Basic Belt Respiration Sensor: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

I biosensingvärlden finns det många sätt att mäta andning. Man kan använda en termistor för att mäta temperaturen runt näsborren, men då kanske man inte vill ha ett konstigt redskap fastspänt på näsan. Man kan också fästa en accelerometer på ett bälte som rör sig upp och ner, men motivet borde förmodligen ligga eller inte på annat sätt röra sig. Även om denna grundläggande, flexibla bandbältesandningssensor har sina nackdelar (signalresponsen är inte lika exakt som andra metoder), är den bra om ditt motiv bara vill spänna fast och göra vad det är som de vill göra medan de andas mäts. Här är ett exempel på en grundläggande andningssensor, som är avsedd att leva inuti ett flexibelt bälte som du spänner runt ett bröst. När bröstet i fråga expanderar och dras ihop genom andningsluft in i lungorna, förändras motståndet hos en införlivad bit av töjbar gummisnöre. Med bara några fler komponenter kan vi översätta detta till en analog signal som läses live av din Arduino. Detta görs genom magin i den mycket viktiga och lättlästa spänningsdelarkretsen.

VARNING: Innan vi börjar bör du veta att otestad och instabil biosensoreringsutrustning alltid innehåller en risk för fara! Testa och skapa denna krets med en batterikälla. Jag kommer att göra allt för att visa dig hur du gör den här kretsen för att se till att du inte skadas, men jag tar inget ansvar för olyckor som kan inträffa. Använd sunt förnuft och testa alltid din krets med en multimeter innan du sätter fast något på bröstet.

Steg 1: VAD DU BEHÖVER

1) Alla mikrokontroller med en analog ingång fungerar, men i det här exemplet kommer jag att använda en Arduino Uno. Om du behöver en kan du få den från Adafruit eller Sparkfun.

2) Ledande gummisnod. Denna fantastiska sladd kommer att fungera som ett variabelt motstånd och kommer att förändras i motstånd när den sträcks eller släpps. Finns från Adafruit, eller Robotshop har en mängd olika längder med förmonterade metalländar

3) En multimeter

4) En LED

5) Ett 1K -motstånd

6) Ett neddragningsmotstånd (vi kommer att ta reda på vad värdet av detta är senare!)

7) Tejp

8) Ett hålslag eller en sax

9) Bygeltrådar

10) En brödbräda

11) 2 Alligatorklämmor

Observera att som med all biosensingsutrustning är detta projekt säkrast om din Arduino drivs från batterier.

För att slutföra projektet kan du också behöva:

· Lödkolv och löd

· Lim pistol

· Trådklipp

· Wire stripper

· Hjälpande händer

· Skruvstycke, pressverktyg eller en stor tång

· 2 eller fler ringade krympterminaler

Steg 2: Klipp av sladden och fäst ledande terminaler

Även om du kan använda valfri längd av gummisnod från 2”-8” för detta experiment, är kortare gummilängder billigare och du behöver faktiskt inte en super stor mängd för att få jobbet gjort. Om du köpte en lång gummilängd skulle jag rekommendera att klippa en 4”längd. Klipp den här längden och gör dig redo att fästa en ledande ände i båda ändarna.

Ta en anslutningskontakt, till exempel en av dem på bilden ovan, och stick fast den ena änden av den ledande gummislangen inuti änden på en av dina kontaktdon och krympa änden ihop. Du kan använda antingen en skruvstycke eller ändarna på dina trådavlägsnare för att göra detta, men var försiktig så att du inte klämmer fast terminalen för hårt så att du inte klämmer eller skär av ditt gummi! Om du lyckas göra detta och sladden går av, försök igen med en annan anslutning. Du borde fortfarande ha gott om längd för att uppnå denna prestation. Om det blir kortare än 2”bör du förmodligen bara försöka igen med en ny 4” längd. Oroa dig inte, du får det! När du väl har uppnått detta på ena sidan, lysande! Upprepa på andra sidan. Nu är du klar!

