Was ist der Herzfrequenz-Sauerstoff-Pulssensor MAX30100?

Die Überwachung der Herzfrequenz und des Blutsauerstoffs ist zu wesentlichen Merkmalen moderner tragbarer Gesundheitsgeräte geworden.In diesem Artikel werden die Sensor- und Modulübersicht des MAX30100, Details zur Pinbelegung, interne Komponenten, Funktionen, Spezifikationen, Anwendungsschaltkreise, Schnittstellenmethoden und allgemeine Anwendungen erläutert.

Katalog

MAX30100 Sensorübersicht

Die MAX30100 Der Herzfrequenz- und Sauerstoffpulssensor ist ein kompakter biometrischer Sensor, der von Maxim Integrated zur Messung der Herzfrequenz (HF) und der Blutsauerstoffsättigung (SpO₂) entwickelt wurde.Es wird häufig in tragbaren und tragbaren Gesundheitsüberwachungsgeräten verwendet.

Dieser Sensor integriert rote und infrarote LEDs, einen Fotodetektor und eine rauscharme analoge Signalverarbeitung in einem einzigen Gehäuse.Mithilfe des Prinzips der Photoplethysmographie (PPG) erkennt es Veränderungen der Lichtabsorption, die durch Blutfluss und Sauerstoffgehalt verursacht werden, um genaue Puls- und SpO₂-Messwerte zu berechnen.

Der auf einen geringen Stromverbrauch ausgelegte MAX30100 eignet sich für batteriebetriebene Anwendungen wie Fitness-Tracker, Smartwatches und medizinische Prototypen.Es unterstützt die I²C-Kommunikation und ermöglicht so eine einfache Integration mit Mikrocontrollern wie Arduino und ESP32.

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Details zur Pinbelegung des MAX30100

MAX30100 Sensor

Pin Nein.	Pin Name	Beschreibung
1	N.C.	Keine Verbindung
2	SCL	Serieller I²C-Takt Eingabe
3	SDA	Serielle I²C-Daten Eingabe/Ausgabe
4	PGND	Stromerde für LED-Treiber
5	IR_DRV	Infrarot-LED Treiberausgabe
6	R_DRV	Roter LED-Treiber Ausgabe
7	N.C.	Keine Verbindung
8	N.C.	Keine Verbindung
9	R_LED+	Rote LED-Anode Verbindung
10	IR_LED+	Infrarot-LED Anodenanschluss
11	VDD	Stromversorgung Eingabe
12	GND	Boden
13	INT	Ausgabe unterbrechen
14	N.C.	Keine Verbindung

MAX30100 Sensormodul

Pin Name	Beschreibung
Fahrgestellnummer	Stromversorgung Eingang für das Modul.Wird normalerweise bei 3,3 V betrieben. Einige Durchbrüche Boards können 5 V über die Onboard-Regulierung unterstützen.
SCL	I²C Serial Clock-Pin, der verwendet wird für Kommunikation mit einem Mikrocontroller (Arduino, ESP32 usw.).
SDA	I²C Serial Data Pin verwendet Übertragen Sie Daten zwischen dem MAX30100-Sensor und dem Controller.
INT	Ausgangspin unterbrechen.Geht tief wenn neue Herzfrequenz- oder SpO₂-Daten verfügbar sind.Optional, aber nützlich für energieeffiziente Designs.
IR	Verbindung zu der Infrarot-LED-Treiber, der hauptsächlich für Herzfrequenz und Sauerstoff verwendet wird Sättigungsmessung.
RD	Verbindung zu der rote LED-Treiber, der hauptsächlich zur SpO₂-Erkennung (Blutsauerstoff) verwendet wird.
GND	Bodenreferenz für Stromversorgung und Signalrückführung.

Komponenten des MAX30100-Moduls

Das Modul MAX30100 ist eine kompakte Biosensorplatine, die für die Messung von Herzfrequenz und Blutsauerstoff (SpO₂) entwickelt wurde.Nachfolgend sind die Hauptkomponenten und ihre Funktionen aufgeführt:

• MAX30100 Sensor-IC – Der Kernchip, der rote und infrarote LEDs, einen Fotodetektor und analoge Front-End-Schaltkreise zur Messung der Pulsfrequenz und der Blutsauerstoffsättigung integriert.

