Podstawowy czujnik oddechu pasa: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

W świecie bioczujników istnieje wiele sposobów mierzenia oddychania. Można użyć termistora, aby zmierzyć temperaturę wokół nozdrza, ale może nie chcesz mieć przypiętego do nosa dziwnego narzędzia. Można też przymocować akcelerometr do paska, który porusza się w górę iw dół, ale obiekt prawdopodobnie powinien leżeć lub nie poruszać się w inny sposób. Chociaż ten podstawowy, elastyczny czujnik oddychania na pasku ma swoje wady (odpowiedź sygnału nie jest tak dokładna jak inne metody), jest to dobre, jeśli osoba badana chce po prostu zapiąć pasy i robić to, co chce robić podczas oddechu jest mierzony. Oto przykład podstawowego czujnika oddechu, który ma żyć wewnątrz elastycznego pasa, który zakłada się na klatkę piersiową. Kiedy klatka piersiowa, o której mowa, rozszerza się i kurczy poprzez wdychanie powietrza do płuc, zmienia się opór wbudowanego kawałka rozciągliwego gumowego sznurka. Używając tylko kilku dodatkowych komponentów, możemy przełożyć to na sygnał analogowy odczytany na żywo przez Arduino. Odbywa się to dzięki magii bardzo istotnego i łatwego do nauczenia się obwodu dzielnika napięcia.

OSTRZEŻENIE: Zanim zaczniemy, powinieneś wiedzieć, że nieprzetestowany i niestabilny sprzęt do biodetekcji zawsze niesie ze sobą ryzyko niebezpieczeństwa! Przetestuj i stwórz ten obwód ze źródłem zasilania bateryjnego - zrobię wszystko, aby pokazać ci, jak wykonać ten obwód, aby upewnić się, że nie zostaniesz skrzywdzony, ale nie biorę odpowiedzialności za wypadki, które mogą się zdarzyć. Kieruj się zdrowym rozsądkiem i zawsze sprawdzaj obwód za pomocą multimetru, zanim przypniesz cokolwiek do klatki piersiowej.

Krok 1: CO BĘDZIESZ POTRZEBNY

1) Dowolny mikrokontroler z wejściem analogowym będzie działał, ale w tym przykładzie użyję Arduino Uno. Jeśli potrzebujesz, możesz go dostać od Adafruit lub Sparkfun.

2) Przewodzący przewód gumowy. Ten niesamowity przewód będzie działał jak rezystor zmienny i będzie zmieniał rezystancję w miarę rozciągania lub zwalniania. Dostępny w Adafruit lub Robotshop ma spory wybór długości z fabrycznie przymocowanymi metalowymi zakończeniami

3) multimetr

4) dioda LED

5) Rezystor 1K

6) Rezystor pull-down (później dowiemy się, jaka jest jego wartość!)

7) Taśma klejąca

8) Dziurkacz lub nożyczki

9) przewody połączeniowe

10) Deska do krojenia chleba

11) 2 zaciski krokodylkowe

Należy pamiętać, że podobnie jak w przypadku wszystkich urządzeń biodetekcyjnych, ten projekt jest najbezpieczniejszy, jeśli Twoje Arduino jest zasilane z baterii.

Aby ukończyć ten projekt, możesz również potrzebować:

· Lutownica i lutownica

· Pistolet na gorący klej

· Nożyce do drutu

· Ściągacz izolacji

· Pomocne dłonie

· Imadło, zaciskarka lub duża para szczypiec

· 2 lub więcej obrączkowych terminali zaciskowych

Krok 2: Odetnij przewód i podłącz końcówki przewodzące

Chociaż w tym eksperymencie można użyć dowolnej długości gumowego sznurka od 2” do 8”, krótsze odcinki gumy są tańsze i tak naprawdę nie potrzebujesz bardzo dużej ilości, aby wykonać zadanie. Jeśli kupiłeś długą gumę, polecam cięcie o długości 4 cali. Skróć tę długość i przygotuj się do przymocowania przewodzącego zakończenia do obu końców.

Weź złącze końcowe, takie jak jedno z nich pokazane powyżej, i wetknij jeden koniec przewodzącego przewodu gumowego do końca jednego ze złączy końcowych i zaciśnij je razem. Możesz do tego użyć imadła lub końcówek szczypiec do ściągania izolacji, ale uważaj, aby nie zgnieść zacisku zbyt mocno, aby nie złamać lub przeciąć gumy! Jeśli ci się to uda i przewód się odetnie, po prostu spróbuj ponownie z innym złączem terminala. Nadal powinieneś mieć dużo czasu, aby osiągnąć ten wyczyn. Jeśli jest krótszy niż 2 cale, prawdopodobnie powinieneś spróbować ponownie z nową długością 4 cali. Nie martw się, dostaniesz to! Gdy już to osiągniesz z jednej strony, genialnie! Powtórz po drugiej stronie. Teraz gotowe!

