เซ็นเซอร์ช่วยหายใจแบบเข็มขัดพื้นฐาน: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ในโลกของ biosensing มีหลายวิธีในการวัดการหายใจ คุณสามารถใช้เทอร์มิสเตอร์วัดอุณหภูมิรอบๆ รูจมูก แต่บางทีคุณอาจไม่ต้องการมีอุปกรณ์แปลก ๆ ผูกติดกับจมูกของคุณ คุณยังสามารถติดมาตรความเร่งกับเข็มขัดที่เลื่อนขึ้นและลงได้ แต่ตัวแบบน่าจะนอนราบหรือไม่เคลื่อนไหวอย่างอื่น แม้ว่าเซ็นเซอร์ช่วยหายใจแบบแถบคาดศีรษะแบบยืดหยุ่นพื้นฐานนี้มีข้อเสีย (การตอบสนองของสัญญาณไม่แม่นยำเท่ากับวิธีอื่นๆ) แต่ก็เป็นการดีหากตัวแบบของคุณเพียงแค่ต้องการรัดและทำทุกอย่างที่ต้องการในขณะที่หายใจ กำลังถูกวัด ต่อไปนี้คือตัวอย่างเซ็นเซอร์ระบบหายใจพื้นฐานซึ่งมีไว้เพื่อให้อยู่ภายในเข็มขัดนิรภัยแบบยืดหยุ่นที่คุณคาดไว้รอบหน้าอก เมื่อหน้าอกที่เป็นปัญหาขยายและหดตัวผ่านการหายใจเข้าไปในปอด ความต้านทานของสายยางยืดได้จะเปลี่ยนไป ด้วยการใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงไม่กี่ชิ้น เราสามารถแปลสิ่งนี้เป็นสัญญาณแอนะล็อกที่ Arduino ของคุณอ่านสดได้ ทำได้โดยใช้เวทมนตร์ของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นและง่ายต่อการเรียนรู้

คำเตือน: ก่อนที่เราจะเริ่ม คุณควรรู้ว่าอุปกรณ์ตรวจวัดทางชีวภาพที่ไม่ได้รับการทดสอบและไม่เสถียรนั้นมีความเสี่ยงที่จะเกิดอันตรายเสมอ! โปรดทดสอบและสร้างวงจรนี้ด้วยแหล่งพลังงานแบตเตอรี่ - ฉันจะทำทุกอย่างเพื่อแสดงให้คุณเห็นถึงวิธีการสร้างวงจรนี้เพื่อให้แน่ใจว่าคุณจะไม่ได้รับอันตราย แต่ฉันจะไม่รับผิดชอบต่ออุบัติเหตุที่อาจเกิดขึ้น ใช้สามัญสำนึกและทดสอบวงจรของคุณด้วยมัลติมิเตอร์เสมอก่อนที่จะรัดอะไรไว้บนหน้าอกของคุณ

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งที่คุณต้องการ

1) ไมโครคอนโทรลเลอร์ใดๆ ที่มีอินพุตแบบอะนาล็อกจะใช้งานได้ แต่ในตัวอย่างนี้ ฉันจะใช้ Arduino Uno หากคุณต้องการ คุณสามารถหาซื้อได้จาก Adafruit หรือ Sparkfun

2) สายยางนำไฟฟ้า สายไฟที่น่าทึ่งนี้จะทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานปรับค่าได้ และจะเปลี่ยนความต้านทานเมื่อยืดออกหรือคลายออก มีจำหน่ายที่ Adafruit หรือ Robotshop มีความยาวที่หลากหลายพร้อมปลายโลหะที่ติดไว้ล่วงหน้า

3) มัลติมิเตอร์

4) LED

5) ตัวต้านทาน 1K

6) ตัวต้านทานแบบดึงลง (เราจะหาค่าของสิ่งนี้ในภายหลัง!)

