Sensore di respirazione della cintura di base: 8 passaggi

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

Nel mondo del biosensore, ci sono molti modi per misurare la respirazione. Si può usare un termistore per misurare la temperatura intorno alla narice, ma forse non vuoi che uno strano attrezzo sia legato al naso. Si può anche attaccare un accelerometro a una cintura che si muove su e giù, ma il soggetto probabilmente dovrebbe essere sdraiato o non muoversi in altro modo. Sebbene questo sensore di respirazione di base e flessibile con cintura a fascia abbia i suoi svantaggi (la risposta del segnale non è accurata come altri metodi), è utile se il soggetto vuole semplicemente allacciarsi e fare tutto ciò che vuole fare mentre respira viene misurato. Ecco un esempio di un sensore di respirazione di base, che è destinato a vivere all'interno di una cintura flessibile che si allaccia intorno al torace. Quando il torace in questione si espande e si contrae attraverso l'aria respirabile nei polmoni, la resistenza di un pezzo di cordone di gomma estensibile incorporato cambia. Usando solo pochi componenti in più, possiamo tradurlo in un segnale analogico letto dal vivo dal tuo Arduino. Questo viene fatto attraverso la magia del circuito divisore di tensione molto essenziale e facile da imparare.

AVVERTENZA: prima di iniziare, dovresti sapere che le apparecchiature di biorilevamento non testate e instabili comportano sempre un rischio di pericolo! Si prega di testare e creare questo circuito con una fonte di alimentazione a batteria: farò di tutto per mostrarti come realizzare questo circuito per assicurarmi che non ti danneggi, ma non mi assumo alcuna responsabilità per incidenti che potrebbero verificarsi. Usa il buon senso e prova sempre il tuo circuito con un multimetro prima di legarti qualcosa sul petto.

Passaggio 1: DI COSA HAI BISOGNO

1) Qualsiasi microcontrollore con un ingresso analogico funzionerà, ma in questo esempio userò un Arduino Uno. Se ne hai bisogno, puoi ottenerlo da Adafruit o Sparkfun.

2) Cavo di gomma conduttivo. Questo fantastico cavo fungerà da resistore variabile e cambierà in resistenza quando viene allungato o rilasciato. Disponibile da Adafruit o Robotshop ha una buona varietà di lunghezze con terminazioni in metallo premontate

3) Un multimetro

4) Un LED

5) Un resistore da 1K

6) Un resistore di pull-down (lo scopriremo dopo quale sarà il suo valore!)

7) Nastro adesivo

8) Un perforatore o un paio di forbici

9) Ponticelli

10) Una breadboard

11) 2 clip a coccodrillo

Tieni presente che, come con tutte le apparecchiature di biorilevamento, questo progetto è più sicuro se il tuo Arduino è alimentato da batterie.

Per completare questo progetto potresti anche aver bisogno di:

· Saldatore e saldatore

· Pistola per colla a caldo

· Tagliafili

· Spelafili

· Aiutare le mani

· Morsa, strumento di crimpatura o un paio di pinze grandi

· 2 o più terminali a crimpare ad anello

Passaggio 2: tagliare il cavo e collegare i terminali conduttivi

Mentre puoi usare qualsiasi lunghezza di cavo di gomma da 2 "-8" per questo esperimento, le lunghezze di gomma più corte sono più economiche e in realtà non hai bisogno di una quantità molto grande per portare a termine il lavoro. Se hai acquistato un pezzo di gomma lungo, ti consiglierei di tagliare una lunghezza di 4 pollici. Taglia questa lunghezza e preparati ad attaccare un'estremità conduttiva a entrambe le estremità.

Prendi un connettore terminale, come uno di quelli nella foto sopra, e incolla un'estremità del cavo di gomma conduttivo all'interno dell'estremità di uno dei connettori terminali e crimpa insieme l'estremità. Puoi usare una morsa o le estremità delle spelafili per farlo, ma fai attenzione a non schiacciare troppo il terminale per non spezzare o tagliare la gomma! Se riesci a farlo e il cavo si interrompe, riprova con un altro connettore terminale. Dovresti comunque avere un sacco di tempo per realizzare questa impresa. Se diventa più corto di 2 "probabilmente dovresti riprovare con una nuova lunghezza di 4". Non preoccuparti, lo avrai! Una volta che hai realizzato questo da un lato, geniale! Ripeti dall'altra parte. Ora hai finito!

