Cảm biến hô hấp đai cơ bản: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Trong thế giới cảm biến sinh học, có nhiều cách để đo sự hô hấp. Người ta có thể sử dụng một nhiệt điện trở để đo nhiệt độ xung quanh lỗ mũi, nhưng một lần nữa, có thể bạn không muốn một dụng cụ kỳ lạ quấn vào mũi của mình. Người ta cũng có thể gắn một cảm biến gia tốc vào một dây đai di chuyển lên xuống, nhưng đối tượng có lẽ nên nằm xuống hoặc không di chuyển. Mặc dù cảm biến hô hấp cơ bản, dây đai linh hoạt này có nhược điểm của nó (phản hồi tín hiệu không chính xác như các phương pháp khác), nhưng nó rất tốt nếu đối tượng của bạn chỉ muốn đeo vào và làm bất cứ điều gì họ muốn làm trong khi thở. đang được đo lường. Dưới đây là một ví dụ về cảm biến hô hấp cơ bản, được thiết kế để đặt bên trong một chiếc thắt lưng linh hoạt mà bạn đeo quanh ngực. Khi lồng ngực được đề cập đến mở rộng và co lại khi thở không khí vào phổi, lực cản của một đoạn dây cao su co giãn được kết hợp sẽ thay đổi. Chỉ cần sử dụng thêm một vài thành phần nữa, chúng tôi có thể chuyển nó thành tín hiệu tương tự được đọc trực tiếp bởi Arduino của bạn. Điều này được thực hiện thông qua sự kỳ diệu của mạch phân áp rất cần thiết và dễ học.

CẢNH BÁO: Trước khi chúng ta bắt đầu, bạn nên biết rằng thiết bị cảm biến sinh học chưa được kiểm tra và không ổn định luôn tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm! Vui lòng kiểm tra và tạo mạch này bằng nguồn pin- Tôi sẽ làm mọi cách để hướng dẫn bạn cách tạo mạch này để đảm bảo bạn không bị hại, nhưng tôi không chịu trách nhiệm về các tai nạn có thể xảy ra. Sử dụng ý thức thông thường và luôn kiểm tra mạch của bạn bằng đồng hồ vạn năng trước khi thắt bất cứ thứ gì lên ngực.

Bước 1: BẠN SẼ CẦN GÌ

1) Bất kỳ vi điều khiển nào có đầu vào tương tự sẽ hoạt động, nhưng trong ví dụ này, tôi sẽ sử dụng Arduino Uno. Nếu cần, bạn có thể lấy từ Adafruit hoặc Sparkfun.

2) Dây cao su dẫn điện. Sợi dây tuyệt vời này sẽ hoạt động như một biến trở, và sẽ thay đổi điện trở khi nó được kéo căng hoặc thả ra. Có sẵn từ Adafruit, hoặc Robotshop có nhiều loại độ dài khác nhau với các đầu kim loại gắn sẵn

3) Một đồng hồ vạn năng

4) Đèn LED

5) Một điện trở 1K

6) Một điện trở kéo xuống (chúng ta sẽ tìm ra giá trị của nó sau!)

7) Băng keo

8) Một cái đục lỗ hoặc một cái kéo

9) Dây nhảy

10) Một bảng mạch

11) 2 kẹp cá sấu

Xin lưu ý rằng như với tất cả các thiết bị cảm biến sinh học, dự án này là an toàn nhất nếu Arduino của bạn được cấp nguồn từ pin.

Để hoàn thành dự án này, bạn cũng có thể cần:

· Hàn sắt và thuốc hàn

· Súng bắn keo nóng

· Cắt dây

· Máy rút dây

· Giúp đỡ

· Dụng cụ cắt, uốn hoặc một cặp kìm lớn

· 2 hoặc nhiều hơn các thiết bị đầu cuối uốn vòng

Bước 2: Cắt dây và gắn các thiết bị đầu cuối dẫn điện

Mặc dù bạn có thể sử dụng bất kỳ chiều dài dây cao su nào từ 2”-8” cho thử nghiệm này, nhưng chiều dài dây cao su ngắn hơn sẽ rẻ hơn và bạn không thực sự cần một số lượng quá lớn để hoàn thành công việc. Nếu bạn mua chiều dài cao su dài thì tôi khuyên bạn nên cắt chiều dài 4”. Cắt chiều dài này và sẵn sàng để gắn một đầu dẫn điện vào cả hai đầu.

