Pulsmessgerät selbst gebaut

© Rangizzz, 123RF

Herzenssache

Steigt beim Krimi der Herzschlag bedrohlich an? Mit einem Pulsmesser in Eigenbau ermitteln Sie einfach und kostengünstig, ob der Herzschlag noch in verträglichen Bereichen liegt.

Der Puls ist ein eindeutiges Indiz für den Funktionszustand des Kreislaufs. Wenn Sie – bei Geeks eher unwahrscheinlich – sich für Fitness interessieren, gehört er zu den zentralen Vitalwerten beim Sport. Egal, ob Sie einfach aus reinem Interesse oder aus Vorsicht vor Überlastung messen, ein Pulssensor [1] in Eigenbau gibt Ihnen schnell und einfach Aufschluss über Ihren Zustand.

Das im Beispiel verwendete Modul beruht auf einem optischen Messverfahren, das die Blutmenge in den Arterien erfasst. Diese verändert sich mit dem Rhythmus des Herzschlags. Als Basis der Messung dient die Lichtabsorption der roten Blutkörperchen. Üblicherweise messen Sie mit solchen Sensoren am Handgelenk, am Fußrücken, im Bereich der Schläfen oder am Hals, weil sich dort die Arterien besonders dicht unter der Haut befinden.

Der Sensor arbeitet bei einer Betriebsspannung von 3 bis 5 Volt. Die Spannung am Ausgang variiert je nachdem, wie gut Sie ihn positionieren. Es kommt gelegentlich vor, dass er gar keinen Wert ermittelt, etwa dann, wenn Sie ihn so fest auf die Haut drücken, dass er den Blutstrom blockiert.

Es empfiehlt sich, dass der Sensor während der Messung immer an derselben Position bleibt. Der Pulssensor arbeitet mit grünem Licht, das sich am besten zum Messen am Handgelenk eignet. Bausteine mit rotem Licht kommen dagegen meist zum Messen an der Fingerkuppe zum Einsatz. Die Genauigkeit der optischen Sensoren erreicht fast die eines EKGs.

Testaufbau

Beim Testaufbau gilt es, zuerst ein kleines Problem zu lösen: Der Sensor liefert analoge Werte, der RasPi verarbeitet aber nur digitale. Sie benötigen also einen Analog/Digital-Wandler. Die Wahl fiel auf den MCP3008 [2], weil er mit seiner 10-Bit-Auflösung ausreichend genau misst.

Der Schaltplan (Abbildung 1) für den Testaufbau gestaltet sich recht übersichtlich: Er besteht nur aus dem MC3008, den Sie über die SPI-Schnittstelle mit dem RasPi verbinden. Am Analogeingang CH0 des Wandlers hängt der Sensor. Ein Oszilloskop hilft bei der Überwachung der Analogwerte, die der Sensor liefert; so bekommt man ein Gefühl dafür, welcher Druck nötig ist, um korrekte Messwerte zu erhalten (Abbildung 2).

Abbildung 1: Neben dem RasPi benötigt der Pulsmesser lediglich zwei weitere Bauteile: einen A/D-Wandler und den Sensor. Zusammen kosten die Bauteile unter zehn Euro.
Abbildung 2: Das Oszilloskop zeigt die vom Sensor kommenden Impulse an und gibt damit Aufschluss darüber, wie präzise er arbeitet.

Abbildung 3 zeigt eine Messung mit dem digitalen Oszilloskop Bitscope Micro [3]. Die ausgegebene Frequenz von 1,4 Hz entspricht einem Puls von 84 Schlägen in der Minute. Die Angabe Hertz (Hz) zeigt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde das Gerät misst. Multiplizieren Sie diesen Wert mit 60, ergibt das die Schwingungen pro Minute.

Abbildung 3: Das Bitscope Oszilloskop zeigt den vom Sensor gemessenen Puls in Hertz an. Über eine einfache Multiplikation erhalten Sie die Herzfrequenz.

Software

Als Unterbau kommt ein aktuelles Raspbian Stretch Lite zum Einsatz [4]. Nach dem Herunterladen schreiben Sie es mit einem Tool Ihrer Wahl auf eine SD-Karte. Nach dem Booten starten Sie zunächst das Tool Raspi-config. Darin aktivieren Sie unter 5 Interfacing Options | P4 SPI die SPI-Schnittstelle des Mini-PCs. Diese benötigen Sie, um den MCP3008 anzusteuern.

Darüber hinaus aktivieren Sie unter 5 Interfacing Options | P2 SSH den SSH-Dienst. Sobald dieser läuft, sind Sie in der Lage, via Putty [5] oder einen Terminal vom Desktop aus mit dem Raspberry Pi zu arbeiten.

Zu guter Letzt sollten Sie gleich das Passwort des Users pi ändern. Das erledigen Sie ebenfalls mit Raspi-config, alternativ nutzen Sie dafür das Kommando passwd.

Führen Sie danach die Kommandos aus Listing 1 aus. Damit bringen Sie die Software auf den aktuellen Stand und installieren alle zum Ansteuern des Sensors benötigten Programme.

Listing 1

 

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install git python-dev
git clone https://github.com/doceme/py-spidev.git
cd py-spidev/
sudo python setup.py install
cd ..
git clone https://github.com/tutRPi/Raspberry-Pi-Heartbeat-Pulse-Sensor

Um sicherzustellen, dass Sie alle Komponenten fehlerfrei geladen haben, booten Sie den Computer anschließend neu. Danach starten Sie das Beispielprogramm (Listing 2).

Listing 2

 

$ cd Raspberry-Pi-Heartbeat-Pulse-Sensor
$ python example.py
No Heartbeat found
BPM: 80
BPM: 80
BPM: 83
BPM: 85

Möglicherweise stellen Sie fest, dass es etwas kniffelig ist, den Druck auf den Sensor so zu dosieren, dass er gute Messwerte liefert. Es hilft, das Signal des Sensors nebenbei mit dem Oszilloskop zu überwachen. Dazu benötigen Sie kein teures Gerät: Ein günstiger Bausatz genügt vollkommen [6].

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