Ora hai un cavo di gomma conduttivo con un terminale adatto a ciascuna estremità. Misuriamo quali sono gli intervalli di questo cavo con un multimetro.

Passaggio 3: misura la tua resistenza

Ruota il quadrante del tuo multimetro sul simbolo ohm (Ω) e attacca entrambe le estremità rossa e nera del tuo multimetro su entrambi i lati del cavo conduttivo.

Se non sei ancora sicuro di come utilizzare il tuo multimetro, puoi rinfrescarti con questo tutorial di Lady Ada.

Anche se il numero potrebbe saltare un po' mentre lo stai misurando, questi numeri ti danno un'idea di quanto sia la resistenza del cavo quando è a riposo. Facendo la tua ipotesi migliore, annota la resistenza a riposo del tuo cavo, quindi arrotondala al multiplo di 10 più vicino. (es: 239 = 240, 183 = 180)

Ora, facendo attenzione a fissare le sonde del multimetro in posizione con una mano, usa l'altra mano per tirare delicatamente il cavo. Puoi allungare questa roba solo fino a quando non raggiunge circa il 50%-70% della sua lunghezza originale, quindi non tirare troppo forte! Osserva come sono cambiati i valori di resistenza sul tuo multimetro. Lascia andare e ripeti questo processo alcune volte per vedere la resistenza passare dal minimo al massimo. Man mano che lo allunghi, la resistenza aumenta perché le particelle nella gomma si allontanano di più. Una volta che la forza viene rilasciata, la gomma si ritrarrà, anche se occorrono uno o due minuti per tornare alla sua lunghezza originale. A causa di queste limitazioni fisiche, questo cavo elastico non è un vero sensore lineare, quindi non è sorprendentemente preciso, ma ci sono modi per lavorare con questo nella costruzione del tuo sensore. Allunga il cavo ancora una volta al massimo e con ciascuna estremità delle sonde del multimetro in posizione su entrambi i lati del cavo di gomma, annota il valore di resistenza, arrotondato ancora una volta al multiplo di 10 più vicino.

Passaggio 4: Formula Axel Benz

Utilizzeremo un semplice circuito divisore di tensione per utilizzare la resistenza variabile del cavo estensibile come sensore di respirazione. Se desideri saperne di più sui circuiti divisori di tensione, sono fondamentalmente alcuni resistori in serie che trasformano una grande tensione in una più piccola. A seconda dei valori dei resistori che usi, puoi tagliare i tuoi 5V dal tuo Arduino in parti più grandi o più piccole di se stesso con un resistore pull-down, utile per la lettura analogica. Se desideri saperne di più sulla matematica alla base dei circuiti divisori di tensione, dai un'occhiata all'eccellente tutorial su Sparkfun.

Mentre sappiamo che il valore del primo resistore nel circuito (il sensore di allungamento) sarà in flusso costante, dobbiamo utilizzare un valore di resistenza adeguato per il resistore di pull-down per ottenere un segnale il più gradevole e vario possibile.

Per iniziare, usa la formula di Axel Benz:

Resistenza di pull-down = radice quadrata (Rmin * Rmax)

Quindi, se il valore minimo del tuo cavo estensibile è 130 ohm e il massimo è 240 ohm

Resistenza di pull-down = radice quadrata (130*240)

Resistenza di pull-down = radice quadrata (31200)

Resistenza di pull-down = 176.635217327

Quindi ora dovresti guardare la tua collezione di resistori e capire qual è il tuo resistore migliore "per ora". Se hai solo una raccolta di bit e bob casuali, questo calcolatore di bande colorate per resistori potrebbe esserti utile. Ballparking questo resistore può essere ok, probabilmente non hai il resistore perfetto a portata di mano. Mentre stai usando il circuito potresti scoprire che devi comunque sostituirlo con un altro, ma questo ti darà un ottimo inizio per iniziare a giocare.

Infine, arrotondo il numero al multiplo di 10 più vicino.

Resistenza di pull down = 180 ohm

Passaggio 5: prepara il tuo tagliere

Usando i cavi dei ponticelli, collega il pin 5v dell'Arduino alla tua barra di alimentazione sulla breadboard, quindi collega un pin GND alla barra di terra della tua breadboard.

Mi piace prelevare 5V dall'Arduino perché questo assicura che non devi preoccuparti di inviare troppa tensione ai pin analogici. Puoi anche usare il pin di tensione 3v3, ma trovo che ottengo un segnale migliore dall'uso di 5v.