Teraz masz przewodzący przewód gumowy z odpowiednim zaciskiem na każdym końcu. Zmierzmy zasięgi tego przewodu za pomocą multimetru.

Krok 3: Zmierz swój opór

Przekręć tarczę multimetru na symbol omów (Ω) i włóż zarówno czerwony, jak i czarny koniec multimetru po obu stronach przewodu przewodzącego.

Jeśli nie jesteś jeszcze pewien, jak korzystać z multimetru, możesz odświeżyć się dzięki temu samouczkowi od Lady Ady.

Nawet jeśli liczba może nieco podskoczyć podczas jej pomiaru, liczby te dają wyobrażenie o tym, jak duży jest opór sznura w spoczynku. Odgadując najlepiej, zapisz opór spoczynkowy liny, a następnie zaokrąglij go do najbliższej wielokrotności 10. (tj.: 239 = 240, 183 = 180)

Teraz, uważając, aby zamocować sondy multimetru jedną ręką, drugą ręką delikatnie pociągnij za przewód. Możesz rozciągać te rzeczy tylko do około 50%-70% pierwotnej długości, więc nie ciągnij zbyt mocno! Obserwuj, jak zmieniły się wartości rezystancji na twoim multimetrze. Puść i powtórz ten proces kilka razy, aby zobaczyć, jak opór zmienia się od minimum do maksimum. W miarę rozciągania opór wzrasta, ponieważ cząsteczki w gumie oddalają się od siebie. Po zwolnieniu siły guma skurczy się, chociaż powrót do pierwotnej długości zajmuje minutę lub dwie. Z powodu tych fizycznych ograniczeń ten rozciągliwy przewód nie jest prawdziwym czujnikiem liniowym, więc nie jest zadziwiająco precyzyjny, ale istnieją sposoby na pracę z tym w konstrukcji czujnika. Jeszcze raz rozciągnij przewód do maksimum i z każdym końcem sondy multimetru po obu stronach gumowego przewodu zapisz wartość oporu, zaokrągloną jeszcze raz do najbliższej wielokrotności 10.

Krok 4: Formuła Axela Benz

Użyjemy prostego obwodu dzielenia napięcia, aby wykorzystać zmienną rezystancję rozciągliwego sznurka jako czujnik oddychania. Jeśli chcesz wiedzieć więcej o obwodach dzielenia napięcia, to w zasadzie kilka rezystorów połączonych szeregowo, które zamieniają duże napięcie w mniejsze. W zależności od wartości rezystorów, których używasz, możesz odciąć 5 V z Arduino na większe lub mniejsze części za pomocą rezystora pull-down, co jest przydatne w przypadku odczytu analogowego. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o matematyce związanej z obwodami dzielenia napięcia, zapoznaj się z doskonałym samouczkiem w Sparkfun.

Chociaż wiemy, że wartość pierwszego rezystora w obwodzie (czujnika rozciągania) będzie się zmieniać, musimy użyć odpowiedniej wartości rezystancji dla rezystora pull-down, aby uzyskać jak najładniejszy i najbardziej zróżnicowany sygnał.

Na początek użyj formuły Axel Benz:

Rezystor ściągający = pierwiastek kwadratowy (Rmin * Rmax)

Więc jeśli minimalna wartość twojego rozciągliwego sznurka wynosi 130 omów, a maksymalna to 240 omów

Rezystor ściągający = pierwiastek kwadratowy (130*240)

Rezystor ściągający = pierwiastek kwadratowy (31200)

Rezystor ściągający = 176.635217327

Więc teraz powinieneś przyjrzeć się swojej kolekcji rezystorów i dowiedzieć się, jaki jest twój najlepszy rezystor „na razie”. Jeśli masz tylko kolekcję losowych bitów i bobów, ten kalkulator pasm kolorów rezystora może być dla Ciebie pomocny. Zatrzymanie tego rezystora może być w porządku, prawdopodobnie nie masz pod ręką idealnego rezystora. Podczas korzystania z obwodu może się okazać, że i tak będziesz musiał wymienić go na inny, ale to da ci świetny początek do rozpoczęcia gry.

Na koniec zaokrąglam liczbę do najbliższej wielokrotności 10.

Rezystor ściągający = 180 omów

Krok 5: Przygotuj swoją deskę do krojenia chleba

Za pomocą przewodów połączeniowych podłącz pin 5 V Arduino do szyny zasilającej na płytce prototypowej, a następnie podłącz pin GND do szyny uziemiającej płytki prototypowej.

Lubię pobierać 5 V z Arduino, ponieważ zapewnia to, że nie musisz się martwić o wysyłanie zbyt dużego napięcia na piny analogowe. Możesz również użyć pinu napięcia 3v3, ale uważam, że otrzymuję lepszy sygnał przy użyciu 5v.

