CardioSim: 6 Schritte (mit Bildern)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Zuallererst ist dies mein erstes Instructable, und ich bin kein englischer Muttersprachler (oder Schriftsteller), daher entschuldige ich mich im Voraus für die insgesamt niedrige Qualität. Ich hoffe jedoch, dass dieses Tutorial für Leute hilfreich sein kann, die ein Herzfrequenz-(HR)-Monitorsystem (bestehend aus einem Brustgurt-Gurtsender und einer Empfängeruhr) verwenden und entweder:

genau wissen möchten, welche Batterie (im Gürtel oder in der Empfängeruhr) ausgetauscht werden muss, wenn das System nicht mehr richtig funktioniert. In der Regel wechselt der Benutzer sicherheitshalber beide Batterien, obwohl die eine im Gürtel stärker belastet wird und sich daher schneller entlädt als die andere

oder

(wie ich) daran interessiert sind, einen Herzfrequenz-Datenlogger für weitere Auswertungen zu entwickeln – zum Beispiel für die statistische Analyse der HRV (Heart Rate Variations) unter statischen Bedingungen oder für Korrelationsstudien zwischen HR und körperlicher Anstrengung unter dynamischen Bedingungen – und lieber einen Brustgurt-(Cardio)-Simulator verwenden, als während der Testphasen immer einen echten zu tragen

Aus den oben genannten Gründen habe ich mein Instructable "CardioSim" genannt

Schritt 1: Wie funktioniert es?

Die drahtlose Übertragung der Herzfrequenzimpulse zwischen dem Sender (Brustgurt) und dem Empfänger (dedizierte Uhr sowie Laufbänder, Trainingsgeräte usw.) basiert auf einer niederfrequenten magnetischen Kommunikation (LFMC) und nicht eine traditionelle Radio-Frequenz.

Die Standardfrequenz für diese Art von (analogen) Überwachungssystemen beträgt 5,3 kHz. Neue digitale Systeme basieren auf der Bluetooth-Technologie, dies ist jedoch nicht Gegenstand dieses Tutorials.

Für diejenigen, die das Thema vertiefen möchten, finden Sie eine umfassende Beschreibung der LFMC-Technologie, einschließlich der Vor- und Nachteile gegenüber RF, in diesem App-Hinweis

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

Für dieses Projekt reicht es jedoch aus zu wissen, dass ein von einem LC-(Serien-)Schwingkreis erzeugter magnetischer Feldträger von 5,3 kHz auf der Basis eines einfachen OOK-Formats (On-OFF Keying) moduliert wird, bei dem jeder Herzpuls schaltet den Träger für ca. 10ms ein. Das Signal wird von einem (parallelen) LC-Resonanztank (mit gleicher Resonanzfrequenz des Magnetfeldes und bei richtiger Ausrichtung beider Spulen) erfasst, verstärkt und an die Messeinheit gesendet.

Obwohl im WEB einige Beispiele für die Empfängerschaltung zu finden sind, konnte ich kein Modell für den Sender finden, also beschloss ich, das von meinem Brustgurt erzeugte Signal zu analysieren und eine Schaltung zu bauen, die es simulieren kann, mit eine ähnliche Feldstärke, Frequenz und Format.

Schritt 2: Schaltplan und Teile

Die Schaltungen bestehen aus sehr wenigen Komponenten, die in ein kleines Gehäuse passen:

• Gehäuse mit Stripboard, wie dieses
• Schaumstoffstreifen mit hoher Dichte, 50 x 25 x 10 mm (wie der für die Verpackung von ICs verwendet)
• Mikrocontroller ATTiny85-20
• Motortreiber L293
• Spannungsregler 5V, Typ 7805 oder LD1117V50
• 2x Elektrolytkondensator 10uF/25V
• Kondensator 22n/100V
• Trimpot mit Welle, 10K, 1 Umdrehung, (wie im Arduino Starter Kit)
• Widerstand 22K
• Widerstand 220R
• LED rot 5mm
• Induktivität 39mH, ich habe einen BOURNS RLB0913-393K. verwendet
• 9V Batterie
• Mini-SPDT-Schalter (ich habe den AM / FM-Schalter von einem alten Transistorradio recycelt)

Die wichtigste Komponente ist die Induktivität, ein hochwertiger Ferritkern und ein geringer Widerstand sind zwingend erforderlich um diese klein zu halten und einen guten Gütefaktor des Schwingkreises zu erhalten.

