Базовый датчик дыхания на поясе: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

В мире биочувствительности существует множество способов измерения дыхания. Можно использовать термистор для измерения температуры вокруг ноздри, но опять же, возможно, вам не нужен странный инструмент, привязанный к носу. Можно также прикрепить акселерометр к ремню, который двигается вверх и вниз, но, вероятно, объект должен лежать или не двигаться иным образом. Хотя этот базовый датчик дыхания с гибким ремнем имеет свои недостатки (реакция на сигнал не так точна, как у других методов), он хорош, если ваш объект просто хочет пристегнуться и делать все, что он хочет, во время дыхания. измеряется. Вот пример базового датчика дыхания, который предназначен для использования внутри гибкого ремня, который вы пристегиваете вокруг груди. Когда рассматриваемая грудная клетка расширяется и сжимается за счет вдыхания воздуха в легкие, сопротивление встроенного куска эластичного резинового шнура изменяется. Используя всего несколько дополнительных компонентов, мы можем преобразовать это в аналоговый сигнал, считываемый вашим Arduino в режиме реального времени. Это делается с помощью магии очень важной и простой в освоении схемы делителя напряжения.

ВНИМАНИЕ: Прежде чем мы начнем, вы должны знать, что непроверенное и нестабильное оборудование для биодатчиков всегда содержит риск опасности! Пожалуйста, протестируйте и создайте эту схему с источником питания от батареи - я сделаю все, чтобы показать вам, как сделать эту схему, чтобы вы не пострадали, но я не несу ответственности за несчастные случаи, которые могут произойти. Руководствуйтесь здравым смыслом и всегда проверяйте свою схему с помощью мультиметра, прежде чем что-либо привязывать к груди.

Шаг 1: ЧТО ВАМ НУЖНО

1) Подойдет любой микроконтроллер с аналоговым входом, но в этом примере я буду использовать Arduino Uno. Если он вам нужен, вы можете получить его в Adafruit или Sparkfun.

2) Проводящий резиновый шнур. Этот удивительный шнур будет действовать как переменный резистор, и его сопротивление будет изменяться при растяжении или отпускании. Доступен в Adafruit или Robotshop, имеет хороший выбор длины с предварительно прикрепленными металлическими окончаниями.

3) мультиметр

4) Светодиод

5) резистор 1 кОм

6) Понижающий резистор (номинал у него выясним позже!)

7) изолента

8) дырокол или ножницы

9) Провода перемычки

10) Макет

11) 2 зажима типа «крокодил»

Обратите внимание, что, как и в случае со всем оборудованием для биосенсоров, этот проект наиболее безопасен, если ваш Arduino работает от батарей.

Для выполнения этого проекта вам также могут понадобиться:

· Паяльник и припой

· Горячий клеевой пистолет

· Ножницы для проводов

· Инструмент для зачистки проводов

· Рука помощи

· Тиски, обжимной инструмент или большие плоскогубцы.

· 2 или более кольцевых обжимных клемм

Шаг 2. Обрежьте шнур и прикрепите токопроводящие клеммы

Хотя для этого эксперимента вы можете использовать резиновый шнур любой длины от 2 до 8 дюймов, более короткие отрезки резины дешевле, и на самом деле вам не нужно слишком большое количество, чтобы выполнить работу. Если вы купили резину большой длины, я бы порекомендовал отрезать ее на 4 дюйма. Отрежьте эту длину и приготовьтесь прикрепить проводящий конец к обоим концам.

Возьмите концевой соединитель, такой как один из них, изображенный выше, и воткните один конец проводящего резинового шнура в конец одного из ваших концевых соединителей и обожмите концы вместе. Для этого можно использовать тиски или концы инструментов для зачистки проводов, но будьте осторожны, чтобы не зажать клемму слишком сильно, чтобы не сломать или порезать резину! Если вам это удастся, и шнур оборвется, просто попробуйте еще раз с другим концевым разъемом. У вас все еще должно быть достаточно длины, чтобы совершить этот подвиг. Если он станет короче 2 дюймов, вам, вероятно, следует просто попробовать еще раз с новой длиной 4 дюйма. Не волнуйся, ты поймешь! Как только вы добьетесь этого с одной стороны, великолепно! Повторите с другой стороны. Готово!