Podłącz rezystor pull-down do uziemienia.

Weź oba zaciski krokodylkowe i przypnij je do zacisków po obu stronach elastycznego przewodu o zmiennej oporności. Przymocuj jeden koniec tych zacisków krokodylkowych do szyny 5v. Podłącz drugi zacisk krokodylkowy do przewodu w konfiguracji pokazanej na schematach.

Upewniając się, że „drugie” końce rezystora pull-down i przewodzącego przewodu rozciągliwego są połączone, teraz podłącz przewód połączeniowy z pinu analogowego (użyjmy A0) do środka tych dwóch punktów łączących.

Na koniec podłącz diodę LED z rezystorem 1k do styku 9 Arduino.

Krok 6: Zaprogramuj Arduino

Uwaga: właśnie zobaczyłem, że użytkownicy GitHub Non0Mad poprawili mój kod! (Dzięki)Wypróbuj ten kod, jeśli wolisz:

Jeśli wolisz wypróbować ten, który zrobiłem, uruchom załączony szkic „RespSensorTest.ino” na swoim Arduino.

Uważając, aby nie dotknąć odsłoniętego metalu, podnieś dwa zaciski krokodylkowe i rozciągnij gumkę. Obserwuj, jak dioda LED pojawia się i znika podczas rozciągania. Otwórz monitor szeregowy i obserwuj zmianę napięcia analogowego. Jeśli nie jesteś zadowolony z zanikających wartości lub swoich liczb, możesz spróbować kilku rzeczy:

1) Spróbuj zamienić inną wartość rezystora pull-down, która jest podobna do ostatnio używanej. Czy to robi pozytywną różnicę? (To najlepszy sposób na zrobienie tego)

2) Jeśli tak naprawdę chcesz tylko zapalić diodę LED, spróbuj poeksperymentować ze zmienną ScaleValue, aby zobaczyć, czy możesz w ten sposób uzyskać lepsze zakresy. (To może być najłatwiejszy sposób na zrobienie tego)

Gdy będziesz już wystarczająco zadowolony ze swoich liczb i blasku LED, nadszedł czas, aby stworzyć prototyp modelu do noszenia wokół klatki piersiowej! Wyłącz Arduino i wyłącz zasilanie płytki stykowej w następnym kroku.

Krok 7: Zrób prototypową opaskę oddechową

Najszybszym sposobem na zrobienie prototypu opaski jest po prostu połączenie czegoś razem z taśmą klejącą. Weź długi pasek taśmy klejącej (około 30”-36” powinien pokryć większość, ale ostatecznie jest to tylko obwód klatki piersiowej) i złóż go, aby lepkie boki przykleiły się do siebie. Przebij otwory po obu stronach paska taśmy klejącej, aby przypominał pasek.

Użyj śrub, aby zamocować zaciski w wyciętych otworach, które wykonałeś dla czujnika, i ciasno połącz długi kawałek taśmy klejącej w pętlę, którą nosisz na klatce piersiowej. Chcesz się upewnić, że twój „pas” dobrze przylega do ciebie lub splotu słonecznego obiektu, ale upewnij się, że jest wystarczająco dużo miejsca na przychodzące oddechy, aby rozciągnąć przewód.

Na koniec ponownie zamocuj zaciski krokodylkowe i podłącz każdy ze zworek z końca przewodzącego rozciągliwego przewodu z powrotem na miejsce w płytce stykowej. Jesteśmy teraz gotowi do przetestowania prototypu!

Krok 8: Przetestuj prototyp

Włącz Arduino i ponownie uruchom poprzedni szkic. Jak radzą sobie te wartości analogowe? Czy Twoje oddechy uzyskują ładną rozdzielczość danych? Czy dioda LED ma przyjemną zmienność światła podczas wdechu i wydechu? Jeśli nie, spróbuj zamienić rezystor pull-down na pobliską wartość, aby sprawdzić, czy odczytane wartości poprawią się.

Kiedy już zdecydujesz się na idealny rezystor obniżający, ciesz się! Twój obwód jest kompletny, Twój oddech jest rejestrowany, a dioda LED z radością będzie podążać za Twoim oddechem.

Najlepiej, jeśli Ty lub ktoś inny uszyje dla Ciebie opaskę z nieprzewodzącego materiału syntetycznego z odrobiną rozciągliwości i paska D-Ring do zaciśnięcia. (Rzep jest w porządku jako zapięcie, ale czasami jest totalny bałagan z ubraniami i swetrami.) Możesz bezpiecznie wszyć przewód przewodzący w tę opaskę, w rzeczywistości okrągłe końcówki są świetne do przymocowania do tkaniny. Aby uzyskać coś bardziej trwałego niż zaciski krokodylkowe, możesz po prostu przylutować kilka bardzo długich wielożyłowych przewodów do końców złączy końcowych i podłączyć je do obwodu.