Nu har du en ledande gummisnod med en lämplig terminal i varje ände. Låt oss mäta vilka avstånden på denna sladd är med en multimeter.

Steg 3: Mät ditt motstånd

Vrid multimeterskivan till ohm -symbolen (Ω) och sätt fast både den röda och den svarta änden av multimetern på vardera sidan av din ledande sladd.

Om du inte är säker på hur du använder din multimeter ännu kan du fräscha upp dig med denna handledning från Lady Ada.

Även om antalet kan hoppa runt lite medan du mäter det, ger dessa siffror dig en uppfattning om hur mycket sladden är när den är i vila. Antag din bästa gissning, skriv ner sladdens vilomotstånd och runda den sedan till närmaste multipel av 10. (dvs: 239 = 240, 183 = 180)

Var försiktig med att fixa multimeterproberna på plats med ena handen, använd den andra handen för att försiktigt dra upp sladden. Du kan bara sträcka ut det här tills det är ungefär 50% -70% av sin ursprungliga längd, så dra inte för hårt! Observera hur motståndsvärdena på din multimeter har förändrats. Släpp taget och upprepa denna process ett par gånger för att se hur motståndet går från sitt minimum till det maximala. När du sträcker ut det ökar motståndet eftersom partiklarna i gummit flyttas längre isär. När kraften släpps kommer gummit att krympa tillbaka, även om det tar en minut eller två att återgå till sin ursprungliga längd. På grund av dessa fysiska begränsningar är denna stretchiga sladd inte en sann linjär sensor, så den är inte otroligt exakt men det finns sätt att arbeta med detta i konstruktionen av din sensor. Sträck ut sladden en gång till maximalt, och med varje ände av multimeterproberna på plats på vardera sidan av din gummisnod, skriv ner motståndsvärdet, avrundat ytterligare en gång till närmaste multipel av 10.

Steg 4: Axel Benz Formula

Vi kommer att använda en enkel spänningsdelningskrets för att använda sträckningsslingans variabla motstånd som en andningssensor. Om du vill veta mer om spänningsdelande kretsar är det i princip några motstånd i serie som gör en stor spänning till en mindre. Beroende på värdena på motstånden du använder kan du hugga ut din 5V från din Arduino till större eller mindre delar av sig själv med ett neddragbart motstånd, vilket är användbart för Analog Read. Om du vill lära dig mer om matematiken bakom spänningsdelningskretsar, ta en titt på den utmärkta handledningen på Sparkfun.

Medan vi vet att värdet på det första motståndet i kretsen (sträckningssensorn) kommer att vara i konstant flöde, måste vi använda ett korrekt motståndsvärde för neddragningsmotståndet för att få en så fin och varierad signal som möjligt.

Använd Axel Benz -formeln för att börja:

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

Så om minsta värdet på din sträckningssladd är 130 ohm och max är 240 ohm

Pull-Down Resistor = squareroot (130*240)

Pull-Down Resistor = squareroot (31200)

Neddragningsmotstånd = 176.635217327

Så nu borde du titta på din resistorsamling och ta reda på vad ditt bästa fallmotstånd "för nu" är. Om du bara har en samling slumpmässiga bitar och bobbar kan denna resistorns färgbandskalkylator vara till hjälp för dig. Att parkera detta motstånd kan vara ok, du har förmodligen inte det perfekta motståndet till hands. Medan du använder kretsen kan du upptäcka att du måste byta ut den mot en annan i alla fall, men det här kommer att ge dig en bra start att börja spela.

Slutligen avrundar jag talet till närmaste multipel av 10.

Dra ned motstånd = 180 ohm

Steg 5: Förbered din brödbräda

Med hjälp av bygelkablar ansluter du 5v -stiftet på Arduino till din kraftskena på ditt brödbräda och ansluter sedan en GND -stift till markskenan på ditt brödbräda.

Jag gillar att dra 5V från Arduino eftersom detta säkerställer att du inte behöver oroa dig för att skicka för mycket spänning till de analoga stiften. Du kan också använda 3v3 spänningsstiftet, men jag tycker att jag får en bättre signal från att använda 5v.