• Rote LED (660 nm) – Gibt rotes Licht ab, das zur SpO₂-Messung durch Analyse der Absorption von sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Hämoglobin verwendet wird.

• Infrarot-LED (940 nm) – Arbeitet mit der roten LED zusammen, um die Genauigkeit bei der Erkennung von Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt zu verbessern.

• Fotodiode – Erkennt reflektiertes Licht von Blutgefäßen und wandelt es zur Verarbeitung in ein elektrisches Signal um.

• Spannungsregler – Sorgt für eine stabile Betriebsspannung des Sensors und schützt ihn vor Schwankungen beim Anschluss an Mikrocontroller.

• Pull-up-Widerstände (I²C) – werden auf den SDA- und SCL-Leitungen verwendet, um eine zuverlässige I²C-Kommunikation zu unterstützen.

• Entkopplungskondensatoren – Filtern Rauschen und stabilisieren Stromversorgungsleitungen für eine genaue Signalerfassung.

• Header-Pins – Ermöglichen eine einfache Verbindung mit Mikrocontrollern wie Arduino, ESP32 oder Raspberry Pi für Strom- und Datenübertragung.

Alternativen und gleichwertiges Modell

MAX30100-Alternativen

• Puls 3+

• Proto Central AFE4490

• ROHM BH1792GLC

• FSH 7060

• Texas Instruments AFE4404

• Texas Instruments AFE4950

• Silicon Labs Si1143

• AMS AS7038RB

• Maxim MAX86140

MAX30100-Äquivalente

• MAX30102

• MAX30101

• MAX30105

MAX30100 Systemblockdiagramm

Das Blockdiagramm des MAX30100-Systems zeigt, wie der Sensor mithilfe optischer Sensoren Herzfrequenz und Blutsauerstoff (SpO₂) misst.Wenn ein Finger auf das Deckglas gelegt wird, strahlen rote und infrarote (IR) LEDs Licht in die Haut.Dieses Licht gelangt durch Blutgefäße, wo je nach Sauerstoffgehalt und Blutvolumenänderungen ein Teil davon vom Hämoglobin absorbiert wird.

Das vom Gewebe reflektierte Licht wird von der Fotodiode empfangen.Die Menge des zurückgegebenen Rot- und IR-Lichts variiert mit jedem Herzschlag und mit dem Verhältnis von sauerstoffhaltigem (HbO₂) und sauerstofffreiem Hämoglobin (Hb).Diese winzigen Lichtveränderungen enthalten die physiologischen Informationen, die für die Puls- und SpO₂-Berechnung erforderlich sind.

Im Chip wird das analoge Signal der Fotodiode vom ADC in digitale Daten umgewandelt.Die Steuer- und Signalverarbeitungsblöcke verwalten das LED-Timing, die Rauschunterdrückung und die Datenformatierung.Die verarbeitete Ausgabe wird dann an einen Mikrocontroller gesendet, wo Herzfrequenz- und Sauerstoffsättigungswerte berechnet und angezeigt werden.

Funktionsdiagramm des MAX30100

Technische Daten des MAX30100-Sensors

Parameter	Spezifikation
Sensortyp	Pulsoximeter und Herzfrequenzsensor
Gemessen Parameter	Herzfrequenz (BPM), Blutsauerstoffsättigung (SpO₂)
Optisch Komponenten	Rote LED (660 nm), Infrarot-LED (940 nm), Fotodiode
LED-Peak Wellenlängen	Rot: 660 nm, IR: 940 nm
Kommunikation Schnittstelle	I²C
I²C-Adresse	0x57 (Standard)
Versorgungsspannung (VCC)	1,8 V (Kern), 3,3 V / 5 V (Modulebene mit Regler)
LED-Treiber Aktuell	Programmierbar bis bis 50 mA
ADC-Auflösung	16-Bit
Abtastrate	50–1000 Proben pro Sekunde (programmierbar)
Betrieb Temperatur	−40 °C bis +85 °C
Macht Verbrauch	Geringer Stromverbrauch, optimiert für tragbare Geräte
Paket (IC)	Optisches Modul (integrierte LEDs und Fotodiode)
Kompatibel Plattformen	Arduino, ESP8266, ESP32, Raspberry Pi

