Sensor de respiração de cinto básico: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

No mundo do biossensor, existem muitas maneiras de medir a respiração. Pode-se usar um termistor para medir a temperatura ao redor da narina, mas talvez você não queira um instrumento estranho preso ao nariz. Pode-se também prender um acelerômetro a um cinto que se move para cima e para baixo, mas o sujeito provavelmente deve estar deitado ou não se movendo. Embora este sensor de respiração por correia flexível e básico tenha suas desvantagens (a resposta do sinal não é tão precisa quanto os outros métodos), é bom se o assunto apenas quiser se amarrar e fazer o que quer que queira fazer enquanto respira está sendo medido. Aqui está um exemplo de um sensor de respiração básico, que se destina a viver dentro de um cinto flexível que você amarra em torno de um peito. Quando o tórax em questão se expande e se contrai através da respiração de ar para os pulmões, a resistência de um pedaço incorporado de cordão de borracha extensível muda. Usando apenas mais alguns componentes, podemos traduzir isso em um sinal analógico lido ao vivo por seu Arduino. Isso é feito através da magia do circuito divisor de tensão essencial e fácil de aprender.

AVISO: antes de começar, você deve saber que equipamentos de biossensor não testados e instáveis sempre apresentam risco de perigo! Teste e crie este circuito com uma fonte de energia de bateria. Farei tudo para mostrar a você como fazer este circuito para garantir que você não seja ferido, mas não assumo nenhuma responsabilidade por acidentes que possam ocorrer. Use o bom senso e sempre teste seu circuito com um multímetro antes de prender qualquer coisa em seu peito.

Etapa 1: O QUE VOCÊ PRECISA

1) Qualquer microcontrolador com entrada analógica funcionará, mas neste exemplo usarei um Arduino Uno. Se precisar de um, você pode obtê-lo na Adafruit ou Sparkfun.

2) Cabo de borracha condutor. Este incrível cabo agirá como um resistor variável e mudará de resistência à medida que for esticado ou solto. Disponível na Adafruit ou Robotshop tem uma boa variedade de comprimentos com terminações de metal pré-anexadas

3) Um multímetro

4) Um LED

5) Um resistor de 1K

6) Um resistor pull-down (vamos descobrir qual é o valor disso mais tarde!)

7) Fita adesiva

8) Um furador ou uma tesoura

9) Fios de ligação

10) Uma placa de ensaio

11) 2 garras jacaré

Observe que, como ocorre com todos os equipamentos de biossensor, este projeto é mais seguro se o seu Arduino for alimentado por baterias.

Para concluir este projeto, você também pode precisar de:

· Ferro de soldar e solda

· Pistola de cola quente

· Tesouras de arame

· Decapador de fios

· Mãos que ajudam

· Torno, ferramenta de crimpagem ou um grande par de alicates

· 2 ou mais terminais de crimpagem anelados

Etapa 2: corte o cabo e conecte os terminais condutores

Embora você possa usar qualquer comprimento de cabo de borracha de 2 "a 8" para este experimento, comprimentos mais curtos de borracha são mais baratos e você não precisa de uma quantidade muito grande para fazer o trabalho. Se você comprou um comprimento longo de borracha, eu recomendaria cortar um comprimento de 4”. Corte este comprimento e prepare-se para anexar uma extremidade condutora em ambas as extremidades.

Pegue um conector de terminal, como um deles na foto acima, e prenda uma extremidade do cabo de borracha condutiva dentro da extremidade de um de seus conectores de terminal e prenda a extremidade junto. Você pode usar um torno ou as pontas dos descascadores de fio para fazer isso, mas tome cuidado para não apertar o terminal com muita força para não quebrar ou cortar a borracha! Se você conseguir fazer isso e o cabo for cortado, tente novamente com outro conector de terminal. Você ainda deve ter bastante comprimento para realizar essa façanha. Se ficar menor que 2 ", você provavelmente deve tentar novamente com um novo comprimento de 4". Não se preocupe, você vai entender! Depois de conseguir isso de um lado, brilhante! Repita do outro lado. Agora você está pronto!

