Basic Belt Respiration Sensor: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:30

I biosensningsverdenen er der mange måder at måle åndedræt på. Man kan bruge en termistor til at måle temperaturen omkring næseboret, men igen vil du måske ikke have et underligt redskab fastspændt til din næse. Man kan også fastgøre et accelerometer til et bælte, der bevæger sig op og ned, men motivet skal sandsynligvis ligge eller ikke på anden måde bevæge sig. Selvom denne grundlæggende, fleksible båndbælteåndningssensor har sine ulemper (signalresponsen er ikke lige så præcis som andre metoder), er den god til, hvis dit motiv bare vil spænde fast og gøre, hvad det er, de vil gøre, mens deres vejrtrækning bliver målt. Her er et eksempel på en grundlæggende respirationssensor, som er beregnet til at leve inde i et fleksibelt bælte, som du binder om et bryst. Når det pågældende bryst ekspanderer og trækker sig sammen gennem vejrtrækning af luft ind i lungerne, ændres modstanden fra et indbygget stykke strækbart gummisnor. Ved blot at bruge nogle få flere komponenter kan vi oversætte dette til et analogt signal, der læses live af din Arduino. Dette gøres gennem magien i det meget essentielle og let at lære spændingsdelerkredsløb.

ADVARSEL: Inden vi begynder, skal du vide, at uprøvede og ustabile biosensorer altid indeholder en risiko for fare! Test og opret dette kredsløb med en kilde til batteristrøm. Jeg vil gøre alt for at vise dig, hvordan du laver dette kredsløb for at sikre, at du ikke kommer til skade, men jeg påtager mig intet ansvar for uheld, der kan opstå. Brug sund fornuft og test altid dit kredsløb med et multimeter, før du spænder noget på brystet.

Trin 1: DET SKAL DU BRUGE

1) Enhver mikrokontroller med en analog indgang fungerer, men i dette eksempel vil jeg bruge en Arduino Uno. Hvis du har brug for en, kan du få den fra Adafruit eller Sparkfun.

2) Ledende gummisnor. Denne fantastiske ledning vil fungere som en variabel modstand og vil ændre sig i modstand, når den strækkes eller frigives. Fås fra Adafruit, eller Robotshop har en lang række forskellige længder med forudmonterede metalender

3) Et multimeter

4) En LED

5) En 1K modstand

6) En pull-down modstand (vi finder ud af, hvad værdien af dette er senere!)

7) Gaffatape

8) Et hul eller en saks

9) Jumperwires

10) Et brødbræt

11) 2 Alligator klip

Bemærk, at som med alt andet biosensningsudstyr er dette projekt sikrest, hvis din Arduino får strøm fra batterier.

For at fuldføre dette projekt har du muligvis også brug for:

· Loddejern og lodde

· Varm limpistol

· Trådklip

· Wire stripper

· Hjælpende hænder

· Skruestik, krympeværktøj eller en stor tang

· 2 eller flere ringklemmer

Trin 2: Klip ledningen, og fastgør ledende terminaler

Selvom du kan bruge en hvilken som helst længde af gummisnor fra 2”-8” til dette eksperiment, er kortere gummilængder billigere, og du behøver faktisk ikke en super stor mængde for at få arbejdet udført. Hvis du har købt en lang gummilængde, vil jeg anbefale at skære en 4”længde. Klip denne længde, og gør dig klar til at fastgøre en ledende ende til begge ender.

Tag et terminalstik, f.eks. Et af dem på billedet ovenfor, og stik den ene ende af den ledende gummisnor inde i enden af en af dine terminalforbindelser, og krym enden sammen. Du kan bruge enten en skruestik eller enderne på dine wire strippere til at gøre dette, men pas på ikke at klemme terminalen for stramt, så du ikke snapper eller skærer dit gummi! Hvis du formår at gøre dette, og ledningen afbrydes, skal du bare prøve igen med et andet terminalstik. Du skal stadig have masser af længde for at udføre denne bedrift. Hvis den bliver kortere end 2”, skal du nok bare prøve igen med en ny 4” længde. Bare rolig, du får det! Når du har opnået dette på den ene side, genialt! Gentag på den anden side. Nu er du færdig!

