Základní snímač dýchání pásu: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Ve světě biosenzorů existuje mnoho způsobů, jak měřit dýchání. K měření teploty kolem nosní dírky lze použít termistor, ale pak možná znovu nechcete mít na nose připoutaný podivný nástroj. Lze také připojit akcelerometr k pásu, který se pohybuje nahoru a dolů, ale subjekt by pravděpodobně měl ležet nebo se jinak nepohybovat. I když tento základní, flexibilní pásový senzor dýchání pásu má své nevýhody (odezva signálu není tak přesná jako jiné metody), je to dobré, pokud váš subjekt chce jen připoutat a dělat cokoli, co chce dělat s dechem se měří. Zde je příklad základního senzoru dýchání, který je určen k tomu, aby žil uvnitř pružného pásu, který si obepnete kolem hrudníku. Když se dotyčný hrudník roztahuje a smršťuje dýcháním vzduchu do plic, mění se odpor zabudovaného kusu natahovací gumové šňůry. Pomocí několika dalších komponent to můžeme přeložit do analogového signálu načteného živě vaším Arduinem. To se provádí pomocí kouzla velmi důležitého a snadno naučitelného obvodu děliče napětí.

UPOZORNĚNÍ: Než začneme, měli byste vědět, že nevyzkoušené a nestabilní zařízení pro biologické snímání vždy obsahuje riziko nebezpečí! Vyzkoušejte a vytvořte tento obvod se zdrojem energie z baterie- udělám vše pro to, abych vám ukázal, jak tento obvod udělat, abyste se ujistili, že nebudete zraněni, ale nepřebírám žádnou odpovědnost za nehody, které mohou nastat. Používejte zdravý rozum a před připnutím čehokoli na hrudník vždy vyzkoušejte svůj obvod pomocí multimetru.

Krok 1: CO BUDETE POTŘEBOVAT

1) Jakýkoli mikrokontrolér s analogovým vstupem bude fungovat, ale v tomto příkladu použiji Arduino Uno. Pokud ho potřebujete, můžete ho získat od Adafruit nebo Sparkfun.

2) Vodivý gumový kabel. Tato úžasná šňůra bude fungovat jako variabilní odpor a při natahování nebo uvolňování se odpor změní. K dispozici od Adafruit nebo Robotshop má pěknou škálu délek s předem připevněnými kovovými zakončeními

3) Multimetr

4) LED

5) Rezistor 1K

6) Stahovací odpor (později zjistíme, jaká je jeho hodnota!)

7) Lepicí páska

8) Děrovačka nebo nůžky

9) Propojovací vodiče

10) Prkénko

11) 2 krokosvorky

Vezměte prosím na vědomí, že stejně jako u všech zařízení pro biologické snímání je tento projekt nejbezpečnější, pokud je vaše Arduino napájeno z baterií.

K dokončení tohoto projektu budete možná také potřebovat:

· Páječka a pájka

· Horká lepicí pistole

· Drátové nůžky

· Odstraňovač drátů

· Pomocné ruce

· Svěrák, krimpovací nástroj nebo velký pár kleští

· 2 nebo více kroužkovaných krimpovacích terminálů

Krok 2: Odřízněte kabel a připojte vodivé svorky

I když pro tento experiment můžete použít libovolnou délku gumové šňůry od 2”-8”, kratší délky gumy jsou levnější a ve skutečnosti nepotřebujete super velké množství k dokončení práce. Pokud jste si koupili dlouhou gumu, doporučil bych zkrátit délku 4 palce. Zkraťte tuto délku a připravte se na připojení vodivého konce na oba konce.

Vezměte koncový konektor, jako je jeden z nich na obrázku výše, a přilepte jeden konec vodivého gumového kabelu dovnitř konce jednoho z vašich koncových konektorů a konec sevřete dohromady. K tomu můžete použít buď svěrák, nebo konce odizolovače drátu, ale dávejte pozor, abyste nezatlačili terminál příliš pevně, aby nedošlo k prasknutí nebo ořezání gumy! Pokud se vám to podaří a kabel se přeruší, zkuste to znovu s jiným konektorem terminálu. Stále byste měli mít dost času na to, abyste toho dosáhli. Pokud bude kratší než 2”, pravděpodobně byste to měli zkusit znovu s novou délkou 4”. Nebojte se, dostanete to! Jakmile to zvládnete na jedné straně, brilantní! Opakujte na druhé straně. Nyní jste hotovi!