Schritt 3: Schaltungsbeschreibung & Code

Bei Anwendung der Formel des in der Zeichnung gezeigten LC-Kreises mit L = 39 mH und C = 22 nF ergibt sich eine Frequenz von etwa 5,4 kHz, was nahe genug am Standardwert von 5,3 kHz liegt. Der LC-Tank wird von einem H-Brücken-Wechselrichter angesteuert, der aus den 2 Halbbrücken 1 und 2 des Motortreiber-ICs L293 besteht. Die Trägerfrequenz wird vom Mikrocontroller TINY85 erzeugt, der auch das Modulationssignal steuert, das die HR simuliert. Über den am analogen Eingang A1 angeschlossenen Trimpot kann die Herzfrequenz von ca. 40 bis 170 bmp (beats per minute) verändert werden - was unter realen Bedingungen für die meisten Amateursportler als ausreichend angesehen wird. Da die Brücke von zwei entgegengesetzten Rechteckwellen angetrieben werden muss (und mit meinen begrenzten Kenntnissen des Assembler-Codes von ATTiny konnte ich nur eine einzige erzeugen), habe ich die halbe Brücke 3 als Wechselrichter verwendet.

Für diese einfachen Aufgaben ist der interne Takt @ 16MHz ausreichend, jedoch habe ich vorher den benötigten Kalibrierfaktor für meinen Chip gemessen und ihn in der Setup-Sektion auf die Kommandozeile "OSCCAL" gesetzt. Um die Skizze zum ATTiny herunterzuladen, habe ich einen Arduino Nano verwendet, der mit dem ArduinoISP-Code geladen ist. Wenn Sie mit diesen beiden Schritten nicht vertraut sind, gibt es viele Beispiele im Web, bei Interesse habe ich eigene Versionen entwickelt, die ich auf Anfrage zur Verfügung stellen kann. Habe den Code für den ATTiny angehängt:

Schritt 4: Zusammenbau der Schaltung

Das Gehäuse hatte bereits ein 5 mm Loch auf der oberen Abdeckung, das perfekt für die Led war, und ich musste nur ein zweites 6 mm Loch bohren, das mit dem ersten ausgerichtet war, für den Schaft des Trimpots. Die Anordnung der Komponenten habe ich so angeordnet, dass der Akku zwischen Trimmpotentiometer und Spannungsregler TO-220 gehalten und durch den auf die obere Abdeckung geklebten Schaumstoffstreifen fest in seiner Position blockiert wird.

Wie Sie vielleicht bemerken, ist die Induktivität horizontal montiert, d.h. mit seiner Achse parallel zum Brett. Dies unter der Annahme, dass auch die Empfängerinduktivität in die gleiche Richtung liegt. Achten Sie in jedem Fall für eine optimale Übertragung darauf, dass beide Achsen parallel (nicht unbedingt in derselben Raumebene) und nicht senkrecht zueinander stehen.

Am Ende des Zusammenbaus mit einem Stromkreistester alle Anschlüsse mit einem Stromkreistester gründlich prüfen.

Schritt 5: Testen Sie die Schaltung

Das beste Testwerkzeug für die Schaltung ist eine HF-Überwachungsempfängeruhr:

1. Legen Sie die Uhr neben die CardioSim.
2. Stellen Sie das Trimpoti in die Mittelstellung und schalten Sie das Gerät ein.
3. Die rote LED sollte in Intervallen von etwa 1 Sekunde (60 bmp) zu blinken beginnen. Dies zeigt an, dass der LC-Resonatortank ordnungsgemäß mit Strom versorgt wird und funktioniert. Wenn dies nicht der Fall ist, überprüfen Sie alle Anschlüsse und Schweißpunkte.
4. Falls nicht bereits automatisch eingeschaltet, schalten Sie die Uhr manuell ein.
5. Die Uhr sollte beginnen, das Signal zu empfangen, das die gemessene HF anzeigt.
6. Drehen des Trimmpotis in die Endposition in beide Richtungen zur Überprüfung des vollen HF-Bereichs (+/-5% Toleranz der Bereichsgrenzen ist tolerierbar)

Alle Schritte sind im beigefügten Video gezeigt

Schritt 6: Warnung

Beachten Sie als letzten Sicherheitshinweis, dass das in diesem einfachen Format implementierte LFMC es nicht zulässt, verschiedene Einheiten im gleichen Feldbereich anzusprechen, dh falls sowohl der CardioSim als auch ein echter Messgurt ihre Signale an denselben Empfänger senden Gerät wird der Empfänger blockiert, mit unvorhersehbaren Ergebnissen.

Dies kann gefährlich sein, wenn Sie Ihre körperliche Leistung steigern und Ihre Anstrengungen auf der Grundlage der gemessenen HF maximieren möchten. CardioSim ist nur zum Testen anderer Geräte und nicht zum Training gedacht!

Das ist alles, danke für das Lesen meines Instructable, jedes Feedabck ist willkommen!