Anslut ditt neddragningsmotstånd till jord.

Ta båda dina krokodilklämmor och fäst dem på terminalerna på båda sidor av din elastiska sladd med variabelt motstånd. Fäst ena änden av dessa krokodilklämmor på 5v -skenan. Anslut den andra krokodilklämman till en ledning i konfigurationen som visas i diagrammen.

Se till att de "andra" ändarna på ditt neddragningsmotstånd och din ledande sträckkabel är anslutna, anslut nu en bygelkabel från en analog stift (låt oss använda A0) till mitten av dessa två anslutningspunkter.

Slutligen, fäst en LED med ett 1k motstånd till stift 9 på din Arduino.

Steg 6: Programmera din Arduino

Obs! Jag såg just att GitHub -användare Non0Mad har förbättrat min kod! (Tack) Prova den här koden om du föredrar:

Om du hellre vill prova den jag gjorde, kör den bifogade "RespSensorTest.ino" -skissen på din Arduino.

Var försiktig så att du inte vidrör den exponerade metallen, ta upp dina två krokodilklämmor och sträck ut gummibandet. Se hur lysdioden bleknar in och ut när du sträcker dig. Öppna din seriella bildskärm och se hur din analoga spänning ändras. Om du inte är nöjd med de blekande värdena eller dina siffror kan du prova några saker:

1) Försök att byta ut ett annat neddragningsmotståndsvärde som liknar det senaste du använde. Gör det någon positiv skillnad? (Detta är det bästa sättet att göra det)

2) Om allt du verkligen vill göra är att tända lysdioden, prova att fela med variabeln scaleValue för att se om du kan producera bättre intervall på det sättet. (Detta kan vara det enklaste sättet att göra det)

När du väl är nöjd med dina siffror och LED -sken, är det dags att prototypera en modell för att bära runt bröstet! Stäng av din Arduino och inaktivera strömmen till panelen för nästa steg.

Steg 7: Gör ett prototypandningsband

Det snabbaste sättet att göra ett prototypband är att bara jigga ihop något med gaffatejp. Ta en lång remsa av tejp (cirka 30”-36” ska täcka de flesta, men i slutändan är det bara bröstets omkrets) och vik den så att de klibbiga sidorna fastnar i sig själva. Stansa hål i vardera sidan av din tejpremsa så att det liknar ett bälte.

Använd skruvar för att fästa terminalerna i de hålslagna hålen som du gjorde för din sensor och anslut noga din långa tejpbit till en ögla som du bär över bröstet. Du vill se till att ditt "bälte" sitter ganska tätt över dig eller motivets solar plexus, men se till att det finns tillräckligt med utrymme för inkommande andetag för att sträcka sladden.

Slutligen, fäst dina krokodilklämmor igen och sätt i var och en av hopparna från slutet av den ledande sträckkabeln på plats i brödbrädet. Vi är nu redo att testa prototypen!

Steg 8: Testa prototypen

Slå på Arduino och kör den tidigare skissen igen. Hur mår de analoga värdena? Får du en bra upplösning av data med dina andetag? Har lysdioden en bra variation av ljus när du andas in och ut? Om inte, försök byta ut ditt neddragningsmotstånd för ett närliggande värde för att se om de värden du läser blir bättre.

När du har bestämt dig för det perfekta neddragningsmotståndet, gläd dig! Din krets är klar, din andning registreras och lysdioden följer gärna ditt andetag.

Helst kommer du eller någon annan att så småningom sy ett band till dig av icke-ledande syntetmaterial med lite stretch i sig själv och ett D-Ring-bälte för att dra åt. (Kardborrband är ok som fästelement men det är totalt rörigt med kläder och tröjor ibland.) Du kan säkert sy den ledande sladden i detta band, faktiskt är de cirkulära terminalerna bra att fästa på ett tyg. För något som är lite mer permanent än krokodilklämmor, kanske du helt enkelt vill löda några mycket långa flertrådiga trådar till ändarna på terminalanslutningarna och fästa dessa på din krets.