Теперь у вас есть токопроводящий резиновый шнур с подходящими клеммами на каждом конце. Давайте измерим дальность действия этого шнура с помощью мультиметра.

Шаг 3: Измерьте свое сопротивление

Поверните шкалу мультиметра на символ ома (Ω) и вставьте красный и черный концы мультиметра с обеих сторон проводящего шнура.

Если вы еще не знаете, как пользоваться мультиметром, вы можете освежиться с помощью этого урока от леди Ады.

Несмотря на то, что число может немного колебаться, пока вы его измеряете, эти числа дают вам представление о том, каково сопротивление шнура, когда он находится в состоянии покоя. Делая наиболее вероятное предположение, запишите сопротивление шнура в состоянии покоя, затем округлите его до ближайшего числа, кратного 10 (например: 239 = 240, 183 = 180).

Теперь, стараясь зафиксировать щупы мультиметра одной рукой, другой рукой осторожно потяните за шнур. Вы можете растягивать этот материал только до тех пор, пока он не станет примерно на 50% -70% от первоначальной длины, поэтому не тяните слишком сильно! Посмотрите, как изменились значения сопротивления на вашем мультиметре. Отпустите и повторите этот процесс несколько раз, чтобы посмотреть, как сопротивление упадет от минимума до максимума. По мере того, как вы растягиваете его, сопротивление увеличивается, потому что частицы резины отдаляются друг от друга. Как только сила будет ослаблена, резина снова сожмется, хотя для того, чтобы вернуться к своей первоначальной длине, потребуется минута или две. Из-за этих физических ограничений этот эластичный шнур не является настоящим линейным датчиком, поэтому он не очень точен, но есть способы работать с этим при создании вашего датчика. Еще раз протяните шнур до максимума и, вставив оба конца щупов мультиметра по обе стороны от резинового шнура, запишите значение сопротивления, округленное еще раз до ближайшего значения, кратного 10.

Шаг 4: Формула Акселя Бенца

Мы собираемся использовать простую схему деления напряжения, чтобы использовать переменное сопротивление натяжного шнура в качестве датчика дыхания. Если вы хотите узнать больше о схемах деления напряжения, то, по сути, это несколько последовательно включенных резисторов, которые превращают большое напряжение в меньшее. В зависимости от значений резисторов, которые вы используете, вы можете разделить свои 5 В с вашего Arduino на большие или меньшие части с помощью понижающего резистора, который полезен для аналогового чтения. Если вы хотите узнать больше о математике схем деления напряжения, взгляните на отличный учебник на Sparkfun.

Хотя мы знаем, что значение первого резистора в цепи (датчик растяжения) будет находиться в постоянном потоке, нам нужно использовать правильное значение сопротивления для понижающего резистора, чтобы получить как можно более хороший и разнообразный сигнал..

Для начала воспользуйтесь формулой Акселя Бенца:

Понижающий резистор = квадратный корень (Rmin * Rmax)

Итак, если минимальное значение вашего натяжного шнура составляет 130 Ом, а максимальное - 240 Ом.

Понижающий резистор = квадратный корень (130 * 240)

Понижающий резистор = квадратный корень (31200)

Понижающий резистор = 176,635217327

Итак, теперь вы должны посмотреть на свою коллекцию резисторов и выяснить, какой резистор вам нужен в лучшем случае «на данный момент». Если у вас есть просто набор случайных битов и бобов, этот калькулятор цветовых полос резисторов может быть вам полезен. С этим резистором все в порядке, возможно, у вас нет идеального резистора под рукой. Пока вы используете схему, вы можете обнаружить, что вам все равно придется заменить ее на другую, но это даст вам отличный старт для начала игры.

Наконец, я округляю число до ближайшего кратного 10.

Понижающий резистор = 180 Ом

Шаг 5: Подготовьте свой макет

С помощью перемычек подключите контакт 5 В Arduino к шине питания на макете, а затем подключите контакт GND к шине заземления макета.

Мне нравится получать 5 В от Arduino, потому что это гарантирует, что вам не придется беспокоиться о подаче слишком большого напряжения на аналоговые контакты. Вы также можете использовать вывод напряжения 3v3, но я считаю, что я получаю лучший сигнал от использования 5v.

Подключите понижающий резистор к земле.

