心跳感測模組實驗：Arduino 入門醫療科技應用
午休結束的生物課，老師讓同學把食指放在小小的感測頭上，幾秒後螢幕出現一條起伏的曲線。那不是擺設，而是每個人當下的心跳訊號。从智慧手环到临床监护，心率监测早已走入日常；而对学习者来说，只要一块 Arduino Uno 和一颗心跳感测模组，就能把「生命征象」化成能分析与应用的资料。
這篇文章會帶你做到什麼？
- 了解兩類常用心跳感測器：類比式 Pulse Sensor、I²C 介面的 MAX30100
- 完成 Arduino 讀值與即時監看，並給出可用的程式碼
- 知道何時該選進階的 MAX30101/MAX32664 模組，以及常見問題與校正重點
感測原理，用白話說清楚：
多數心跳模組採用 PPG（光體積描記法）。發光元件照到手指（或耳垂），血液因心臟收縮與舒張而改變吸光量，回到感光元件的光強度就會呈現週期性的起伏，轉成電訊號後，便可計算心率（BPM）。
選哪一顆？依專案分級：
- 入門與課堂展示：Pulse Sensor（類比輸出，接 A0 就能看波形）
- 入門＋想要心率/血氧數值：GY-MAX30100（I²C，搭配程式庫可算 HR/SpO₂）
- 進階研究或更穩定算法：MAX30101 / MAX32664（Qwiic/SparkFun 板，演算法更完整）
提示：本文程式碼示範 Pulse Sensor 與 MAX30100；MAX30101/MAX32664 建議依供應商程式庫範例實作。
硬體接線：
Pulse Sensor（類比）
- VCC → 5V 或 3.3V（依模組標示）
- GND → GND
- SIGNAL → A0（Arduino 類比輸入）
GY-MAX30100（I²C）
- VIN → 3.3V（多數板可 3.3V；若標示可 5V 再接 5V）
- GND → GND
- SDA → A4（UNO）/ 21（ESP32）
- SCL → A5（UNO）/ 22（ESP32）
程式碼範例：先看得到，再談計算
1）Pulse Sensor：先把波形讀出來（Arduino UNO）
// 讀取 Pulse Sensor 類比波形並輸出到序列監視器
const int SENSOR_PIN = A0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int v = analogRead(SENSOR_PIN);
Serial.println(v); // 在序列監視器用「繪圖」查看波形
delay(10); // 取樣間隔約 100 Hz
}
想要直接得到 BPM，建議安裝 PulseSensor 官方 PulseSensor Playground 程式庫，內含去雜訊與峰值偵測邏輯，比自行手刻更穩定。
2）GY-MAX30100：以程式庫計算 HR/SpO₂
安裝 MAX30100 專用程式庫（常見名稱：MAX30100_PulseOximeter）。以下為常用的穩定範例，能每秒輸出心率與血氧：
#include <Wire.h>
#include "MAX30100_PulseOximeter.h"
#define REPORTING_PERIOD_MS 1000
PulseOximeter pox;
uint32_t tsLastReport = 0;
void onBeatDetected() {
Serial.println("Beat!");
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
Wire.begin();
if (!pox.begin()) {
Serial.println("MAX30100 init FAILED");
while (1); // 停在這裡方便排錯（接線/電源）
}
// 視板子/手指狀況可調整 LED 電流，過大會飽和、過小雜訊高
pox.setIRLedCurrent(MAX30100_LED_CURR_7_6MA);
pox.setOnBeatDetectedCallback(onBeatDetected);
}
void loop() {
pox.update(); // 必須持續呼叫以更新內部濾波與偵測
if (millis() - tsLastReport > REPORTING_PERIOD_MS) {
Serial.print("HR: ");
Serial.print(pox.getHeartRate(), 0);
Serial.print(" bpm SpO2: ");
Serial.print(pox.getSpO2(), 0);
Serial.println(" %");
tsLastReport = millis();
}
}
若數值不穩定，檢查電源是否雜訊大（改用 3.3V、加電源去耦），並嘗試不同 LED 電流或更穩定的手指姿勢。
實驗步驟與觀察
- 先用 Pulse Sensor 看波形有無規律起伏；若雜訊高，放穩手指、避開強光。
- 改用 MAX30100 程式庫，觀察每秒輸出的 HR/SpO₂ 是否在合理範圍。
- 做一次「前後對照」：安靜坐著 2 分鐘量測，再做 20 次深蹲後量測，觀察 HR 的變化。
常見問題與校正建議
- 波形亂跳：降低環境光、穩定手部、加上移動平均或低通濾波。
- BPM 偏低/偏高：Pulse Sensor 請用官方程式庫；MAX30100 調整 LED 電流、確認 I²C 連線與取樣率。
- 不同人體差異：血流弱、手指溫度低都會影響反射光；可改量耳垂或換手指。
何時改用 MAX30101 / MAX32664？
若你的專題需要更穩定演算法、更多參數（如 HRV）或長期連續記錄，推薦改用 MAX30101/MAX32664 的模組。它們的優勢在於光學路徑與演算法設計更成熟，適合研究或長照情境。不過請記得：這些仍屬開發與教學用途，非醫療認證設備。
把專題做漂亮：三個實作方向
- 即時可視化：用 Arduino 串 OLED/LCD 顯示 HR 與波形
- IoT 上雲：ESP32 透過 Wi-Fi 把心率資料送到雲端平台（MQTT/ThingSpeak）
- 安全提示：心率超出門檻時，蜂鳴器/LED 提醒，並推播到手機
把手指放上感測頭，看著波形與數字同步跳動，是學習醫療科技的最佳起點。Pulse Sensor 讓你立刻看到訊號，MAX30100 協助你取得 HR/SpO₂，而 MAX30101/MAX32664 則支援更進階的研究需求。從這個小專案開始，你就能把「生理訊號」連上 Arduino、資料與應用，做出真正有價值的健康科技作品。
特別提醒：
1. MAX30100 與 MAX30102/01 差異
• MAX30100 已算舊款，部分使用者反應血氧數值不太穩。
• 對「血氧精準度」要求高的讀者，建議用 MAX30101 或 MAX30102。
2. Pulse Sensor 精度
• Pulse Sensor 本身容易受到雜訊干擾，用官方 Library，比較穩定。
• 在科展/專題時，建議加 RC 濾波器或用 Arduino 的 Moving Average。