7) เทปพันท่อ

8) ที่เจาะรูหรือกรรไกร

9) สายจัมเปอร์

10) เขียงหั่นขนม

11) 2 คลิปจระเข้

โปรดทราบว่าเช่นเดียวกับอุปกรณ์ไบโอเซนเซอร์ทั้งหมด โครงการนี้จะปลอดภัยที่สุดหาก Arduino ของคุณใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

เพื่อให้โครงการนี้เสร็จสมบูรณ์ คุณอาจต้อง:

· หัวแร้งและหัวแร้ง

· ปืนกาวร้อน

· ลวดสนิป

· คีมปอกสายไฟ

· ช่วยด้วย

· ตัวรอง เครื่องมือย้ำ หรือคีมคู่ใหญ่

· ขั้วต่อแบบวงแหวน 2 ตัวขึ้นไป

ขั้นตอนที่ 2: ตัดสายไฟและต่อขั้วต่อที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

แม้ว่าคุณจะใช้สายยางที่มีความยาวเท่าใดก็ได้ตั้งแต่ 2”-8” สำหรับการทดลองนี้ แต่สายยางที่สั้นกว่านั้นมีราคาถูกกว่าและคุณไม่จำเป็นต้องใช้สายยางจำนวนมากเพื่อทำงานให้เสร็จ ถ้าคุณซื้อยางแบบยาวมา ผมแนะนำให้ตัดให้ยาว 4 นิ้ว ตัดความยาวนี้แล้วเตรียมติดปลายตัวนำไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองข้าง

นำขั้วต่อเทอร์มินัล ดังภาพด้านบน และติดปลายสายยางนำไฟฟ้าด้านหนึ่งเข้าที่ปลายขั้วต่อเทอร์มินัลตัวใดตัวหนึ่ง แล้วขันปลายเข้าด้วยกัน คุณสามารถใช้คีมหนีบหรือปลายคีมปอกสายไฟก็ได้ แต่ระวังอย่าบีบขั้วแน่นเกินไป มิฉะนั้น ยางจะหักหรือขาด! หากคุณสามารถทำเช่นนี้ได้ และสายไฟขาด ให้ลองอีกครั้งโดยใช้ขั้วต่อเทอร์มินัลอื่น คุณยังควรมีความยาวมากพอที่จะบรรลุผลสำเร็จนี้ หากสั้นกว่า 2” คุณควรลองอีกครั้งด้วยความยาว 4” ใหม่ ไม่ต้องกังวลคุณจะได้รับ! เมื่อคุณทำสิ่งนี้สำเร็จในด้านหนึ่ง ยอดเยี่ยม! ทำซ้ำในอีกด้านหนึ่ง ตอนนี้คุณทำเสร็จแล้ว!

ตอนนี้คุณมีสายยางนำไฟฟ้าพร้อมขั้วต่อที่เหมาะสมที่ปลายแต่ละด้าน ลองวัดว่าสายนี้มีช่วงใดบ้างด้วยมัลติมิเตอร์

ขั้นตอนที่ 3: วัดความต้านทานของคุณ

หมุนแป้นหมุนของมัลติมิเตอร์ไปที่สัญลักษณ์โอห์ม (Ω) แล้วติดทั้งปลายสีแดงและสีดำของมัลติมิเตอร์ไว้ที่ด้านใดด้านหนึ่งของสายนำไฟฟ้า

หากคุณยังไม่แน่ใจว่าจะใช้มัลติมิเตอร์ของคุณอย่างไร คุณสามารถเพิ่มความสดชื่นด้วยบทช่วยสอนนี้จาก Lady Ada

แม้ว่าตัวเลขอาจกระโดดไปมาเล็กน้อยในขณะที่คุณกำลังวัด แต่ตัวเลขเหล่านี้ช่วยให้คุณทราบได้ว่าความต้านทานของสายไฟอยู่ที่เท่าไรเมื่อพัก คาดเดาให้ดีที่สุด จดความต้านทานขณะพักของสาย จากนั้นปัดให้เป็นทวีคูณที่ใกล้ที่สุดของ 10 (เช่น: 239 = 240, 183 = 180)

