CardioSim: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Prima di tutto, questo è il mio primo Instructable, e non sono un madrelingua inglese (o scrittore), quindi mi scuso in anticipo per la bassa qualità complessiva. Tuttavia, spero che questo tutorial possa essere utile per le persone che utilizzano un sistema di monitoraggio della frequenza cardiaca (FC) (composto da un trasmettitore da cintura con fascia toracica e un orologio ricevitore) e che:

desidera sapere esattamente quale batteria deve essere sostituita (all'interno della cintura o all'interno dell'orologio ricevitore), quando il sistema smette di funzionare correttamente. Solitamente, giusto per essere sicuri che l'utente finisca per cambiare entrambe le batterie, anche se quella nella cintura è sottoposta a un carico maggiore e quindi si scarica più velocemente dell'altra

o

sono interessati (come me) allo sviluppo di un data logger della frequenza cardiaca per ulteriori valutazioni - ad esempio per l'analisi statistica dell'HRV (Heart Rate Variations) in condizioni statiche, o per studi di correlazione tra FC e sforzi fisici in condizioni dinamiche - e preferisce utilizzare un simulatore di fascia toracica (Cardio) piuttosto che indossarne uno vero per tutto il tempo durante le fasi di test

Per le ragioni di cui sopra ho chiamato il mio Instructable "CardioSim"

Passaggio 1: come funziona?

La trasmissione wireless degli impulsi della frequenza cardiaca tra il trasmettitore (fascia toracica) e il ricevitore (orologio dedicato, tapis roulant da corsa, dispositivi di allenamento, ecc.) si basa su una comunicazione magnetica a bassa frequenza (LFMC) e non una radiofrequenza tradizionale.

La frequenza standard per questo tipo di sistemi di monitoraggio (analogici) è 5,3 kHz. I nuovi sistemi digitali sono basati sulla tecnologia Bluetooth, ma questo non rientra nell'ambito di questo tutorial.

Per chi fosse interessato ad approfondire l'argomento, una descrizione completa della tecnologia LFMC, compresi i pro e i contro vs. RF, può essere trovata su questa App note

ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/002…

Tuttavia, per il bene di questo progetto, basti sapere che una portante di campo magnetico a 5,3kHz generata da un circuito risonante LC (serie) è modulata sulla base di un semplice formato OOK (On-OFF Keying), dove ogni battito cardiaco accende la portante per circa 10 ms. Il segnale viene rilevato da un serbatoio risonante LC (parallelo) (con la stessa frequenza di risonanza del campo magnetico, e purché entrambe le bobine siano correttamente allineate), amplificato e inviato all'unità di misura.

Sebbene nel WEB si possano trovare alcuni esempi del circuito del ricevitore, non sono riuscito a trovare un modello per il trasmettitore, quindi ho deciso di analizzare il segnale generato dalla mia fascia toracica, e costruire un circuito che lo simulasse, con un'intensità di campo, una frequenza e un formato simili.

Passaggio 2: schema e parti

Il circuito è composto da pochissimi componenti che possono essere inseriti in un piccolo contenitore:

• Custodia con stripboard, come questa
• Striscia di schiuma ad alta densità, 50x25x10mm (come quella utilizzata per l'imballaggio dei circuiti integrati)
• Microcontrollore ATTiny85-20
• Driver del motore L293
• Regolatore di tensione 5V, tipo 7805 o LD1117V50
• 2x condensatore elettrolitico 10uF/25V
• Condensatore 22n/100V
• Trimpot con albero, 10K, 1 giro, (come in Arduino Starter Kit)
• Resistenza 22K
• Resistenza 220R
• LED rosso 5mm
• Induttanza 39mH, ho usato un BOURNS RLB0913-393K
• Batteria da 9V
• mini interruttore SPDT (ho riciclato l'interruttore AM/FM di una vecchia radio a transistor)

Il componente più importante è l'induttanza, un nucleo di ferrite di alta qualità e una bassa resistenza sono obbligatori per mantenerlo piccolo e ottenere un buon Fattore di qualità del circuito risonante.

