Basic Gürtelatmungssensor - Gunook

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

In der Welt der Biosensorik gibt es viele Möglichkeiten, die Atmung zu messen. Man kann einen Thermistor verwenden, um die Temperatur um das Nasenloch zu messen, aber andererseits möchten Sie vielleicht nicht, dass ein seltsames Gerät an Ihre Nase geschnallt wird. Man kann auch einen Beschleunigungsmesser an einem Gürtel befestigen, der sich auf und ab bewegt, aber das Motiv sollte wahrscheinlich liegen oder sich sonst nicht bewegen. Obwohl dieser einfache, flexible Band-Atmungssensor seine Nachteile hat (die Signalantwort ist nicht so genau wie bei anderen Methoden), ist er gut, wenn sich Ihre Person einfach nur anschnallen und tun möchte, was sie während ihres Atems tun möchte wird gemessen. Hier ist ein Beispiel für einen einfachen Atmungssensor, der in einem flexiblen Gürtel untergebracht werden soll, den Sie um die Brust schnallen. Wenn sich der betreffende Brustkorb durch die Atemluft in die Lunge ausdehnt und zusammenzieht, ändert sich der Widerstand eines eingearbeiteten Stücks dehnbarer Gummischnur. Mit nur wenigen weiteren Komponenten können wir dies in ein analoges Signal übersetzen, das von Ihrem Arduino live gelesen wird. Dies geschieht durch die Magie der sehr wesentlichen und leicht zu erlernenden Spannungsteilerschaltung.

WARNUNG: Bevor wir beginnen, sollten Sie wissen, dass ungetestete und instabile Biosensorik-Geräte immer ein Gefahrenrisiko bergen! Bitte testen und erstellen Sie diese Schaltung mit einer Batteriestromquelle. Ich werde alles tun, um Ihnen zu zeigen, wie Sie diese Schaltung herstellen, um sicherzustellen, dass Sie nicht verletzt werden, aber ich übernehme keine Verantwortung für Unfälle, die auftreten können. Verwenden Sie Ihren gesunden Menschenverstand und testen Sie Ihre Schaltung immer mit einem Multimeter, bevor Sie etwas auf Ihre Brust schnallen.

Schritt 1: WAS DU BRAUCHST

1) Jeder Mikrocontroller mit analogem Eingang funktioniert, aber in diesem Beispiel verwende ich einen Arduino Uno. Wenn Sie eines benötigen, können Sie es von Adafruit oder Sparkfun erhalten.

2) Leitfähiges Gummikabel. Dieses erstaunliche Kabel fungiert als variabler Widerstand und ändert seinen Widerstand, wenn es gedehnt oder freigegeben wird. Erhältlich bei Adafruit oder Robotshop hat eine schöne Auswahl an Längen mit vormontierten Metallenden

3) Ein Multimeter

4) Eine LED

5) Ein 1K Widerstand

6) Ein Pull-Down-Widerstand (wir werden später herausfinden, welchen Wert dieser hat!)

7) Klebeband

8) Ein Locher oder eine Schere

9) Überbrückungsdrähte

10) Ein Steckbrett

11) 2 Krokodilklemmen

Bitte beachten Sie, dass dieses Projekt wie bei allen Biosensorgeräten am sichersten ist, wenn Ihr Arduino mit Batterien betrieben wird.

Um dieses Projekt abzuschließen, benötigen Sie möglicherweise auch:

· Lötkolben und Lot

· Heißklebepistole

· Drahtschere

· Abisolierzange

· Helfende Hände

· Schraubstock, Crimpzange oder eine große Zange

· 2 oder mehr Ringed Crimp Terminals

Schritt 2: Schneiden Sie das Kabel ab und bringen Sie leitende Anschlüsse an

Während Sie für dieses Experiment jede Gummikordlänge von 2" bis 8" verwenden können, sind kürzere Gummilängen billiger und Sie benötigen nicht wirklich eine sehr große Menge, um die Arbeit zu erledigen. Wenn Sie eine lange Gummilänge gekauft haben, würde ich empfehlen, eine Länge von 4 Zoll zu schneiden. Schneiden Sie diese Länge ab und machen Sie sich bereit, an beiden Enden ein leitfähiges Ende anzubringen.