Возьмите оба зажима «крокодил» и закрепите их на клеммах с обеих сторон эластичного шнура с переменным сопротивлением. Прикрепите один конец этих зажимов типа «крокодил» к рейке 5 В. Подключите другой зажим «крокодил» к проводу, как показано на схемах.

Убедившись, что «другие» концы вашего подтягивающего резистора и проводящего растягивающего шнура подключены, теперь подключите перемычку от аналогового контакта (давайте использовать A0) к центру этих двух точек подключения.

Наконец, подключите светодиод с резистором 1 кОм к выводу 9 вашего Arduino.

Шаг 6: запрограммируйте свой Arduino

Примечание: я только что увидел, что пользователи GitHub Non0Mad улучшили мой код! (Спасибо) Попробуйте этот код, если хотите:

Если вы предпочитаете тот, который я сделал, запустите прикрепленный скетч «RespSensorTest.ino» на вашем Arduino.

Соблюдая осторожность, чтобы не прикасаться к оголенному металлу, возьмите два зажима из кожи аллигатора и натяните резиновую ленту. Наблюдайте за тем, как светодиод загорается и гаснет по мере того, как вы растягиваетесь. Откройте монитор последовательного порта и посмотрите, как меняется аналоговое напряжение. Если вас не устраивают исчезающие значения или ваши числа, вы можете попробовать несколько вещей:

1) Попробуйте заменить другой номинал понижающего резистора, аналогичный тому, который вы использовали в последний раз. Имеет ли это положительное значение? (Это лучший способ сделать это)

2) Если все, что вам действительно нужно, это зажечь светодиод, попробуйте поиграть с переменной scaleValue, чтобы увидеть, сможете ли вы таким образом получить более точные диапазоны. (Это может быть самый простой способ сделать это)

Когда вы будете достаточно довольны своими числами и светом светодиода, пора создать прототип модели для ношения на груди! Выключите Arduino и отключите питание макетной платы для следующего шага.

Шаг 7: сделайте прототип респираторной ленты

Самый быстрый способ сделать прототип ремешка - просто скрепить что-нибудь изолентой. Возьмите длинную полоску изоленты (примерно 30–36 дюймов должно покрывать большую часть, но в конечном итоге это всего лишь окружность вашей груди) и сложите ее так, чтобы липкие стороны прилипали к себе. Проделайте отверстия с обеих сторон ленты изоленты, чтобы она напоминала пояс.

Используйте винты, чтобы закрепить клеммы в перфорированных отверстиях, которые вы сделали для датчика, и плотно соедините длинный кусок клейкой ленты в петлю, которую вы носите на груди. Вы должны убедиться, что ваш «пояс» довольно плотно прилегает к вам или к солнечному сплетению вашего объекта, но убедитесь, что для входящих вдохов достаточно места, чтобы натянуть шнур.

Наконец, снова прикрепите зажимы типа «крокодил» и вставьте каждую из перемычек на конце проводящего растягивающегося шнура на место на макетной плате. Теперь мы готовы протестировать прототип!

Шаг 8: Протестируйте прототип

Включите Arduino и снова запустите предыдущий скетчаг. Как обстоят дела с этими аналоговыми значениями? Получаете ли вы хорошее разрешение данных на вдохе? Есть ли у светодиода приятная дисперсия света при вдохе и выдохе? Если нет, попробуйте заменить понижающий резистор на ближайшее значение, чтобы увидеть, улучшатся ли значения, которые вы читаете.

Когда вы остановились на идеальном понижающем резисторе, радуйтесь! Ваш контур замкнут, ваше дыхание записывается, и светодиод будет радостно следить за вашим дыханием.

В идеале вы или кто-то другой со временем сшьет для вас ленту из непроводящей синтетической ткани с небольшим растяжением в ней и пояс с D-образным кольцом для затяжки. (В качестве застежки можно использовать липучку, но иногда это приводит к полному беспорядку с одеждой и свитерами.) Вы можете безопасно вшить проводящий шнур в эту ленту, на самом деле круглые клеммы отлично подходят для крепления к ткани. Для чего-то более постоянного, чем зажимы из крокодиловой кожи, вы можете просто припаять несколько очень длинных многожильных проводов к концам клеммных разъемов и прикрепить их к вашей цепи.