Funktionen des MAX30100-Sensors

All-in-One-Herzfrequenz- und Sauerstoffsensor

Der MAX30100 vereint die rote LED, die Infrarot-LED, den Lichtsensor und die Signalverarbeitungsschaltung in einem kleinen Chip.Da alles bereits eingebaut ist, benötigen Konstrukteure nicht viele zusätzliche Teile.Dadurch lässt sich die Schaltung einfacher entwerfen, Platz auf der Platine sparen und die Gesamtkosten senken.Seine sehr geringe Größe ist ideal für tragbare Geräte wie Fitnessbänder und Gesundheitsmonitore.

Geringer Stromverbrauch für längere Batterielebensdauer

Der MAX30100 ist so konzipiert, dass er sehr wenig Strom verbraucht, was für batteriebetriebene Geräte wichtig ist.Die Abtastgeschwindigkeit und der LED-Strom können angepasst werden, sodass der Sensor nur so viel Strom verbraucht, wie benötigt wird.Wenn der Sensor nicht aktiv ist, verbraucht er extrem wenig Strom, sodass die Geräte zwischen den Ladevorgängen viel länger halten.

Genauere und zuverlässigere Messungen

Der Sensor ist so konstruiert, dass er saubere und stabile Signale erzeugt, selbst wenn sich der Benutzer bewegt.Es kann Fehler reduzieren, die durch Handbewegungen und Außenlicht verursacht werden, was die Messwerte für Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt verbessert.Seine schnelle Datenausgabe ermöglicht auch eine Echtzeitüberwachung und eignet sich daher für medizinische und Fitnessanwendungen.

MAX30100 Sensoranwendungsschaltung

Der Sensor misst mithilfe von Licht die Herzfrequenz und den Sauerstoffgehalt im Blut.Das Gerät verwendet zwei Stromversorgungen: 3,3 V für die Ansteuerung der roten und infraroten LEDs und 1,8 V für seine internen analogen und digitalen Schaltkreise.Um die Leistung stabil zu halten und Rauschen zu reduzieren, werden Entkopplungskondensatoren hinzugefügt, was zur Gewährleistung genauer Messwerte beiträgt.

Die roten (660 nm) und infraroten LEDs strahlen Licht in die Haut und das reflektierte Licht verändert sich je nach Durchblutung und Sauerstoffsättigung.Dieses reflektierte Licht wird von der eingebauten Fotodiode erfasst.Das Signal durchläuft dann die Umgebungslichtunterdrückung und das analoge Frontend, wo unerwünschtes Licht und Rauschen entfernt werden, bevor das Signal vom ADC in digitale Daten umgewandelt wird.

Innerhalb des Sensors reinigt die digitale Filterung das Signal weiter, bevor die Daten in internen Registern gespeichert werden.Die verarbeiteten Herzfrequenz- und SpO₂-Daten werden über die I²C-Schnittstelle an einen Mikrocontroller gesendet, wobei Pull-up-Widerstände für eine zuverlässige Kommunikation verwendet werden.Ein Interrupt-Pin kann signalisieren, wenn neue Daten bereit sind, und so den Stromverbrauch senken.

Schnittstelle des MAX30100-Moduls zum Mikrocontroller

Das MAX30100-Modul ist über das I²C-Kommunikationsprotokoll mit einem Mikrocontroller verbunden, was nur zwei Datenleitungen erfordert.In einem typischen Setup mit einem Arduino UNO ist der SDA-Pin des MAX30100 mit dem SDA-Pin (A4) des Arduino verbunden, während der SCL-Pin mit dem SCL-Pin (A5) verbunden ist.Diese Leitungen übernehmen die Datenübertragung und Taktsynchronisation zwischen Sensor und Mikrocontroller.