Passaggio 3: descrizione e codice del circuito

Applicando la formula del circuito LC mostrato nel disegno, con L = 39mH e C=22nF la frequenza risultante è di circa 5,4 kHz, che è abbastanza vicina al valore standard di 5,3 kHz. Il serbatoio LC è pilotato da un inverter a ponte H composto dai 2 semiponti 1 e 2 del driver motore IC L293. La frequenza portante è generata dal microcontrollore TINY85, che pilota anche il segnale modulante simulando l'HR. Tramite il Trimpot collegato all'ingresso analogico A1 è possibile variare la Frequenza Cardiaca da circa 40 a 170 bmp (battiti al minuto) - che in condizioni reali è considerata adeguata per la maggior parte degli sportivi amatoriali. Dato che il ponte deve essere guidato da due onde quadre opposte (e con la mia limitata conoscenza del codice Assembler di ATTiny sono riuscito a generarne solo uno), ho usato l'half brige 3 come inverter.

Per questi semplici compiti il clock interno a 16MHz è adeguato, tuttavia ho precedentemente misurato il fattore di calibrazione necessario per il mio chip e l'ho inserito nella riga di comando "OSCCAL" nella sezione di configurazione. Per scaricare lo sketch sull'ATTiny ho utilizzato un Arduino Nano caricato con il codice ArduinoISP. Se non hai familiarità con questi due passaggi ci sono tonnellate di esempi nel Web, se qualcuno è interessato ho sviluppato le mie versioni che posso fornire su richiesta. In allegato il codice per l'ATTiny:

Passaggio 4: assemblaggio del circuito

La custodia aveva già un foro di 5 mm sul coperchio superiore che era perfetto per il Led, e ho dovuto solo praticare un secondo foro di 6 mm, allineato al primo, per l'asta del trimpot. Ho disposto la disposizione dei componenti in modo tale che la batteria sia tenuta in posizione tra il trimpot e il regolatore di tensione TO-220 e bloccata saldamente nella sua posizione dalla striscia di schiuma incollata al coperchio superiore.

Come puoi notare, l'induttanza è montata orizzontalmente, t.i. con il suo asse parallelo alla tavola. Ciò si basa sul presupposto che anche l'induttanza del ricevitore si trovi nella stessa direzione. In ogni caso, per una trasmissione ottimale, assicurarsi sempre che entrambi gli assi siano paralleli (non necessariamente sullo stesso piano spaziale) e non perpendicolari tra loro.

Al termine dell'assemblaggio verificare accuratamente con un circuito tester tutti i collegamenti con un circuito tester.

Passaggio 5: testare il circuito

Il miglior strumento di test per il circuito è un orologio ricevitore per il monitoraggio della frequenza cardiaca:

1. Appoggia l'orologio accanto al CardioSim.
2. Impostare il trimpot in posizione centrale e accendere l'unità.
3. Il LED rosso dovrebbe iniziare a lampeggiare a intervalli di circa 1 secondo (60 bmp). Ciò indica che il serbatoio del risonatore LC è correttamente alimentato e funzionante. In caso contrario, ricontrollare tutti i collegamenti e i punti di saldatura.
4. Se non è già acceso automaticamente, accendi l'orologio manualmente.
5. L'orologio dovrebbe iniziare a ricevere il segnale che mostra la FC misurata.
6. Ruotare il trimpot nella posizione finale in entrambe le direzioni per controllare l'intera gamma HR (+/-5% di tolleranza dei limiti di gamma è tollerabile)

Tutti i passaggi sono mostrati nel video allegato

Passaggio 6: avviso

Come consiglio di sicurezza finale, tieni presente che l'LFMC implementato in questo semplice formato non consente di indirizzare unità diverse nello stesso intervallo di campo, ciò significa che nel caso in cui sia il CardioSim che un vero nastro di misurazione stiano inviando i loro segnali allo stesso ricevitore unità, il ricevitore verrà bloccato, con risultati imprevedibili.

Questo può essere pericoloso nel caso tu voglia aumentare le tue prestazioni fisiche e massimizzare i tuoi sforzi sulla base della FC misurata. CardioSim deve essere utilizzato solo per il test di altre unità e non per l'allenamento!

Questo è tutto, grazie per aver letto il mio Instructable, qualsiasi feedabck è il benvenuto!