ตอนนี้ ระมัดระวังในการยึดหัววัดมัลติมิเตอร์ให้เข้าที่ด้วยมือข้างหนึ่ง ใช้มืออีกข้างค่อยๆ ดึงสายขึ้น คุณสามารถยืดสิ่งนี้ได้จนกว่าจะมีความยาวประมาณ 50%-70% ของความยาวดั้งเดิม ดังนั้นอย่าดึงแรงเกินไป! สังเกตว่าค่าความต้านทานบนมัลติมิเตอร์ของคุณเปลี่ยนไปอย่างไร ปล่อยวาง และทำซ้ำขั้นตอนนี้สองสามครั้งเพื่อดูแนวต้านที่เพิ่มจากต่ำสุดไปสูงสุด เมื่อคุณยืดออก ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากอนุภาคในยางจะเคลื่อนออกจากกันมากขึ้น เมื่อแรงถูกปลดปล่อย ยางจะหดตัวกลับ แม้ว่าจะใช้เวลาหนึ่งหรือสองนาทีในการเปลี่ยนกลับเป็นความยาวเดิม เนื่องจากข้อจำกัดทางกายภาพเหล่านี้ สายที่ยืดได้นี้จึงไม่ใช่เซ็นเซอร์เชิงเส้นอย่างแท้จริง จึงไม่แม่นยำอย่างน่าอัศจรรย์ แต่มีวิธีการทำงานนี้ในการสร้างเซ็นเซอร์ของคุณ ยืดสายอีกครั้งจนสุด และเมื่อปลายแต่ละด้านของโพรบมัลติมิเตอร์เข้าที่ที่ด้านใดด้านหนึ่งของสายยางของคุณ ให้จดค่าความต้านทาน ปัดเศษอีกครั้งให้เป็นทวีคูณที่ใกล้ที่สุดของ 10

ขั้นตอนที่ 4: สูตร Axel Benz

เราจะใช้วงจรแบ่งแรงดันอย่างง่ายเพื่อใช้ความต้านทานผันแปรของสายยืดเป็นเซ็นเซอร์การหายใจ หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า โดยทั่วไปจะเป็นตัวต้านทานสองสามตัวในอนุกรมที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ให้มีขนาดเล็กลง ขึ้นอยู่กับค่าของตัวต้านทานที่คุณใช้ คุณสามารถตัด 5V ของคุณออกจาก Arduino ของคุณเป็นส่วนที่ใหญ่ขึ้นหรือเล็กลงด้วยตัวต้านทานแบบดึงลง ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการอ่านแบบอะนาล็อก หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคณิตศาสตร์เบื้องหลังวงจรการแบ่งแรงดัน ให้ดูบทแนะนำที่ยอดเยี่ยมที่ Sparkfun

ในขณะที่เรารู้ว่าค่าของตัวต้านทานตัวแรกในวงจร (เซ็นเซอร์การยืด) จะเป็นฟลักซ์คงที่ เราจำเป็นต้องใช้ค่าความต้านทานที่เหมาะสมสำหรับตัวต้านทานแบบดึงลงเพื่อให้ได้สัญญาณที่ดีและหลากหลายที่สุด.

ในการเริ่มต้น ใช้สูตรของ Axel Benz:

ตัวต้านทานแบบดึงลง = สแควร์รูท (Rmin * Rmax)

ดังนั้นหากค่าต่ำสุดของสายยืดของคุณคือ 130 โอห์ม และค่าสูงสุดคือ 240 โอห์ม

ตัวต้านทานแบบดึงลง = สแควร์รูท (130*240)

ตัวต้านทานแบบดึงลง = สแควร์รูท (31200)

ตัวต้านทานแบบดึงลง = 176.635217327

ดังนั้นตอนนี้คุณควรดูที่คอลเลคชันตัวต้านทานของคุณและหาว่าตัวต้านทานกรณีที่ดีที่สุดของคุณ "สำหรับตอนนี้" คืออะไร หากคุณมีคอลเล็กชั่นบิตและบ็อบสุ่ม เครื่องคิดเลขแถบสีตัวต้านทานนี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับคุณ Ballparking ตัวต้านทานนี้สามารถ ok คุณอาจไม่มีตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบในมือ ขณะที่คุณกำลังใช้วงจร คุณอาจพบว่าคุณต้องสลับไปใช้วงจรอื่นอยู่ดี แต่นี่จะทำให้คุณเริ่มต้นได้อย่างยอดเยี่ยมในการเริ่มเล่น

