วิธีสร้างเซ็นเซอร์อัตราการไหลของอากาศที่แม่นยำด้วย Arduino สำหรับเครื่องช่วยหายใจ COVID-19 ต่ำกว่า 20 ปอนด์: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

โปรดดูรายงานนี้สำหรับการออกแบบล่าสุดของเซ็นเซอร์วัดการไหลของช่องปาก:

คำแนะนำนี้แสดงวิธีสร้างเซ็นเซอร์วัดอัตราการไหลของอากาศโดยใช้เซ็นเซอร์ความดันแตกต่างต้นทุนต่ำและวัสดุที่หาได้ง่าย การออกแบบมีไว้สำหรับเซ็นเซอร์วัดการไหลของชนิดปาก โดยปาก (ในกรณีของเราคือแหวนรอง) มีข้อจำกัด และเราสามารถคำนวณการไหลโดยการวัดความแตกต่างของแรงดันทั่วทั้งปาก

เดิมทีเราออกแบบและสร้างเซ็นเซอร์นี้สำหรับโครงการของเราชื่อ OpenVent-Bristol ซึ่งเป็นการออกแบบโอเพนซอร์สของเครื่องช่วยหายใจที่ผลิตอย่างรวดเร็วสำหรับการรักษา COVID-19 อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์นี้สามารถใช้ได้กับแอปพลิเคชันการตรวจจับการไหลของอากาศแทบทุกประเภท

เวอร์ชันเริ่มต้นของการออกแบบของเรานี้สร้างขึ้นโดยใช้ชิ้นส่วนที่วางจำหน่ายทั่วไปทั้งหมด ไม่จำเป็นต้องพิมพ์ 3 มิติหรือตัดด้วยเลเซอร์

ภาพวาดที่แนบมาแสดงภาพวาดตัดขวางของการออกแบบ เป็นท่อประปาเพียง 2 ความยาวที่มีวงแหวนรองอยู่ตรงกลาง ซึ่งวัดความดันส่วนต่างทั่วทั้งปากเพื่อคำนวณอัตราการไหล

สนุก!! และให้ความคิดเห็นกับเราหากคุณสร้างของคุณเอง

ขั้นตอนที่ 1: ซื้ออะไหล่

นี่คือชิ้นส่วนที่คุณต้องการ:

• ท่อประปาพีวีซี OD ขนาด 22 มม. 2x15 ซม.
• 1x เครื่องซักผ้าโลหะ ID 5.5 มม. OD รอบ 20 มม. (ระหว่าง 19.5-22 มม. ได้)

• เซ็นเซอร์ความดันแตกต่าง (ประมาณ 10 ปอนด์) เราใช้ MPX5010DP แต่คุณอาจต้องการเลือกอันอื่นเพื่อให้เหมาะกับแรงกดดันในระบบของคุณ ตัวอย่างร้านค้าบางร้านที่ขายเซ็นเซอร์เหล่านี้มีดังต่อไปนี้:

  • uk.rs-online.com/web/p/pressure-sensors/71…
  • www.digigiy.co.uk/product-detail/en/nxp-us…
  • www.mouser.co.uk/ProductDetail/NXP-Semicon…
• ท่อต๊าปแรงดันที่ตัดให้มีความยาวประมาณ 20 มม.: ท่อแข็ง OD ขนาด 2 มม. ใดๆ ควรเหมาะสม เช่น ท่อทองเหลือง ด้วยความสิ้นหวัง ฉันจึงใช้หัวฉีดสเปรย์จากกระป๋อง WD-40 ใช้งานได้ แต่ซุปเปอร์กาวไม่ติดเก่ง
• ซุปเปอร์กาว
• ท่อซิลิกอน/พีวีซีสำหรับเชื่อมต่อกับพอร์ตแรงดันของเซ็นเซอร์ความดัน ID 2-3 มม. น่าจะใช้ได้ คุณอาจต้องผูกสายเล็ก ๆ ถ้าท่อของคุณมีขนาดใหญ่

คุณอาจต้องการซื้อคอนเนคเตอร์สำหรับท่อ 1 หรือ 2 ตัว หากคุณต้องการติดตั้งท่อเซ็นเซอร์การไหลเข้ากับท่อขนาด 22 มม. อีกอัน:

หมายเหตุ: วัสดุที่เลือกไม่เป็นไปตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ โดยเฉพาะ PVC

ขั้นตอนที่ 2: ตัดท่อประปา

ตัด 2 ความยาวจากท่อประปา เราใช้ความยาว 15 ซม. แต่อาจใช้งานได้สั้นกว่าเล็กน้อย ฉันทำการตัดโดยใช้เครื่องเลื่อยวงเดือนเพราะการได้ทรงสี่เหลี่ยมที่สวยงามเป็นสิ่งสำคัญ ใช้กระดาษทรายขัดเสี้ยนให้เรียบ

ขั้นตอนที่ 3: ประกอบท่อประปา

• ติดกาวเครื่องซักผ้าของคุณจนสุดท่อหนึ่ง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องซักผ้ามีศูนย์กลางที่ท่อ และตรวจดูให้แน่ใจว่าได้ทำลูกปัดกาวอย่างต่อเนื่องรอบวงของเครื่องซักผ้าเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันอากาศจะไม่รั่วไหลออกมา
• จากนั้นติดกาวที่อีกด้านของท่อยาวไปอีกด้านหนึ่งของเครื่องซักผ้า ย้ำอีกครั้งว่าติดกาวให้ทั่วเพื่อไม่ให้อากาศรั่วไหล

ขั้นตอนที่ 4: เพิ่มก๊อกแรงดัน

1. เจาะ 2 รูที่ระยะห่างจากเครื่องซักผ้าตามภาพที่แนบมา
2. ดันแท่ง OD ขนาด 2 มม. เข้าไปในรู ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้พอดี (ท่อของฉันคือ 2.2 OD แต่ดอกสว่านของฉันคือ 2 มม. ดังนั้นฉันจึงเหวี่ยงสว่านเล็กน้อยจนกระทั่งท่อเข้าที่พอดี)
3. อัดกาวท่อเข้าไปในรู ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปิดสนิทแล้ว
4. พันเทปฉนวนไว้รอบๆ ก๊อกแรงดันจนกว่าท่อซิลิกอนจะเข้าที่พอดีและแน่น

ขั้นตอนที่ 5: ทดสอบและปรับเทียบ

เชื่อมต่อเซ็นเซอร์ความดันเข้ากับ Arduino ของคุณและเชื่อมต่อก๊อกแรงดันกับพอร์ตของเซ็นเซอร์ความดัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพินอะนาล็อกทางกายภาพของเซ็นเซอร์ตรงกับพินของซอฟต์แวร์

ทดสอบโดยใช้รหัสที่แนบมา หมายเหตุ จำเป็นต้องใช้ไลบรารีต่อไปนี้:

• Wire.h
• และ Sensirion_SFM3000_arduino (ห้องสมุดนี้มีไว้สำหรับเซ็นเซอร์อื่น แต่ฉันได้ทำการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในรหัสของฉันเพื่อพิจารณาสิ่งนั้น)

ตามหลักการแล้วคุณต้องการสอบเทียบเซ็นเซอร์ของคุณ เราใช้ Sensirion SFM3300 ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับเซ็นเซอร์แบบโฮมเมด การเชื่อมต่อสำหรับ SFM3300 คือ:

• Vcc - 5V
• GND - GND
• SDA - A4
• SCL - A5

ตามหลักการแล้วแหล่งอากาศของคุณสำหรับการทดสอบการสอบเทียบควรให้การไหลคงที่และสามารถควบคุมได้เพื่อให้มีการควบคุมอัตราการไหล เราใช้ปั๊มลมเตียงที่ถูกแฮ็กเพื่อขับเคลื่อนผ่านตัวควบคุมความเร็ว DC แบบแปรงอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมโดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์ หากคุณมีแหล่งจ่ายไฟ DC ที่จะทำงานได้ดีเช่นกัน

รหัสรวมทั้งความสามารถในการอ่านความดันและการไหลจากเซ็นเซอร์ของเรายังสามารถอ่านจาก Sensirion SFM3300 ผ่าน i2c ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ที่เราใช้สำหรับการสอบเทียบ คุณจะต้องปรับรหัสให้เหมาะสมหากคุณมี เซ็นเซอร์สอบเทียบ (ค่อนข้างน่าประหลาดใจที่เซ็นเซอร์ DIY ให้การอ่านที่สม่ำเสมอมากกว่า SFM3300)

