Датчик пульса (finger pulse sensor) и звуковой/микрофонный датчик

Введение

Датчик пульса (finger pulse sensor, оптический датчик, измеряющий изменение светопроницаемости пальца, синхронное с сердцебиением) и микрофонный звуковой датчик — два новых сенсора, объединённых в этой статье как примеры аналоговых датчиков, требующих обработки сигнала во времени (а не простого считывания статичного значения), в отличие от большинства ранее разобранных аналоговых датчиков.

Концепция

Пульсометр (часто на базе фотоплетизмографии — измерения изменения отражённого/прошедшего света через ткань, синхронного с пульсацией крови при сердцебиении) даёт переменный аналоговый сигнал, в котором интересен не абсолютный уровень, а периодичность пиков, соответствующих отдельным ударам сердца — обработка требует обнаружения пиков сигнала и измерения интервала между ними для вычисления частоты пульса в ударах в минуту. Микрофонный звуковой датчик (обычно с встроенным компаратором, дающим и аналоговый, и цифровой пороговый выход) аналогично даёт переменный сигнал, отражающий уровень звука в реальном времени — типичное применение — обнаружение звуковых событий (хлопок, громкий звук) через цифровой пороговый выход, а не точное измерение уровня шума (для чего нужны значительно более качественные, калиброванные микрофоны).

Пример кода

// Пульсометр — обнаружение пиков сигнала для вычисления частоты пульса
const int PULSE_SENSOR_PIN = A0;
const int THRESHOLD = 550; // порог обнаружения пика — требует калибровки для конкретного пользователя

int lastBeatTime = 0;
int beatCount = 0;
unsigned long windowStartTime = 0;
bool wasAboveThreshold = false;

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    windowStartTime = millis();
}

void loop() {
    int signal = analogRead(PULSE_SENSOR_PIN);
    bool isAboveThreshold = signal > THRESHOLD;

    // Обнаружение пика — переход сигнала ИЗ "ниже порога" В "выше порога" (передний фронт)
    if (isAboveThreshold && !wasAboveThreshold) {
        unsigned long now = millis();
        if (now - lastBeatTime > 300) { // минимум 300 мс между ударами — защита от ложных пиков (>200 уд/мин невозможно)
            beatCount++;
            lastBeatTime = now;
        }
    }
    wasAboveThreshold = isAboveThreshold;

    // Каждые 10 секунд — пересчёт в удары в минуту и сброс счётчика
    if (millis() - windowStartTime >= 10000) {
        int bpm = beatCount * 6; // количество ударов за 10 секунд * 6 = удары в минуту
        Serial.print("BPM:");
        Serial.println(bpm);
        beatCount = 0;
        windowStartTime = millis();
    }
}

// Звуковой датчик — обнаружение громкого звукового события через цифровой выход
const int SOUND_DIGITAL_PIN = 3;
const int SOUND_ANALOG_PIN = A1;

void setupSoundSensor() {
    pinMode(SOUND_DIGITAL_PIN, INPUT);
}

void loopSoundSensor() {
    bool soundDetected = digitalRead(SOUND_DIGITAL_PIN); // обычно LOW при превышении порога — проверить датчик
    int soundLevel = analogRead(SOUND_ANALOG_PIN); // относительный, не калиброванный уровень

    if (soundDetected) {
        Serial.println("EVENT:LOUD_SOUND");
    }
}

Пояснения к коду

Защита now - lastBeatTime > 300 в обработке пульса — критично важная деталь: без неё шум или дребезг сигнала вокруг порогового значения мог бы зарегистрировать несколько ложных «ударов» за время одного реального удара сердца, что особенно вероятно для зашумлённого сигнала недорогого датчика; 300 миллисекунд соответствует физиологическому пределу — частота пульса свыше 200 ударов в минуту крайне маловероятна для большинства практических применений, что делает любой более частый «пик» с высокой вероятностью шумом, а не реальным ударом. Расчёт beatCount * 6 для перевода в удары в минуту работает из окна измерения именно в 10 секунд (10 секунд × 6 = 60 секунд = 1 минута) — изменение длительности окна измерения требует соответствующего изменения этого множителя.

Подводные камни

Использование фиксированного, не калиброванного порога (THRESHOLD = 550 в примере) для обнаружения пульса, без учёта того, что амплитуда сигнала фотоплетизмографического датчика значительно различается между разными людьми (толщина пальца, цвет кожи, кровенаполнение в данный момент) и даже у одного человека в разных условиях — для надёжной работы порог обычно нужно либо калибровать индивидуально, либо (что более надёжно) определять адаптивно, отслеживая динамический диапазон сигнала в реальном времени, а не использовать единое статичное число.
Чрезмерное доверие точности измерения пульса дешёвым, не медицинским датчиком этого типа — подобные модули из общих наборов датчиков предназначены для образовательных/хобби-проектов, демонстрирующих принцип, но не для медицинской диагностики; точность измерения существенно зависит от качества контакта пальца с датчиком, посторонней засветки, и движения пальца во время измерения, и результат не должен восприниматься как медицински достоверное измерение.
Игнорирование инвертированной логики цифрового выхода многих дешёвых звуковых модулей (где LOW означает превышение порога, а не HIGH, как могло бы интуитивно ожидаться) — конкретная полярность зависит от используемого компаратора на плате модуля, и перед использованием стоит явно протестировать реальное поведение конкретного экземпляра модуля (например, через простой Serial-вывод значения при намеренно громком звуке), а не предполагать «интуитивно ожидаемую» полярность сигнала.
Попытка использовать аналоговый выход дешёвого звукового модуля для точного измерения уровня громкости в децибелах — встроенный микрофон и схема усиления таких модулей обычно не откалиброваны и не линейны в широком диапазоне, что делает их пригодными для относительного обнаружения «тихо/громко» или конкретных звуковых событий, но не для точного, абсолютного измерения уровня шума, для чего требуется специализированное, откалиброванное измерительное оборудование.