สุดท้าย ฉันปัดเศษตัวเลขให้เป็นทวีคูณที่ใกล้ที่สุดของ 10

ตัวต้านทานแบบดึงลง = 180 โอห์ม

ขั้นตอนที่ 5: เตรียมเขียงหั่นขนมของคุณ

ใช้สายจัมเปอร์เชื่อมต่อพิน 5v ของ Arduino กับรางจ่ายไฟบนเขียงหั่นขนมของคุณ จากนั้นเชื่อมต่อพิน GND กับรางกราวด์ของเขียงหั่นขนมของคุณ

ฉันชอบวาด 5V จาก Arduino เพราะสิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าคุณไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการส่งแรงดันไฟฟ้าไปที่พินอะนาล็อกมากเกินไป คุณสามารถใช้พินแรงดัน 3v3 ได้ แต่ฉันพบว่าฉันรับสัญญาณได้ดีกว่าจากการใช้ 5v

เชื่อมต่อตัวต้านทานแบบดึงลงกับกราวด์

นำคลิปหนีบปากจระเข้ทั้งสองอันของคุณแล้วหนีบเข้ากับขั้วต่อที่ทั้งสองด้านของสายยางยืดต้านทานแบบปรับได้ ติดปลายด้านหนึ่งของคลิปจระเข้เหล่านี้เข้ากับราง 5v เชื่อมต่อคลิปจระเข้อีกอันเข้ากับลวดในโครงร่างที่แสดงในไดอะแกรม

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปลายด้านอื่น ๆ ของตัวต้านทานแบบดึงลงและสายยืดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของคุณเชื่อมต่อกันแล้ว ตอนนี้ให้ต่อสายจัมเปอร์จากพินอะนาล็อก (ลองใช้ A0) กับศูนย์กลางของจุดเชื่อมต่อทั้งสองนี้

สุดท้ายติด LED ที่มีตัวต้านทาน 1k เพื่อพิน 9 ของ Arduino ของคุณ

ขั้นตอนที่ 6: ตั้งโปรแกรม Arduino. ของคุณ

หมายเหตุ: ฉันเพิ่งเห็นว่าผู้ใช้ GitHub Non0Mad ได้ปรับปรุงโค้ดของฉันแล้ว! (ขอบคุณ) ลองใช้รหัสนี้หากต้องการ:

หากคุณต้องการลองใช้แบบที่ฉันทำขึ้น ให้รันภาพร่าง "RespSensorTest.ino" ที่แนบมากับ Arduino ของคุณ

ระวังอย่าแตะต้องโลหะที่เปิดอยู่ ให้หยิบคลิปจระเข้สองตัวแล้วยืดแถบยาง ดูไฟ LED จางเข้าและออกในขณะที่คุณยืดออก เปิด Serial Monitor ของคุณขึ้นมา และดูการเปลี่ยนแปลงของแรงดันอนาล็อกของคุณ หากคุณไม่พอใจกับค่าที่จางลงหรือตัวเลขของคุณ คุณสามารถลองทำสิ่งต่อไปนี้:

1) ลองสลับค่าตัวต้านทานแบบดึงลงอื่นที่คล้ายกับค่าสุดท้ายที่คุณใช้ มันสร้างความแตกต่างในเชิงบวกหรือไม่? (นี่คือวิธีที่ดีที่สุดที่จะทำ)

2) ถ้าสิ่งที่คุณต้องการทำคือจุดไฟ LED จริงๆ ให้ลองเล่นซอกับตัวแปร scaleValue เพื่อดูว่าคุณสามารถสร้างช่วงที่ดีขึ้นด้วยวิธีนี้หรือไม่ (วิธีนี้อาจเป็นวิธีที่ง่ายที่สุด)