Lấy một đầu nối thiết bị đầu cuối, chẳng hạn như một trong số chúng như hình trên và dán một đầu của dây cao su dẫn điện vào bên trong đầu của một trong các đầu nối đầu cuối của bạn và uốn cong đầu cuối lại với nhau. Bạn có thể sử dụng một đầu dây hoặc các đầu của dụng cụ tuốt dây để thực hiện việc này, nhưng hãy cẩn thận không bóp đầu dây quá chặt vì kẻo bạn sẽ làm gãy hoặc cắt cao su của bạn! Nếu bạn thực hiện được điều này và dây bị đứt, chỉ cần thử lại với một đầu nối đầu cuối khác. Bạn vẫn còn nhiều thời gian để đạt được kỳ tích này. Nếu nó ngắn hơn 2”, bạn có thể chỉ nên thử lại với độ dài 4” mới. Đừng lo lắng, bạn sẽ hiểu! Một khi bạn đã hoàn thành điều này ở một bên, thật tuyệt vời! Lặp lại ở phía bên kia. Bây giờ bạn đã hoàn thành!

Bây giờ bạn có một dây cao su dẫn điện với một đầu cuối phù hợp ở mỗi đầu. Hãy đo phạm vi của dây này bằng đồng hồ vạn năng.

Bước 3: Đo điện trở của bạn

Xoay mặt số của đồng hồ vạn năng sang biểu tượng ohm (Ω) và dán cả hai đầu màu đỏ và đen của đồng hồ vạn năng vào hai bên của dây dẫn điện.

Nếu bạn chưa chắc chắn về cách sử dụng đồng hồ vạn năng của mình, bạn có thể làm mới với hướng dẫn này từ Lady Ada.

Mặc dù con số có thể nhảy xung quanh một chút trong khi bạn đo, nhưng những con số này cho bạn biết điện trở của dây là bao nhiêu khi nó ở trạng thái nghỉ. Theo dự đoán tốt nhất của bạn, hãy viết ra điện trở lúc nghỉ của dây, sau đó làm tròn nó đến bội số gần nhất của 10. (tức là: 239 = 240, 183 = 180)

Bây giờ, hãy cẩn thận để cố định các đầu dò vạn năng bằng một tay, hãy sử dụng tay kia của bạn để kéo nhẹ dây lên. Bạn chỉ có thể kéo căng phần này cho đến khi nó dài khoảng 50% -70% so với chiều dài ban đầu, vì vậy đừng kéo quá mạnh! Quan sát các giá trị điện trở trên đồng hồ vạn năng của bạn đã thay đổi như thế nào. Hãy buông tay và lặp lại quá trình này một vài lần để xem mức kháng cự đi từ cực tiểu đến cực đại. Khi bạn kéo căng nó ra, lực cản sẽ tăng lên vì các hạt trong cao su bị dịch chuyển ra xa nhau hơn. Khi lực được giải phóng, cao su sẽ co lại, mặc dù phải mất một hoặc hai phút để trở lại chiều dài ban đầu. Do những hạn chế vật lý này, dây co giãn này không phải là một cảm biến tuyến tính thực sự, vì vậy nó không chính xác đến mức đáng kinh ngạc nhưng có nhiều cách để xử lý vấn đề này trong cấu tạo cảm biến của bạn. Kéo căng dây một lần nữa đến mức tối đa và với mỗi đầu của đầu dò vạn năng ở hai bên của dây cao su, hãy ghi giá trị điện trở, làm tròn một lần nữa đến bội số gần nhất của 10.