Die Stromanschlüsse sind einfach: Der VIN-Pin des MAX30100-Moduls wird mit der 3,3-V- oder 5-V-Versorgung des Mikrocontrollers (je nach integriertem Regler des Moduls) verbunden und GND wird mit Masse verbunden.Viele MAX30100-Module enthalten bereits Pull-Up-Widerstände auf den I²C-Leitungen, sodass zusätzliche externe Widerstände normalerweise nicht erforderlich sind.

Sobald der Mikrocontroller angeschlossen ist, steuert er den MAX30100, indem er Register über I²C konfiguriert.Der Sensor steuert dann die roten und infraroten LEDs an, erfasst reflektiertes Licht über seine Fotodiode, verarbeitet die Signale intern und sendet Herzfrequenz- und SpO₂-Daten zur Anzeige oder weiteren Verarbeitung zurück an den Mikrocontroller.

MAX30100 Sensoranwendungen

• Tragbare Fitness-Tracker

• Smartwatches und Fitnessbänder

• Geräte zur Herzfrequenzüberwachung

• Systeme zur Überwachung des Blutsauerstoffs (SpO₂).

• Tragbare Gesundheitsüberwachungsgeräte

• Geräte zur Patientenüberwachung

• Sport- und Aktivitätsüberwachungssysteme

• Ferngesteuerte Gesundheits- und Telemedizingeräte

• DIY- und pädagogische biomedizinische Projekte

• IoT-basierte Gesundheitsüberwachungssysteme

Mechanische Abmessungen

Fazit

Das All-in-One-Design des Herzfrequenz-Sauerstoff-Pulssensors MAX30100 reduziert externe Komponenten, senkt den Stromverbrauch und vereinfacht die Integration mit Mikrocontrollern wie Arduino und ESP32.Mit stabiler Leistung, konfigurierbaren Einstellungen und umfassender Anwendungsunterstützung eignet sich der MAX30100 gut für Wearables, Gesundheitsüberwachungssysteme und Bildungsprojekte.Es bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Genauigkeit, Energieeffizienz und Benutzerfreundlichkeit und ist damit eine zuverlässige Wahl für moderne biometrische Sensoranwendungen.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Kann der MAX30100 für medizinische Geräte verwendet werden?

Der MAX30100 eignet sich für Prototypen, Wearables und unkritische Überwachung.Er ist nicht als medizinischer Sensor zertifiziert und sollte daher nicht ohne zusätzliche Validierung für die klinische Diagnose verwendet werden.

2. Funktioniert der MAX30100 bei allen Hauttönen?

Der Sensor funktioniert bei verschiedenen Hauttönen, die Signalqualität kann jedoch variieren.Die richtige Einstellung des LED-Stroms und ein guter Sensorkontakt tragen dazu bei, die Leistung bei allen Hauttypen zu verbessern.

3. Was ist der Unterschied zwischen MAX30100 und MAX30102 im realen Einsatz?

Der MAX30102 bietet im Vergleich zum MAX30100 eine bessere optische Leistung, einen geringeren Stromverbrauch und eine verbesserte SpO₂-Genauigkeit, was ihn zu einem moderneren Ersatz macht.

4. Kann der MAX30100 SpO₂ und Herzfrequenz gleichzeitig messen?

Ja, der MAX30100 misst gleichzeitig Herzfrequenz und SpO₂ durch abwechselnde rote und infrarote LED-Anzeigen.

5. Warum liefert der MAX30100 bei Bewegung instabile Messwerte?

Bewegung führt zu Veränderungen der Lichtreflexion, die sich auf die Signalqualität auswirken.Der Einsatz digitaler Filterung, geeigneter Abtastraten und einer sicheren Sensorplatzierung trägt zur Reduzierung dieses Problems bei.

6. Wie verbessere ich die Lesestabilität des MAX30100?

Sorgen Sie für guten Hautkontakt, schirmen Sie den Sensor vor Umgebungslicht ab, passen Sie den LED-Strom an und wenden Sie Software-Mittelwertbildung oder -Filterung an, um die Daten zu glätten.

7. Kann der MAX30100 ohne den Interrupt-Pin (INT) verwendet werden?

Ja, der INT-Pin ist optional.Der Sensor kann weiterhin durch Abfragen von Daten über I²C gelesen werden, obwohl die Verwendung von INT die Energieeffizienz verbessert.