Capteur de respiration de ceinture de base : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Dans le monde de la biodétection, il existe de nombreuses façons de mesurer la respiration. On peut utiliser une thermistance pour mesurer la température autour de la narine, mais encore une fois, peut-être ne voulez-vous pas un instrument étrange attaché à votre nez. On peut également attacher un accéléromètre à une ceinture qui monte et descend, mais le sujet devrait probablement être allongé ou ne pas bouger autrement. Bien que ce capteur de respiration de ceinture à bande flexible de base ait ses inconvénients (la réponse du signal n'est pas aussi précise que les autres méthodes), il est bon si votre sujet veut juste s'attacher et faire tout ce qu'il veut faire pendant sa respiration est mesuré. Voici un exemple d'un capteur de respiration de base, qui est destiné à vivre à l'intérieur d'une ceinture flexible que vous attachez autour d'une poitrine. Lorsque la poitrine en question se dilate et se contracte en respirant l'air dans les poumons, la résistance d'un morceau de cordon en caoutchouc extensible incorporé change. En utilisant seulement quelques composants supplémentaires, nous pouvons traduire cela en un signal analogique lu en direct par votre Arduino. Cela se fait grâce à la magie du circuit diviseur de tension très essentiel et facile à apprendre.

AVERTISSEMENT: avant de commencer, vous devez savoir qu'un équipement de biodétection non testé et instable présente toujours un risque de danger ! Veuillez tester et créer ce circuit avec une source d'alimentation par batterie - je ferai tout pour vous montrer comment faire ce circuit pour m'assurer que vous ne serez pas blessé, mais je n'assume aucune responsabilité pour les accidents qui peuvent survenir. Faites preuve de bon sens et testez toujours votre circuit avec un multimètre avant d'attacher quoi que ce soit sur votre poitrine.

Étape 1: CE QUE VOUS AUREZ BESOIN

1) Tout microcontrôleur avec une entrée analogique fonctionnera, mais dans cet exemple, j'utiliserai un Arduino Uno. Si vous en avez besoin, vous pouvez l'obtenir auprès d'Adafruit ou de Sparkfun.

2) Cordon en caoutchouc conducteur. Ce cordon étonnant agira comme une résistance variable et changera de résistance au fur et à mesure qu'il est étiré ou relâché. Disponible chez Adafruit, ou Robotshop a une belle variété de longueurs avec des extrémités métalliques pré-attachées

3) Un multimètre

4) Une LED

5) Une résistance de 1K

6) Une résistance pull-down (nous verrons quelle en est la valeur plus tard !)

7) Du ruban adhésif

8) Une perforatrice ou une paire de ciseaux

9) Fils de cavalier

10) Une planche à pain

11) 2 pinces crocodiles

Veuillez noter que comme pour tous les équipements de biodétection, ce projet est plus sûr si votre Arduino est alimenté par des batteries.

Pour mener à bien ce projet, vous aurez peut-être aussi besoin de:

· Fer à souder et soudure

· Pistolet à colle chaude

· Cisailles à fil

· Pince à dénuder

· Coup de main

· Etau, pince à sertir ou une grosse paire de pinces

· 2 ou plusieurs bornes à sertir annelées

Étape 2: Coupez le cordon et fixez les bornes conductrices

Bien que vous puissiez utiliser n'importe quelle longueur de cordon en caoutchouc de 2" à 8" pour cette expérience, des longueurs de caoutchouc plus courtes sont moins chères et vous n'avez pas besoin d'une très grande quantité pour faire le travail. Si vous avez acheté une grande longueur de caoutchouc, je vous recommanderais de couper une longueur de 4 pouces. Coupez cette longueur et préparez-vous à attacher une extrémité conductrice aux deux extrémités.

Prenez un connecteur de borne, comme l'un d'entre eux illustré ci-dessus, et collez une extrémité du cordon en caoutchouc conducteur à l'intérieur de l'extrémité de l'un de vos connecteurs de borne, et sertissez l'extrémité ensemble. Pour ce faire, vous pouvez utiliser un étau ou les extrémités de votre pince à dénuder, mais veillez à ne pas trop écraser la borne de peur de casser ou de couper votre caoutchouc ! Si vous y parvenez et que le cordon se coupe, réessayez simplement avec un autre connecteur de borne. Vous devriez encore avoir beaucoup de longueur pour accomplir cet exploit. S'il devient plus court que 2 pouces, vous devriez probablement réessayer avec une nouvelle longueur de 4 pouces. Ne vous inquiétez pas, vous l'aurez ! Une fois que vous avez accompli cela d'un côté, génial ! Répétez de l'autre côté. Maintenant, vous avez terminé !

Vous avez maintenant un cordon en caoutchouc conducteur avec une borne appropriée à chaque extrémité. Mesurons quelles sont les portées de ce cordon avec un multimètre.

Étape 3: Mesurez votre résistance

Tournez le cadran de votre multimètre sur le symbole ohm (Ω) et collez les extrémités rouge et noire de votre multimètre de chaque côté de votre cordon conducteur.