Agora você tem um cabo de borracha condutor com um terminal adequado em cada extremidade. Vamos medir quais são os alcances deste cabo com um multímetro.

Etapa 3: Meça sua resistência

Gire o dial do multímetro até o símbolo de ohm (Ω) e cole as extremidades vermelha e preta do multímetro em cada lado do cabo condutor.

Se você ainda não tem certeza de como usar seu multímetro, pode se refrescar com este tutorial de Lady Ada.

Embora o número possa pular um pouco enquanto você o mede, esses números dão uma ideia de quanto é a resistência do cabo quando está em repouso. Tomando seu melhor palpite, anote a resistência em repouso de seu cabo e, em seguida, arredondar para o múltiplo mais próximo de 10. (ou seja: 239 = 240, 183 = 180)

Agora, tendo o cuidado de fixar as pontas de prova do multímetro no lugar com uma mão, use a outra mão para puxar suavemente o cabo. Você só pode esticar esse material até que esteja cerca de 50% -70% de seu comprimento original, então não puxe com muita força! Observe como os valores de resistência do multímetro mudaram. Solte e repita esse processo algumas vezes para ver a resistência ir do mínimo ao máximo. Conforme você estica, a resistência aumenta porque as partículas na borracha são afastadas. Uma vez que a força é liberada, a borracha encolherá, embora demore um ou dois minutos para voltar ao seu comprimento original. Devido a essas limitações físicas, este cabo elástico não é um verdadeiro sensor linear, então não é incrivelmente preciso, mas existem maneiras de trabalhar com isso na construção do seu sensor. Estique o cabo mais uma vez ao máximo e, com cada extremidade das pontas de prova do multímetro posicionadas em cada lado do cabo de borracha, anote o valor da resistência, arredondado mais uma vez para o múltiplo de 10 mais próximo.

Etapa 4: Fórmula Axel Benz

Vamos usar um circuito divisor de tensão simples para usar a resistência variável do cabo elástico como um sensor de respiração. Se você gostaria de saber mais sobre circuitos de divisão de tensão, são basicamente alguns resistores em série que transformam uma grande tensão em uma menor. Dependendo dos valores dos resistores usados, você pode dividir seus 5 V do Arduino em porções maiores ou menores dele mesmo com um resistor pull-down, que é útil para leitura analógica. Se você quiser aprender mais sobre a matemática por trás dos circuitos de divisão de voltagem, dê uma olhada no excelente tutorial do Sparkfun.

Embora saibamos que o valor do primeiro resistor no circuito (o sensor de estiramento) estará em fluxo constante, precisamos usar um valor de resistência adequado para o resistor pull-down a fim de obter um sinal o mais agradável e variado possível.

Para começar, use a fórmula de Axel Benz:

Pull-Down-Resistor = raiz quadrada (Rmin * Rmax)

Portanto, se o valor mínimo do seu cabo extensível for 130 ohms e o máximo for 240 ohms

Resistor pull-down = raiz quadrada (130 * 240)

Resistor pull-down = raiz quadrada (31200)

Resistor pull-down = 176.635217327

Portanto, agora você deve olhar para sua coleção de resistores e descobrir qual é o seu melhor resistor “por enquanto”. Se você tem apenas uma coleção de bits e bobs aleatórios, esta calculadora de banda de cores de resistor pode ser útil para você. Ballparking este resistor pode ser ok, você provavelmente não tem o resistor perfeito em mãos. Enquanto estiver usando o circuito, você pode achar que terá que trocá-lo por outro de qualquer maneira, mas isso lhe dará um ótimo começo para começar a jogar.

Finalmente, eu arredondado o número para o múltiplo de 10 mais próximo.

Resistor de redução = 180 ohms

Etapa 5: Prepare sua placa de ensaio

Usando fios de jumper, conecte o pino de 5 V do Arduino ao barramento de alimentação da placa de ensaio e, em seguida, conecte um pino GND ao trilho de aterramento da placa de ensaio.

Gosto de extrair 5 V do Arduino porque isso garante que você não precise se preocupar em enviar muita tensão aos pinos analógicos. Você também pode usar o pino de tensão 3v3, mas acho que obtenho um sinal melhor usando 5v.