Nehmen Sie einen Anschlussstecker, wie einen der oben abgebildeten, und kleben Sie ein Ende des leitfähigen Gummikabels in das Ende eines Ihrer Anschlussstecker und crimpen Sie das Ende zusammen. Sie können dazu entweder einen Schraubstock oder die Enden Ihrer Abisolierzange verwenden, aber achten Sie darauf, die Klemme nicht zu fest zu quetschen, damit Sie nicht den Gummi brechen oder schneiden! Wenn Ihnen dies gelingt und das Kabel abreißt, versuchen Sie es einfach noch einmal mit einem anderen Anschlussstecker. Sie sollten noch genügend Länge haben, um dieses Kunststück zu vollbringen. Wenn es kürzer als 2 Zoll wird, sollten Sie es wahrscheinlich einfach mit einer neuen Länge von 4 Zoll versuchen. Keine Sorge, du wirst es bekommen! Wenn Sie dies auf der einen Seite geschafft haben, brillant! Auf der anderen Seite wiederholen. Jetzt sind Sie fertig!

Jetzt haben Sie eine leitfähige Gummischnur mit einem passenden Anschluss an jedem Ende. Lassen Sie uns die Reichweiten dieses Kabels mit einem Multimeter messen.

Schritt 3: Messen Sie Ihren Widerstand

Drehen Sie das Zifferblatt Ihres Multimeters auf das Ohm-Symbol (Ω) und stecken Sie sowohl das rote als auch das schwarze Ende Ihres Multimeters in beide Seiten Ihres leitfähigen Kabels.

Wenn Sie sich noch nicht sicher sind, wie Sie Ihr Multimeter verwenden sollen, können Sie sich mit diesem Tutorial von Lady Ada auffrischen.

Auch wenn die Zahl beim Messen ein wenig herumspringt, geben Ihnen diese Zahlen eine Vorstellung davon, wie hoch der Widerstand des Kabels im Ruhezustand ist. Schreiben Sie nach bestem Wissen den Ruhewiderstand Ihres Kabels auf und runden Sie ihn dann auf das nächste Vielfache von 10. (z. B.: 239 = 240, 183 = 180)

Achten Sie nun darauf, die Multimeter-Sonden mit einer Hand zu fixieren, und ziehen Sie mit der anderen Hand vorsichtig am Kabel nach oben. Du kannst dieses Zeug nur so lange dehnen, bis es etwa 50%-70% seiner ursprünglichen Länge erreicht hat, also ziehe nicht zu stark! Beobachten Sie, wie sich die Widerstandswerte Ihres Multimeters verändert haben. Lassen Sie los und wiederholen Sie diesen Vorgang einige Male, um zu sehen, wie der Widerstand von seinem Minimum auf sein Maximum übergeht. Beim Ausdehnen erhöht sich der Widerstand, da die Partikel im Gummi weiter auseinander bewegt werden. Sobald die Kraft nachlässt, schrumpft der Gummi zurück, obwohl es ein oder zwei Minuten dauert, bis er seine ursprüngliche Länge wieder erreicht. Aufgrund dieser physikalischen Einschränkungen ist dieses dehnbare Kabel kein echter Linearsensor, daher ist es nicht erstaunlich präzise, aber es gibt Möglichkeiten, damit bei der Konstruktion Ihres Sensors zu arbeiten. Dehnen Sie das Kabel noch einmal bis zum Maximum und notieren Sie, während jedes Ende der Multimeter-Sonden auf beiden Seiten Ihres Gummikabels angebracht ist, den Widerstandswert, der noch einmal auf das nächste Vielfache von 10 gerundet wird.