Bước 4: Công thức Axel Benz

Chúng ta sẽ sử dụng một mạch phân chia điện áp đơn giản để sử dụng điện trở thay đổi của dây căng làm cảm biến hô hấp. Nếu bạn muốn biết thêm về các mạch phân chia điện áp, về cơ bản, đó là một số điện trở mắc nối tiếp có thể biến điện áp lớn thành điện áp nhỏ hơn. Tùy thuộc vào các giá trị của điện trở bạn sử dụng, bạn có thể cắt 5V ra khỏi Arduino của mình thành các phần lớn hơn hoặc nhỏ hơn của chính nó bằng một điện trở kéo xuống, rất hữu ích cho Analog Read. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về toán học đằng sau các mạch phân chia điện áp, hãy xem hướng dẫn tuyệt vời tại Sparkfun.

Mặc dù chúng ta biết rằng giá trị của điện trở đầu tiên trong mạch (cảm biến căng) sẽ có từ thông không đổi, chúng ta cần sử dụng giá trị điện trở thích hợp cho điện trở kéo xuống để có được tín hiệu tốt và đa dạng nhất có thể.

Để bắt đầu, hãy sử dụng công thức Axel Benz:

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

Vì vậy, nếu giá trị tối thiểu của dây căng của bạn là 130ohms và tối đa là 240ohms

Điện trở kéo xuống = squareroot (130 * 240)

Điện trở kéo xuống = squareroot (31200)

Điện trở kéo xuống = 176,635217327

Vì vậy, bây giờ bạn nên xem xét bộ sưu tập điện trở của bạn và tìm ra điện trở trường hợp tốt nhất của bạn "cho đến bây giờ" là gì. Nếu bạn chỉ có một bộ sưu tập các bit và bob ngẫu nhiên, máy tính dải màu điện trở này có thể hữu ích cho bạn. Đánh bóng điện trở này có thể ổn, có thể bạn không có sẵn điện trở hoàn hảo. Trong khi bạn đang sử dụng mạch, bạn có thể thấy rằng bạn phải đổi nó cho một mạch khác, nhưng điều này sẽ mang lại cho bạn một khởi đầu tuyệt vời để bắt đầu chơi.

Cuối cùng, tôi làm tròn số đến bội số gần nhất của 10.

Kéo xuống Điện trở = 180ohms

Bước 5: Chuẩn bị Breadboard của bạn

Sử dụng dây nhảy, kết nối chân 5v của Arduino với thanh nguồn trên bảng mạch của bạn, sau đó kết nối chân GND với thanh nối đất của bảng mạch.

Tôi thích lấy 5V từ Arduino vì điều này đảm bảo rằng bạn không phải lo lắng về việc gửi quá nhiều điện áp đến các chân tương tự. Bạn cũng có thể sử dụng chân điện áp 3v3, nhưng tôi thấy rằng tôi nhận được tín hiệu tốt hơn từ việc sử dụng 5v.

Kết nối điện trở kéo xuống của bạn với mặt đất.

Lấy cả hai kẹp cá sấu của bạn và kẹp chúng vào các đầu cuối ở cả hai bên của dây co giãn có điện trở biến đổi của bạn. Gắn một đầu của các kẹp cá sấu này vào thanh ray 5v. Kết nối kẹp cá sấu khác với một dây trong cấu hình được minh họa trong sơ đồ.

Đảm bảo rằng các đầu “khác” của điện trở kéo xuống và dây căng dẫn điện của bạn đã được kết nối, bây giờ hãy kết nối dây jumper từ chân tương tự (hãy sử dụng A0) với tâm của hai điểm kết nối này.

Cuối cùng, gắn một đèn LED có điện trở 1k vào chân 9 của Arduino của bạn.

Bước 6: Lập trình Arduino của bạn

Lưu ý: Tôi vừa thấy rằng người dùng GitHub Non0Mad đã cải thiện mã của tôi! (Cảm ơn) Hãy thử mã này nếu bạn thích:

Nếu bạn muốn thử cái mà tôi đã tạo, hãy chạy bản phác thảo "RespSensorTest.ino" đính kèm trên Arduino của bạn.