Conecte seu resistor pull-down ao aterramento.

Pegue as duas pinças de crocodilo e prenda-as aos terminais em ambos os lados do cabo elástico de resistência variável. Prenda uma das extremidades dessas garras jacaré no trilho de 5v. Conecte a outra garra jacaré a um fio na configuração demonstrada nos diagramas.

Certificando-se de que as "outras" extremidades de seu resistor pull-down e seu cabo elástico condutor estão conectados, agora conecte um fio jumper de um pino analógico (vamos usar A0) ao centro desses dois pontos de conexão.

Por fim, conecte um LED com um resistor de 1k ao pino 9 do seu Arduino.

Etapa 6: programe seu Arduino

Observação: acabei de ver que os usuários do GitHub Non0Mad melhoraram meu código! (Obrigado) Experimente este código se preferir:

Se você preferir experimentar o que eu fiz, execute o esboço "RespSensorTest.ino" em seu Arduino.

Tomando cuidado para não tocar no metal exposto, pegue suas duas pinças de crocodilo e estique o elástico. Observe o LED acender e apagar conforme você estica. Abra o seu monitor serial e observe a mudança de voltagem analógica. Se você não estiver satisfeito com os valores de desvanecimento ou seus números, você pode tentar algumas coisas:

1) Tente trocar outro valor de resistor pull-down que seja semelhante ao último que você usou. Isso faz uma diferença positiva? (Esta é a melhor maneira de fazer isso)

2) Se tudo o que você realmente deseja fazer é acender o LED, tente mexer na variável scaleValue para ver se consegue produzir intervalos melhores dessa forma. (Esta pode ser a maneira mais fácil de fazer isso)

Quando você estiver feliz o suficiente com seus números e o brilho do LED, é hora de criar um protótipo de modelo para usar no peito! Desligue o Arduino e desative a alimentação da placa de ensaio para a próxima etapa.

Etapa 7: Faça um protótipo de faixa respiratória

A maneira mais rápida de fazer um protótipo de banda é apenas juntar algo com fita adesiva. Pegue uma longa tira de fita adesiva (cerca de 30”-36” deve cobrir a maior parte, mas no final das contas esta é apenas a circunferência do seu peito) e dobre-a de forma que os lados adesivos grudem em si mesmos. Faça furos em ambos os lados da tira de fita adesiva, para que se pareça com um cinto.

Use parafusos para prender os terminais nos orifícios perfurados que você fez para o seu sensor e conecte confortavelmente o seu longo pedaço de fita adesiva em um laço que você usa no peito. Você quer ter certeza de que seu "cinto" se encaixa perfeitamente em você ou no plexo solar do seu sujeito, mas certifique-se de que há espaço suficiente para as respirações entrarem para esticar o cabo.

Por fim, reconecte as pinças jacaré e conecte cada um dos jumpers da extremidade do cabo elástico condutor de volta ao protoboard. Agora estamos prontos para testar o protótipo!

Etapa 8: Teste o protótipo

Ligue o Arduino e execute o esboço anterior. Como estão esses valores analógicos? Você está obtendo uma boa resolução de dados com suas respirações? O LED tem uma boa variação de luz conforme você inspira e expira? Caso contrário, tente trocar seu resistor pull-down por um valor próximo para ver se os valores que você leu melhoram.

Quando você tiver escolhido o resistor pull-down ideal, alegre-se! Seu circuito está completo, sua respiração está sendo registrada e o LED acompanhará sua respiração com alegria.

O ideal é que você ou outra pessoa costure para você uma faixa de tecido sintético não condutor com um pouco de elasticidade e um cinto D-ring para apertar. (O velcro serve como um prendedor, mas às vezes é uma bagunça total com roupas e suéteres.) Você pode costurar com segurança o cabo condutor nesta faixa; na verdade, os terminais circulares são ótimos para prender em um tecido. Para algo um pouco mais permanente do que pinças de crocodilo, você pode querer simplesmente soldar alguns fios de múltiplos fios muito longos nas extremidades dos conectores do terminal e conectá-los ao seu circuito.