Nu har du en ledende gummisnor med en passende terminal i hver ende. Lad os måle, hvad rækkevidden af denne ledning er med et multimeter.

Trin 3: Mål din modstand

Drej drejeknappen på dit multimeter til ohm -symbolet (Ω), og sæt både den røde og den sorte ende af dit multimeter ind i hver side af din ledende ledning.

Hvis du ikke er sikker på, hvordan du bruger dit multimeter endnu, kan du opdatere med denne tutorial fra Lady Ada.

Selvom tallet måske hopper lidt rundt, mens du måler det, giver disse tal dig en idé om, hvor meget ledningens modstand er, når den er i ro. Antag dit bedste gæt, nedskriv din lednings hvilemodstand, afrund den derefter til nærmeste multiplum af 10. (dvs.: 239 = 240, 183 = 180)

Nu skal du være omhyggelig med at fastgøre multimeterproberne på plads med den ene hånd. Brug din anden hånd til forsigtigt at trække i ledningen. Du kan kun strække disse ting, indtil de er omkring 50% -70% af sin oprindelige længde, så træk ikke for hårdt! Observer hvordan modstandsværdierne på dit multimeter er ændret. Slip, og gentag denne proces et par gange for at se modstanden gå fra sit minimum til sit maksimum. Når du strækker det ud, øges modstanden, fordi partiklerne i gummiet flyttes længere fra hinanden. Når kraften er frigivet, vil gummiet skrumpe tilbage, selvom det tager et minut eller to at vende tilbage til sin oprindelige længde. På grund af disse fysiske begrænsninger er denne elastiske ledning ikke en ægte lineær sensor, så den er ikke fantastisk præcis, men der er måder at arbejde med dette i konstruktionen af din sensor. Stræk ledningen ud igen til sit maksimum, og med hver ende af multimeterproberne på plads på hver side af din gummisnor, skriv modstandsværdien ned, afrundet endnu en gang til nærmeste multiplum på 10.

Trin 4: Axel Benz Formula

Vi kommer til at bruge et simpelt spændingsdelende kredsløb for at bruge strækledningens variable modstand som en respirationssensor. Hvis du gerne vil vide mere om spændingsdelende kredsløb, er det dybest set et par modstande i serie, der gør en stor spænding til en mindre. Afhængigt af værdierne for de modstande, du bruger, kan du hakke din 5V ud fra din Arduino til større eller mindre dele af sig selv med en pull-down-modstand, hvilket er nyttigt til Analog Read. Hvis du gerne vil lære mere om matematikken bag spændingsdelende kredsløb, skal du kigge på den glimrende vejledning på Sparkfun.

Selvom vi ved, at værdien af den første modstand i kredsløbet (strækningssensoren) vil være i konstant flux, skal vi bruge en korrekt modstandsværdi for pull-down-modstanden for at få et så flot og varieret signal som muligt.

Brug Axel Benz -formlen til at starte:

Pull-Down-modstand = squareroot (Rmin * Rmax)

Så hvis minimumsværdien af din strækledning er 130 ohm, og maksimum er 240 ohm

Pull-Down modstand = squareroot (130*240)

Pull-Down-modstand = squareroot (31200)

Pull-Down-modstand = 176.635217327

Så nu skal du se på din modstandssamling og finde ud af, hvad din bedste case-modstand “for nu” er. Hvis du bare har en samling af tilfældige bits og bobs, kan denne modstands farvebåndsberegner være nyttig for dig. At parkere denne modstand kan være ok, du har sandsynligvis ikke den perfekte modstand til rådighed. Mens du bruger kredsløbet, vil du muligvis opdage, at du alligevel skal skifte det ud med et andet, men dette vil give dig en god start på at begynde at spille.

Til sidst afrunder jeg tallet til det nærmeste multiplum af 10.

Træk ned modstand = 180 ohm

Trin 5: Forbered dit brødbræt

Ved hjælp af jumperwires skal du slutte Arduinos 5v pin til din power rail på dit brødbræt, og derefter tilslutte en GND pin til jordskinnen på dit breadboard.

Jeg kan godt lide at trække 5V fra Arduino, fordi dette sikrer, at du ikke skal bekymre dig om at sende for meget spænding til de analoge ben. Du kan også bruge 3v3 spændingsstiften, men jeg oplever, at jeg får et bedre signal fra at bruge 5v.