โค้ดเวอร์ชันที่ 1 ใช้ตารางค้นหาที่ปรับเทียบแล้วเพื่ออ่านอัตราการไหลเอาต์พุต เราทำสิ่งนี้โดย

• บันทึกความดันจากการกวาดทั้งหมดจากแหล่งอากาศของเรา (เป็นไฟล์.csv)
• นำข้อมูลเข้า excel
• ผ่านสมการเพื่อหาอัตราการไหล
• จากนั้นสร้างตารางค้นหาที่คั่นด้วยเครื่องหมายจุลภาคที่คัดลอก/วางลงในอาร์เรย์จำนวนเต็ม Arduino

เอกสาร excel พร้อมสมการจะถูกเก็บไว้…

รหัสรุ่นที่สองจะใช้สมการในรหัสด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

• เพื่อพิจารณาอุณหภูมิ (ซึ่งจะส่งผลต่อการอ่านอัตราการไหล)
• เพื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงข้อจำกัดด้านปลายน้ำ จะรับรู้ด้วยเซ็นเซอร์ความดันปลายน้ำที่แยกจากกัน

ขั้นตอนที่ 6: ตัวเลือกวิธีการสอบเทียบ Janky ที่เหมาะสม

หากคุณไม่มีเซ็นเซอร์การไหลที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อสอบเทียบ เช่น Sensirion SFM3300 นี่เป็นวิธีหนึ่งที่จะได้แนวคิดคร่าวๆ เกี่ยวกับเอาต์พุตการไหล อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จะใช้ได้เฉพาะกับแหล่งไหลแรงดันสูงเท่านั้น (แม้แต่ปั๊มลมเตียงก็อาจพยายามสูบลมบอลลูน) และจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อคุณสามารถเปิดการจ่ายอากาศซ้ำๆ ได้

• ติดบอลลูนเข้ากับเอาต์พุตของระบบและวัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่พองในแต่ละอัตราเงินเฟ้อ
• เติมน้ำในเหยือกวัด (อาจจะประมาณครึ่งทาง)
• เติมลมลูกโป่งของคุณให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน จากนั้นจุ่มลงในเหยือกน้ำของคุณจนสุด และบันทึกความแตกต่างของระดับน้ำก่อนและหลังใส่บอลลูน
• ถัดไป คุณจะต้องวัดปริมาตรต่อบอลลูนในโค้ดของคุณ ซึ่งทำได้โดยการรวมโฟลว์เมื่อเวลาผ่านไป ฉันไม่สามารถให้รหัสที่แน่นอนแก่คุณได้สำหรับการทำเช่นนี้เพราะมันจะต้องแตกต่างกันขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของโฟลว์ของคุณและวิธีที่โค้ดของคุณจะรับรู้การเริ่มต้นและหยุดของโฟลว์ แต่ฉันได้แนบฟังก์ชันในไฟล์ข้อความที่จะออกมา คุณเพียงแค่ต้องบอกว่าเมื่อใดควรเริ่มและหยุดการคำนวณปริมาตร (เช่น สำหรับการทดสอบของเรา นี่คือจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการหายใจแต่ละครั้ง) ซึ่งจะระบุฟังก์ชันผ่านตัวแปรบูลีนที่เรียกว่า "breathStatus" อย่าลืมส่งอัตราการไหลในหน่วย ml/s ไปยังฟังก์ชันนั้นเมื่อคุณเรียกใช้

ขั้นตอนที่ 7: รวมเข้ากับระบบของคุณ

เสียบเข้ากับการตั้งค่าของคุณไม่ว่ามันจะเป็นอะไร และเพลิดเพลินไปกับการวัดอัตราการไหลในราคาต่ำกว่า 15 ปอนด์:)

แนบเป็นภาพตัวอย่างการไหล ความดัน และปริมาตรบางส่วนจากการใช้เครื่องช่วยหายใจของเรา

ข้อต่อท่อประปาแบบตรงเหมาะสำหรับการต่อเซ็นเซอร์นี้กับท่อ OD ขนาด 22 มม. อีกอันหนึ่ง