 혈관 확장에 따른 적외선 투과량 변화를 아날로그 값(0~1023)으로 출력할 뿐입니다.

신호 처리 단계

1. 원시 데이터 확인

센서 값을 그대로 읽으면 정수값만 나와서 파형이 매우 거칠게 나타납니다 (360~383 사이 변동).

2. 이동 평균으로 평활화

최근 20개 읽기 값의 평균을 내면 심박 파형이 명확해집니다.

#define samp_siz 20
int reads[samp_siz];
int ptr = 0;
long sum = 0;

int reader = analogRead(sensorPin);
sum -= reads[ptr];
sum += reader;
reads[ptr] = reader;
float last = (float)sum / samp_siz;
ptr = (ptr + 1) % samp_siz;

3. 50/60Hz 전원 노이즈 제거

형광등/LED 조명의 깜빡임(50Hz = 20ms 주기) 노이즈를 제거하려면 20ms 동안 샘플링하여 평균을 냅니다.

int n = 0;
unsigned long start = millis();
float reader = 0;
do {
  reader += analogRead(sensorPin);
  n++;
} while (millis() < start + 20);  // 60Hz 지역이면 16.67ms
reader /= n;

4. 심박 감지 알고리즘

평활화된 곡선에서 '연속 상승' 구간을 감지하여 심박으로 판단합니다. 5회 연속 상승하면 심박 시작점으로 간주하고, 이전 심박과의 시간 차이로 BPM 계산.

• 가중 평균: 최근 3회 심박 간격의 0.4 : 0.3 : 0.3 비율로 평균
• 공식: BPM = 60000 / (0.4*first + 0.3*second + 0.3*third)

최종 코드

#define samp_siz 4
#define rise_threshold 4

int sensorPin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  float reads[samp_siz], sum = 0;
  long int now, ptr = 0;
  float last, reader, start;
  float first, second, third, before = 0, print_value;
  bool rising = false;
  int rise_count = 0;
  int n;
  long int last_beat = 0;

  for (int i = 0; i < samp_siz; i++) reads[i] = 0;

  while (1) {
    // 20ms 평균으로 50Hz 노이즈 제거
    n = 0; start = millis(); reader = 0;
    do {
      reader += analogRead(sensorPin);
      n++;
      now = millis();
    } while (now < start + 20);
    reader /= n;

    // 이동 평균 유지
    sum -= reads[ptr];
    sum += reader;
    reads[ptr] = reader;
    last = sum / samp_siz;

    // 상승 곡선 감지 (심박)
    if (last > before) {
      rise_count++;
      if (!rising && rise_count > rise_threshold) {
        rising = true;
        first = millis() - last_beat;
        last_beat = millis();
        print_value = 60000.0 / (0.4 * first + 0.3 * second + 0.3 * third);
        Serial.println(print_value);
        third = second;
        second = first;
      }
    } else {
      rising = false;
      rise_count = 0;
    }
    before = last;
    ptr = (ptr + 1) % samp_siz;
  }
}

개선 방향

• 최근 15초간 심박수 평균 내기 (이상치 제거 후)
• 하강 곡선 또는 최고점 기반 감지 방식 추가
• 고심박수(180~200 BPM) 대응 로직 보완
• 손가락 움직임으로 인한 아티팩트 필터링

회로도

KY-039 모듈 핀: VCC → 5V, GND → GND, S (신호) → A0. 손가락을 IR LED와 포토트랜지스터 사이에 가볍게 올립니다.