Cẩn thận để không chạm vào phần kim loại tiếp xúc, hãy nhấc hai chiếc kẹp cá sấu lên và kéo căng dây chun. Xem đèn LED mờ dần khi bạn kéo căng. Mở Màn hình nối tiếp của bạn và xem sự thay đổi điện áp tương tự của bạn. Nếu bạn không hài lòng với các giá trị mờ dần hoặc các con số của mình, bạn có thể thử một số cách sau:

1) Hãy thử hoán đổi một giá trị điện trở kéo xuống khác tương tự như giá trị cuối cùng bạn đã sử dụng. Nó có tạo ra sự khác biệt tích cực không? (Đây là cách tốt nhất để làm điều đó)

2) Nếu tất cả những gì bạn thực sự muốn làm là thắp sáng đèn LED, hãy thử nghịch với biến scaleValue để xem liệu bạn có thể tạo ra phạm vi tốt hơn theo cách đó hay không. (Đây có thể là cách dễ nhất để làm điều đó)

Khi bạn đã đủ hài lòng với các con số và ánh sáng đèn LED của mình, đã đến lúc tạo mẫu thử nghiệm để đeo quanh ngực! Tắt Arduino của bạn và tắt nguồn cho breadboard cho bước tiếp theo.

Bước 7: Tạo một dải hô hấp nguyên mẫu

Cách nhanh nhất để tạo một dải băng nguyên mẫu là chỉ cần ghép một thứ gì đó lại với nhau bằng băng keo. Lấy một dải băng keo dài (Khoảng 30”-36” nên che gần hết, nhưng cuối cùng đây chỉ là chu vi của ngực bạn) và gấp nó lại để hai bên dính vào chính nó. Đục lỗ vào hai bên của dải băng keo để nó giống với một chiếc thắt lưng.

Sử dụng vít để cố định các thiết bị đầu cuối vào các lỗ đã đục lỗ mà bạn đã tạo cho cảm biến của mình và kết nối vừa khít đoạn băng keo dài của bạn thành một vòng lặp mà bạn đeo trước ngực. Bạn muốn đảm bảo rằng “thắt lưng” của mình vừa khít với bạn hoặc đám rối thần kinh mặt trời của chủ thể, nhưng hãy đảm bảo rằng có đủ chỗ cho hơi thở đến để kéo căng dây.

Cuối cùng, gắn lại các kẹp cá sấu của bạn và cắm từng jumper từ đầu dây căng dẫn điện trở lại vị trí trong breadboard. Bây giờ chúng tôi đã sẵn sàng để kiểm tra nguyên mẫu!

Bước 8: Thử nghiệm nguyên mẫu

Bật Arduino và chạy bản phác thảo trước đó. Những giá trị tương tự đó hoạt động như thế nào? Bạn có đang nhận được một độ phân giải dữ liệu tốt với hơi thở của bạn không? Đèn LED có độ sáng khác nhau khi bạn hít vào và thở ra không? Nếu không, hãy thử hoán đổi điện trở kéo xuống của bạn cho một giá trị gần đó để xem liệu các giá trị bạn đọc có tốt hơn hay không.

Khi bạn đã ổn định trên điện trở kéo xuống lý tưởng, hãy vui mừng! Mạch của bạn đã hoàn tất, quá trình hô hấp của bạn đang được ghi lại và đèn LED sẽ vui vẻ theo dõi hơi thở của bạn.

Lý tưởng nhất là bạn hoặc ai đó cuối cùng sẽ may một dải băng cho bạn bằng vải tổng hợp không dẫn điện với một chút độ giãn của nó, và thắt lưng một chiếc thắt lưng D-Ring. (Velcro dùng làm dây buộc nhưng đôi khi nó rất lộn xộn với quần áo và áo len.) Bạn có thể khâu an toàn dây dẫn điện vào dây đeo này, trên thực tế, các đầu cuối hình tròn rất thích hợp để buộc chặt vào vải. Đối với một cái gì đó lâu dài hơn một chút so với kẹp cá sấu, bạn có thể chỉ cần hàn một vài sợi dây rất dài nhiều sợi vào đầu của các đầu nối đầu cuối và gắn chúng vào mạch của bạn.