Nyní máte vodivou gumovou šňůru s vhodnou koncovkou na každém konci. Pojďme změřit, jaké jsou rozsahy tohoto kabelu pomocí multimetru.

Krok 3: Změřte svůj odpor

Otočte knoflíkem multimetru na symbol ohmu (Ω) a zastrčte červený i černý konec multimetru na obě strany vodivé šňůry.

Pokud si ještě nejste jisti, jak používat svůj multimetr, můžete se osvěžit tímto tutoriálem od Lady Ada.

Přestože číslo může při měření trochu přeskočit, tato čísla vám poskytnou představu o tom, jaký je odpor kabelu, když je v klidu. Vezměte si svůj nejlepší odhad, zapište si klidový odpor kabelu a poté jej zaokrouhlete na nejbližší násobek 10. (tj.: 239 = 240, 183 = 180)

Nyní dávejte pozor, abyste jednou rukou upevnili multimetrové sondy na místě, druhou rukou jemně zatáhněte za kabel. Tyto věci můžete natáhnout pouze tak, aby dosáhly přibližně 50%-70% původní délky, takže příliš netahejte! Sledujte, jak se změnily hodnoty odporu na multimetru. Nechte to a tento postup několikrát opakujte, abyste sledovali, jak odpor přechází z minima na maximum. Když ho natáhnete, odpor vzroste, protože částice v kaučuku se posunou dále od sebe. Jakmile se síla uvolní, guma se zmenší, i když návrat na původní délku trvá minutu nebo dvě. Kvůli těmto fyzickým omezením není tento pružný kabel skutečným lineárním senzorem, takže není úžasně přesný, ale existují způsoby, jak s ním pracovat při konstrukci vašeho senzoru. Ještě jednou natáhněte šňůru na maximum a s každým koncem multimetrových sond na obou stranách gumové šňůry si zapište hodnotu odporu, zaokrouhlenou ještě jednou na nejbližší násobek 10.

Krok 4: Vzorec Axel Benz

Použijeme jednoduchý obvod dělení napětí, abychom jako snímač dýchání použili proměnný odpor napínací šňůry. Pokud byste se chtěli dozvědět více o obvodech dělení napětí, je to v podstatě několik odporů v sérii, které mění velké napětí na menší. V závislosti na hodnotách odporů, které používáte, můžete rozdělit 5V ze svého Arduina na větší nebo menší části pomocí stahovacího odporu, což je užitečné pro analogové čtení. Pokud byste se chtěli dozvědět více o matematice za napěťově dělícími obvody, podívejte se na vynikající tutoriál na Sparkfunu.

I když víme, že hodnota prvního odporu v obvodu (čidlo roztažení) bude v konstantním toku, musíme pro stahovací odpor použít správnou hodnotu odporu, abychom získali co nejhezčí a nejrozmanitější signál.

Chcete -li začít, použijte vzorec Axel Benz:

Odporový odpor = squareroot (Rmin * Rmax)

Pokud je tedy minimální hodnota vaší napínací šňůry 130 ohmů a maximální 240 ohmů

Stahovací odpor = squareroot (130*240)

Stahovací odpor = squareroot (31200)

Stahovací odpor = 176,635217327

Nyní byste se měli podívat na svou sbírku odporů a zjistit, jaký je váš nejlepší rezistor „prozatím“. Pokud máte jen sbírku náhodných bitů a bobů, tato kalkulačka barevného odporu rezistoru vám může pomoci. Ballparking tohoto rezistoru může být v pořádku, pravděpodobně nemáte po ruce perfektní odpor. Zatímco používáte obvod, možná zjistíte, že jej musíte stejně vyměnit za jiný, ale to vám dá skvělý začátek pro hraní.

Nakonec zaokrouhlím číslo na nejbližší násobek 10.

Stahovací odpor = 180 ohmů

Krok 5: Připravte si prkénko

Pomocí propojovacích vodičů připojte 5v kolík Arduina k napájecí liště na prkénku a poté připojte kolík GND k zemnící liště vašeho prkénka.

Rád čerpám 5V z Arduina, protože to zajišťuje, že se nemusíte starat o odesílání příliš vysokého napětí na analogové piny. Můžete také použít napěťový kolík 3v3, ale zjistil jsem, že získám lepší signál z použití 5v.

Připojte svůj stahovací odpor k zemi.