Schritt 4: Axel Benz Formel

Wir werden eine einfache Spannungsteilerschaltung verwenden, um den variablen Widerstand des Stretchkabels als Atmungssensor zu verwenden. Wenn Sie mehr über Spannungsteilerschaltungen erfahren möchten, sind es im Grunde ein paar Widerstände in Reihe, die eine große Spannung in eine kleinere verwandeln. Abhängig von den Werten der verwendeten Widerstände können Sie Ihre 5V von Ihrem Arduino mit einem Pull-Down-Widerstand in größere oder kleinere Teile von sich selbst zerhacken, was für Analog Read nützlich ist. Wenn Sie mehr über die Mathematik hinter Spannungsteilerschaltungen erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf das hervorragende Tutorial bei Sparkfun.

Während wir wissen, dass der Wert des ersten Widerstands in der Schaltung (des Dehnungssensors) in konstantem Fluss ist, müssen wir einen geeigneten Widerstandswert für den Pull-Down-Widerstand verwenden, um ein möglichst schönes und abwechslungsreiches Signal zu erhalten.

Verwenden Sie zunächst die Axel-Benz-Formel:

Pull-Down-Widerstand = Quadratwurzel (Rmin * Rmax)

Wenn also der Mindestwert Ihres Stretchkabels 130 Ohm beträgt und der Höchstwert 240 Ohm beträgt

Pull-Down-Widerstand = Quadratwurzel (130 * 240)

Pull-Down-Widerstand = Quadratwurzel (31200)

Pull-Down-Widerstand = 176,635217327

Jetzt sollten Sie sich also Ihre Widerstandssammlung ansehen und herausfinden, was Ihr Best-Case-Widerstand „vorerst“ist. Wenn Sie nur eine Sammlung zufälliger Bits und Bobs haben, kann dieser Widerstandsfarbband-Rechner für Sie hilfreich sein. Das Einparken dieses Widerstands kann in Ordnung sein, Sie haben wahrscheinlich nicht den perfekten Widerstand zur Hand. Während Sie die Schaltung verwenden, werden Sie möglicherweise feststellen, dass Sie sie sowieso gegen eine andere austauschen müssen, aber dies gibt Ihnen einen guten Start zum Spielen.

Schließlich runde ich die Zahl auf das nächste Vielfache von 10.

Pull-Down-Widerstand = 180 Ohm

Schritt 5: Bereiten Sie Ihr Steckbrett vor

Verbinden Sie mit Überbrückungsdrähten den 5-V-Pin des Arduino mit Ihrer Stromschiene auf Ihrem Steckbrett und verbinden Sie dann einen GND-Pin mit der Erdungsschiene Ihres Steckbretts.

Ich ziehe gerne 5V vom Arduino, weil dies sicherstellt, dass Sie sich keine Sorgen machen müssen, zu viel Spannung an die analogen Pins zu senden. Sie können auch den 3v3-Spannungsstift verwenden, aber ich finde, dass ich ein besseres Signal bekomme, wenn ich 5v verwende.

Verbinden Sie Ihren Pulldown-Widerstand mit Masse.

Nehmen Sie beide Krokodilklemmen und befestigen Sie sie an den Anschlüssen auf beiden Seiten Ihres dehnbaren Kabels mit variablem Widerstand. Befestigen Sie ein Ende dieser Krokodilklemmen an der 5-V-Schiene. Verbinden Sie die andere Krokodilklemme mit einem Draht in der in den Diagrammen gezeigten Konfiguration.

Stellen Sie sicher, dass die "anderen" Enden Ihres Pull-Down-Widerstands und Ihres leitfähigen Stretchkabels verbunden sind, und verbinden Sie nun ein Überbrückungskabel von einem analogen Pin (verwenden wir A0) mit der Mitte dieser beiden Verbindungspunkte.

Schließlich befestigen Sie eine LED mit einem 1k-Widerstand an Pin 9 Ihres Arduino.

Schritt 6: Programmieren Sie Ihr Arduino

Hinweis: Ich habe gerade gesehen, dass GitHub-Benutzer Non0Mad meinen Code verbessert haben! (Danke) Probieren Sie diesen Code aus, wenn Sie es vorziehen:

Wenn Sie lieber die von mir erstellte ausprobieren möchten, führen Sie die angehängte Skizze "RespSensorTest.ino" auf Ihrem Arduino aus.