Tilslut din pull-down modstand til jorden.

Tag begge dine krokodilleklip og klip dem til terminalerne på begge sider af din elastiske snor med variabel modstand. Fastgør den ene ende af disse krokodilleklemmer til 5v -skinnen. Tilslut den anden krokodilleklip til en ledning i den konfiguration, der er vist i diagrammerne.

Sørg for, at de "andre" ender af din nedtrækningsmodstand og din ledende strækledning er forbundet, og tilslut nu en jumperledning fra en analog pin (lad os bruge A0) til midten af disse to forbindelsespunkter.

Til sidst blev en LED med en 1k modstand fastgjort til pin 9 på din Arduino.

Trin 6: Programmer din Arduino

Bemærk: Jeg har lige set, at GitHub -brugere Non0Mad har forbedret min kode! (Tak) Prøv denne kode, hvis du foretrækker det:

Hvis du hellere vil prøve den, jeg lavede, skal du køre den vedhæftede "RespSensorTest.ino" -skitse på din Arduino.

Vær forsigtig med ikke at røre ved det udsatte metal, tag dine to krokodilleklemmer op og stræk gummibåndet. Se LED'en falme ind og ud, mens du strækker dig. Åbn din serielle skærm, og se din analoge spænding ændre sig. Hvis du ikke er tilfreds med de falmende værdier eller dine tal, kan du prøve et par ting:

1) Prøv at skifte en anden pull-down-modstandsværdi ud, der ligner den sidste, du brugte. Gør det en positiv forskel? (Dette er den bedste måde at gøre det på)

2) Hvis alt, hvad du virkelig vil gøre, er at tænde LED'en, så prøv at rode med variablen scaleValue for at se, om du kan producere bedre intervaller på den måde. (Dette er måske den nemmeste måde at gøre det på)

Når du er tilfreds nok med dine tal og LED -glød, er det tid til at prototype en model til at have på rundt om brystet! Sluk for din Arduino, og deaktiver strømmen til brødbrættet til det næste trin.

Trin 7: Lav et prototype respirationsbånd

Den hurtigste måde at lave et prototypebånd på er bare at stikke noget sammen med gaffatape. Tag en lang strimmel gaffatape (ca. 30”-36” skal dække de fleste, men i sidste ende er det bare omkredsen af dit bryst) og fold det, så de klæbrige sider klæber til sig selv. Stik huller i hver side af din gaffatape -strimmel, så det ligner et bælte.

Brug skruer til at fastgøre terminalerne i de huller, du lavede til din sensor, og tilslut dit lange stykke tape til en sløjfe, som du bærer hen over brystet. Du vil sikre dig, at dit "bælte" sidder temmelig tæt på dig eller på motivets solar plexus, men sørg for, at der er plads nok til indkommende vejrtrækninger til at strække ledningen.

Tilslut igen dine alligatorklemmer, og sæt hver af springerne fra enden af den ledende strækledning tilbage på plads i brødbrættet. Vi er nu klar til at teste prototypen!

Trin 8: Test prototypen

Tænd for Arduino, og kør den forrige skitse igen. Hvordan har de analoge værdier det? Får du en dejlig opløsning af data med dit åndedrag? Har LED'en en god variation i lyset, når du trækker vejret ind og ud? Hvis ikke, så prøv at skifte din pull-down-modstand ud for en værdi i nærheden for at se, om de værdier, du læser, bliver bedre.

Når du har slået dig ned på den ideelle pull-down-modstand, skal du glæde dig! Dit kredsløb er færdigt, dit åndedræt registreres, og lysdioden følger med glæde dit åndedrag.

Ideelt set vil du eller en anden i sidste ende sy et bånd til dig ud af ikke-ledende syntetisk stof med en lille smule stræk i sig selv og et D-Ring bælte til at stramme. (Velcro er ok som en lukning, men det er et totalt rod med tøj og trøjer nogle gange.) Du kan sikkert sy den ledende snor ind i dette bånd, faktisk er de cirkulære terminaler gode til at fastgøre til et stof. For noget lidt mere permanent end alligatorklemmer, vil du måske bare lodde et par meget lange flerstrengede ledninger til enderne af terminalstikkene og vedhæfte disse til dit kredsløb.