Vezměte oba své aligátorové klipy a připněte je ke svorkám na obou stranách pružné šňůry s proměnným odporem. Připojte jeden konec těchto aligátorových spon k 5v liště. Připojte další krokodýlí svorku k vodiči v konfiguraci ukázané na schématech.

Ujistěte se, že jsou „ostatní“konce vašeho stahovacího odporu a váš vodivý natahovací kabel připojeny, nyní připojte propojovací kabel z analogového kolíku (použijme A0) do středu těchto dvou spojovacích bodů.

Nakonec připojte LED s 1k odporem na pin 9 vašeho Arduina.

Krok 6: Naprogramujte si Arduino

Poznámka: Právě jsem viděl, že uživatelé GitHub Non0Mad vylepšili můj kód! (Díky) Zkuste tento kód, pokud dáváte přednost:

Pokud byste raději vyzkoušeli ten, který jsem vytvořil, spusťte na svém Arduinu přiložený náčrt „RespSensorTest.ino“.

Dávejte pozor, abyste se nedotkli odhaleného kovu, zvedněte své dvě aligátorové spony a natáhněte gumičku. Sledujte, jak LED bledne a zhasíná, jak se natahujete. Otevřete sériový monitor a sledujte změnu analogového napětí. Pokud nejste spokojeni s mizícími hodnotami nebo se svými čísly, můžete vyzkoušet několik věcí:

1) Zkuste vyměnit jinou hodnotu stahovacího odporu, která je podobná té poslední, kterou jste použili. Má to pozitivní rozdíl? (Toto je nejlepší způsob, jak to udělat)

2) Pokud vše, co opravdu chcete, je rozsvítit LED, zkuste si pohrát s proměnnou scaleValue, abyste zjistili, zda tímto způsobem dokážete vytvořit lepší rozsahy. (To může být nejjednodušší způsob, jak to udělat)

Jakmile budete dostatečně spokojeni se svými čísly a zářením LED, je na čase vytvořit prototyp modelu pro nošení kolem hrudníku! Pro další krok vypněte Arduino a deaktivujte napájení prkénka.

Krok 7: Vytvořte dýchací pás prototypu

Nejrychlejší způsob, jak vytvořit prototyp kapely, je spojit něco společně s lepicí páskou. Vezměte dlouhý pás lepicí pásky (asi 30 “-36“by mělo pokrýt většinu, ale nakonec je to jen obvod hrudníku) a přeložte jej tak, aby se lepivé strany lepily na sebe. Propíchněte otvory do obou stran lepicí pásky, takže se podobá pásu.

Pomocí šroubů zajistěte svorky do děrovaných otvorů, které jste pro senzor vytvořili, a dlouhý kus lepicí pásky pohodlně spojte do smyčky, kterou nosíte přes hrudník. Chcete se ujistit, že váš „opasek“dobře sedí na vás nebo na solárním plexu subjektu, ale ujistěte se, že je dostatek místa pro příchozí nádechy k natažení kabelu.

Nakonec znovu připevněte své aligátorové spony a zapojte všechny propojky z konce vodivé napínací šňůry zpět na místo v prkénku. Nyní jsme připraveni prototyp otestovat!

Krok 8: Otestujte prototyp

Zapněte Arduino a spusťte předchozí sketchagain. Jak jsou na tom ty analogové hodnoty? Zobrazuje se vám dechem pěkné rozlišení dat? Má dioda LED příjemnou změnu světla při nádechu a výdechu? Pokud ne, zkuste vyměnit svůj stahovací odpor za blízkou hodnotu, abyste zjistili, zda se hodnoty, které čtete, zlepšují.

Když jste se usadili na ideálním stahovacím odporu, radujte se! Váš obvod je kompletní, zaznamenává se vaše dýchání a LED dioda bude s radostí sledovat váš dech.

V ideálním případě vám nebo někdo jiný nakonec ušije pásek z nevodivé syntetické tkaniny s trochou roztažnosti a páskem D-Ring pro utažení. (Suchý zip je v pořádku jako zapínání, ale někdy je to naprostý nepořádek s oblečením a svetry.) Do tohoto pásku můžete bezpečně přišít vodivou šňůru, ve skutečnosti jsou kruhové koncovky skvělé k upevnění na látku. Pro něco trochu trvalejšího než klipy aligátorů možná budete chtít jednoduše připájet několik velmi dlouhých vícežilových vodičů na konce koncových konektorů a připojit je k vašemu obvodu.