Achte darauf, das freiliegende Metall nicht zu berühren, nimm deine beiden Krokodilklemmen und dehne das Gummiband. Beobachten Sie, wie die LED beim Dehnen ein- und ausblendet. Öffnen Sie Ihren seriellen Monitor und beobachten Sie, wie sich Ihre analoge Spannung ändert. Wenn Sie mit den verblassenden Werten oder Ihren Zahlen nicht zufrieden sind, können Sie ein paar Dinge versuchen:

1) Versuchen Sie, einen anderen Pulldown-Widerstandswert auszutauschen, der dem zuletzt verwendeten ähnlich ist. Macht es einen positiven Unterschied? (Dies ist der beste Weg, es zu tun)

2) Wenn Sie wirklich nur die LED anzünden möchten, versuchen Sie es mit der scaleValue-Variable, um zu sehen, ob Sie auf diese Weise bessere Reichweiten erzielen können. (Dies könnte der einfachste Weg sein, es zu tun)

Sobald Sie mit Ihren Zahlen und LED-Leuchten zufrieden sind, ist es an der Zeit, ein Modell zum Tragen um Ihre Brust zu erstellen! Schalten Sie Ihren Arduino aus und deaktivieren Sie die Stromversorgung des Steckbretts für den nächsten Schritt.

Schritt 7: Machen Sie ein Prototyp-Atmungsband

Der schnellste Weg, ein Prototypband herzustellen, besteht darin, etwas mit Klebeband zusammenzuspannen. Nehmen Sie einen langen Streifen Klebeband (ungefähr 30 "-36" sollten die meisten bedecken, aber letztendlich ist dies nur der Umfang Ihrer Brust) und falten Sie ihn so, dass die klebrigen Seiten an sich kleben. Stanze Löcher in beide Seiten deines Klebebandstreifens, sodass er einem Gürtel ähnelt.

Verwenden Sie Schrauben, um die Anschlüsse in den gestanzten Löchern zu befestigen, die Sie für Ihren Sensor gemacht haben, und verbinden Sie Ihr langes Stück Klebeband eng mit einer Schlaufe, die Sie über Ihrer Brust tragen. Sie möchten sicherstellen, dass Ihr „Gürtel“ziemlich eng an Ihnen oder dem Solarplexus Ihrer Person anliegt, aber stellen Sie sicher, dass genügend Platz für einströmende Atemzüge vorhanden ist, um die Schnur zu dehnen.

Schließlich bringen Sie Ihre Krokodilklemmen wieder an und stecken jeden der Jumper vom Ende des leitfähigen Stretchkabels wieder in das Steckbrett ein. Wir sind jetzt bereit, den Prototypen zu testen!

Schritt 8: Testen Sie den Prototyp

Schalten Sie das Arduino ein und führen Sie die vorherige Skizze erneut aus. Wie geht es den analogen Werten? Erhalten Sie eine schöne Auflösung der Daten mit Ihren Atemzügen? Hat die LED eine schöne Lichtvarianz beim Ein- und Ausatmen? Wenn nicht, versuchen Sie, Ihren Pull-Down-Widerstand gegen einen nahegelegenen Wert auszutauschen, um zu sehen, ob die Werte, die Sie lesen, besser werden.

Wenn Sie sich für den idealen Pull-Down-Widerstand entschieden haben, freuen Sie sich! Ihr Kreislauf ist abgeschlossen, Ihre Atmung wird aufgezeichnet und die LED folgt Ihrem Atem.

Im Idealfall nähen Sie oder jemand anderes irgendwann ein Band für Sie aus nicht leitfähigem synthetischem Gewebe mit etwas Stretch und einem D-Ring-Gürtel zum Festziehen. (Klettverschluss ist als Verschluss in Ordnung, aber manchmal ist es ein totales Durcheinander mit Kleidung und Pullovern.) Sie können die leitfähige Schnur sicher in dieses Band nähen, tatsächlich eignen sich die runden Anschlüsse hervorragend zum Befestigen an einem Stoff. Für etwas Dauerhafteres als Krokodilklemmen möchten Sie vielleicht einfach ein paar sehr lange mehradrige Drähte an die Enden der Anschlussstecker löten und diese an Ihrem Stromkreis befestigen.