使用 KY-039 传感器与 Arduino 测量心率

组件与物料

项目原理

Arduino 37 合一传感器套装中的 KY-039 心跳传感器，并非直接输出心率数值，而是输出 0-1023 的模拟量，反映红外光接收强度。手指放在红外 LED 和光敏晶体管之间，血管随心跳膨胀收缩，改变红外透过率，形成脉动信号。通过信号处理可计算心率 (BPM)。

信号处理步骤

1. 原始读取：直接读取模拟值，波形锯齿严重，受 50Hz 交流电光源干扰。
2. 滑动平均滤波：对最近 20 个采样取平均，平滑波形。
3. 20ms 积分平均：在 20ms 窗口内连续采样并平均，消除 50Hz 工频干扰（60Hz 地区用 16.67ms）。
4. 峰值检测：检测连续 rise_threshold 次上升沿（默认 5 次）判定一个心跳，记录时间间隔计算 BPM。
5. 加权平均：利用最近 3 次心跳间隔加权平均（权重 0.4, 0.3, 0.3）输出稳定心率。

核心算法代码

#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, 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 窗口平均采样，消除 50Hz 干扰
    n = 0; start = millis(); reader = 0;
    do {
      reader += analogRead(sensorPin);
      n++;
      now = millis();
    } while (now < start + 20);
    reader /= n;

    // 滑动窗口平均
    sum -= reads[ptr];
    sum += reader;
    reads[ptr] = reader;
    last = sum / samp_siz;

    // 上升沿检测
    if (last > before) {
      rise_count++;
      if (!rising && rise_count > rise_threshold) {
        rising = true;
        first = millis() - last_beat;
        last_beat = millis();
        // 加权平均计算 BPM
        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 %= samp_siz;
  }
}

进阶优化建议

• 基于 15 秒窗口计算平均心率，剔除离群值
• 针对不同人群（高心率、波形差异）调整检测阈值
• 增加下降沿或波峰检测作为备选

原理图