Collega la resistenza di pull-down a terra.

Prendi entrambe le clip a coccodrillo e agganciale ai terminali su entrambi i lati del cavo elastico a resistenza variabile. Attacca un'estremità di queste clip a coccodrillo alla guida 5v. Collegare l'altra clip a coccodrillo a un filo nella configurazione mostrata negli schemi.

Assicurandoti che le "altre" estremità del tuo resistore pull-down e del tuo cavo elastico conduttivo siano collegate, ora collega un ponticello da un pin analogico (usiamo A0) al centro di questi due punti di connessione.

Infine, collega un LED con una resistenza da 1k al pin 9 del tuo Arduino.

Passaggio 6: programma il tuo Arduino

Nota: ho appena visto che gli utenti di GitHub Non0Mad hanno migliorato il mio codice! (Grazie) Prova questo codice se preferisci:

Se preferisci provare quello che ho fatto, esegui lo sketch "RespSensorTest.ino" allegato sul tuo Arduino.

Facendo attenzione a non toccare il metallo esposto, prendi le due clip a coccodrillo e allunga l'elastico. Guarda il LED dissolversi dentro e fuori mentre ti allunghi. Apri il tuo monitor seriale e osserva la variazione di tensione analogica. Se non sei soddisfatto dei valori sbiaditi o dei tuoi numeri, puoi provare alcune cose:

1) Prova a scambiare un altro valore del resistore pull-down simile all'ultimo che hai usato. Fa una differenza positiva? (Questo è il modo migliore per farlo)

2) Se tutto ciò che vuoi veramente fare è accendere il LED, prova a giocherellare con la variabile scaleValue per vedere se puoi produrre intervalli migliori in questo modo. (Questo potrebbe essere il modo più semplice per farlo)

Una volta che sei abbastanza soddisfatto dei tuoi numeri e del bagliore del LED, è il momento di prototipare un modello da indossare intorno al petto! Spegni il tuo Arduino e disabilita l'alimentazione alla breadboard per il passaggio successivo.

Passaggio 7: crea un prototipo di fascia respiratoria

Il modo più rapido per creare un prototipo di cinturino è semplicemente mettere insieme qualcosa con del nastro adesivo. Prendi una lunga striscia di nastro adesivo (circa 30 "-36" dovrebbe coprire la maggior parte, ma alla fine questa è solo la circonferenza del tuo petto) e piegala in modo che i lati appiccicosi si attacchino a se stessi. Pratica dei fori su entrambi i lati della striscia di nastro adesivo, in modo che assomigli a una cintura.

Usa le viti per fissare i terminali nei fori praticati per il sensore e collega comodamente il lungo pezzo di nastro adesivo in un anello che indossi sul petto. Vuoi assicurarti che la tua "cintura" aderisca abbastanza bene a te o al plesso solare del tuo soggetto, ma assicurati che ci sia abbastanza spazio per i respiri in entrata per allungare il cavo.

Infine, ricollega le clip a coccodrillo e ricollega ciascuno dei ponticelli dall'estremità del cavo elastico conduttivo in posizione nella breadboard. Ora siamo pronti per testare il prototipo!

Passaggio 8: prova il prototipo

Accendi Arduino ed esegui di nuovo lo sketch precedente. Come vanno quei valori analogici? Stai ottenendo una buona risoluzione dei dati con i tuoi respiri? Il LED ha una bella variazione di luce mentre inspiri ed espiri? In caso contrario, prova a sostituire il resistore pull-down con un valore vicino per vedere se i valori che hai letto migliorano.

Quando hai scelto il resistore pull-down ideale, rallegrati! Il tuo circuito è completo, la tua respirazione viene registrata e il LED seguirà felicemente il tuo respiro.

Idealmente, tu o qualcun altro alla fine cucirai una fascia per te in tessuto sintetico non conduttivo con un po' di elasticità in sé e una cintura con anello a D da stringere. (Il velcro va bene come chiusura, ma a volte è un disastro totale con vestiti e maglioni.) Puoi tranquillamente cucire il cavo conduttivo in questa fascia, infatti i terminali circolari sono ottimi per il fissaggio a un tessuto. Per qualcosa di un po' più permanente delle clip a coccodrillo, potresti semplicemente saldare alcuni fili a più fili molto lunghi alle estremità dei connettori terminali e collegarli al tuo circuito.