เมื่อคุณพอใจกับตัวเลขและไฟ LED มากพอแล้ว ก็ถึงเวลาสร้างแบบจำลองสำหรับสวมรอบหน้าอกของคุณ! ปิด Arduino ของคุณและปิดการใช้งานพลังงานไปยังเขียงหั่นขนมสำหรับขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่ 7: สร้างวงหายใจต้นแบบ

วิธีที่รวดเร็วที่สุดในการสร้างสายรัดต้นแบบคือการจิ๊กบางอย่างร่วมกับเทปพันสายไฟ ใช้เทปพันสายไฟยาวๆ (ส่วนใหญ่ควรปิดไว้ประมาณ 30”-36” แต่สุดท้ายนี่เป็นเพียงเส้นรอบวงหน้าอกของคุณ) แล้วพับให้ด้านที่เหนียวเหนอะหนะเกาะติดแน่น เจาะรูที่ด้านใดด้านหนึ่งของแถบเทปพันสายไฟ ให้ดูเหมือนเข็มขัด

ใช้สกรูยึดขั้วเข้ากับรูเจาะที่คุณทำไว้สำหรับเซ็นเซอร์ของคุณ และติดเทปพันสายไฟยาวเข้ากับห่วงที่คุณสวมพาดหน้าอก คุณต้องการให้แน่ใจว่า "เข็มขัด" ของคุณพอดีพอดีตัวคุณหรือช่องท้องแสงอาทิตย์ของวัตถุ แต่ต้องแน่ใจว่ามีพื้นที่เพียงพอสำหรับการหายใจเข้าเพื่อยืดสาย

สุดท้าย ติดคลิปจระเข้ของคุณกลับเข้าที่ แล้วเสียบจัมเปอร์แต่ละตัวจากปลายสายยืดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ากลับเข้าที่ในเขียงหั่นขนม ตอนนี้เราพร้อมที่จะทดสอบต้นแบบแล้ว!

ขั้นตอนที่ 8: ทดสอบต้นแบบ

เปิด Arduino และเรียกใช้ภาพร่างก่อนหน้าอีกครั้ง ค่าแอนะล็อกเหล่านั้นเป็นอย่างไร? คุณได้รับความละเอียดของข้อมูลที่ดีด้วยลมหายใจของคุณหรือไม่? LED มีความแปรปรวนของแสงที่ดีเมื่อคุณหายใจเข้าและออกหรือไม่? หากไม่เป็นเช่นนั้น ให้ลองเปลี่ยนตัวต้านทานแบบดึงลงเพื่อหาค่าใกล้เคียงเพื่อดูว่าค่าที่คุณอ่านดีขึ้นหรือไม่

เมื่อคุณเลือกใช้ตัวต้านทานแบบเลื่อนลงในอุดมคติได้แล้ว จงชื่นชมยินดี! วงจรของคุณเสร็จสมบูรณ์ การหายใจของคุณกำลังถูกบันทึก และไฟ LED จะติดตามลมหายใจของคุณอย่างมีความสุข

ตามหลักแล้ว คุณหรือคนอื่นจะเย็บสายรัดให้คุณจากผ้าใยสังเคราะห์ที่ไม่นำไฟฟ้าโดยให้ยืดได้เล็กน้อย และเข็มขัด D-Ring เพื่อกระชับ (สายรัดเวลโครใช้ได้ แต่บางครั้งมันก็เลอะเทอะกับเสื้อผ้าและเสื้อกันหนาว) คุณสามารถเย็บสายนำไฟฟ้าเข้ากับแถบนี้ได้อย่างปลอดภัย อันที่จริง ขั้วต่อแบบวงกลมนั้นยอดเยี่ยมในการผูกกับผ้า สำหรับบางสิ่งที่ถาวรกว่าคลิปจระเข้เล็กน้อย คุณอาจต้องการบัดกรีสายไฟหลายเส้นที่ยาวมากสองสามเส้นเข้ากับปลายขั้วต่อเทอร์มินัลแล้วต่อเข้ากับวงจรของคุณ