Si vous ne savez pas encore comment utiliser votre multimètre, vous pouvez vous rafraîchir avec ce tutoriel de Lady Ada.

Même si le nombre peut sauter un peu pendant que vous le mesurez, ces nombres vous donnent une idée de la résistance du cordon lorsqu'il est au repos. En prenant votre meilleure estimation, notez la résistance au repos de votre cordon, puis arrondissez-la au multiple de 10 le plus proche. (c'est-à-dire: 239 = 240, 183 = 180)

Maintenant, en prenant soin de fixer les sondes du multimètre en place avec une main, utilisez votre autre main pour tirer doucement sur le cordon. Vous ne pouvez étirer ce matériau que jusqu'à ce qu'il atteigne environ 50 à 70 % de sa longueur d'origine, alors ne tirez pas trop fort ! Observez comment les valeurs de résistance sur votre multimètre ont changé. Lâchez prise et répétez ce processus plusieurs fois pour voir la résistance passer de son minimum à son maximum. Au fur et à mesure que vous l'étirez, la résistance augmente car les particules du caoutchouc sont éloignées les unes des autres. Une fois la force relâchée, le caoutchouc se rétracte, bien qu'il faille une minute ou deux pour revenir à sa longueur d'origine. En raison de ces limitations physiques, ce cordon extensible n'est pas un véritable capteur linéaire, il n'est donc pas incroyablement précis, mais il existe des moyens de travailler avec cela dans la construction de votre capteur. Tendez à nouveau le cordon au maximum, et avec chaque extrémité des sondes du multimètre en place de chaque côté de votre cordon en caoutchouc, notez la valeur de résistance, arrondie une fois de plus au multiple de 10 le plus proche.

Étape 4: Formule Axel Benz

Nous allons utiliser un simple circuit diviseur de tension afin d'utiliser la résistance variable du cordon extensible comme capteur de respiration. Si vous souhaitez en savoir plus sur les circuits diviseurs de tension, il s'agit essentiellement de quelques résistances en série qui transforment une tension élevée en une tension plus petite. Selon les valeurs des résistances que vous utilisez, vous pouvez découper votre 5V de votre Arduino en portions plus ou moins grandes de lui-même avec une résistance pull-down, ce qui est utile pour la lecture analogique. Si vous souhaitez en savoir plus sur les mathématiques derrière les circuits de division de tension, jetez un œil à l'excellent didacticiel de Sparkfun.

Bien que nous sachions que la valeur de la première résistance du circuit (le capteur d'étirement) sera en flux constant, nous devons utiliser une valeur de résistance appropriée pour la résistance pull-down afin d'obtenir un signal aussi agréable et varié que possible..

Pour commencer, utilisez la formule Axel Benz:

Pull-Down-Resistor = racine carrée (Rmin * Rmax)

Donc, si la valeur minimale de votre cordon extensible est de 130 ohms et que la valeur maximale est de 240 ohms

Résistance pull-down = racine carrée (130*240)

Résistance pull-down = racine carrée (31200)

Résistance de tirage vers le bas = 176,635217327

Alors maintenant, vous devriez regarder votre collection de résistances et déterminer quelle est votre meilleure résistance "pour l'instant". Si vous n'avez qu'une collection de bits et de bobs aléatoires, ce calculateur de bande de couleur de résistance pourrait vous être utile. Ballparking cette résistance peut être ok, vous n'avez probablement pas la résistance parfaite sous la main. Pendant que vous utilisez le circuit, vous constaterez peut-être que vous devrez de toute façon l'échanger contre un autre, mais cela vous donnera un bon début pour commencer à jouer.

Enfin, j'arrondis le nombre au multiple de 10 le plus proche.

Résistance de tirage = 180ohms

Étape 5: préparez votre planche à pain

À l'aide de câbles de raccordement, connectez la broche 5v de l'Arduino à votre rail d'alimentation sur votre planche à pain, puis connectez une broche GND au rail de masse de votre planche à pain.

J'aime tirer 5V de l'Arduino car cela garantit que vous n'avez pas à vous soucier d'envoyer trop de tension aux broches analogiques. Vous pouvez également utiliser la broche de tension 3v3, mais je trouve que j'obtiens un meilleur signal en utilisant 5v.

Connectez votre résistance pull-down à la terre.

Prenez vos deux pinces crocodiles et attachez-les aux bornes des deux côtés de votre cordon extensible à résistance variable. Attachez une extrémité de ces pinces crocodiles au rail 5v. Connectez l'autre pince crocodile à un fil dans la configuration illustrée dans les schémas.

En vous assurant que les «autres» extrémités de votre résistance pull-down et de votre cordon extensible conducteur sont connectées, connectez maintenant un cavalier à partir d'une broche analogique (utilisons A0) au centre de ces deux points de connexion.

Enfin, attachez une LED avec une résistance de 1k à la broche 9 de votre Arduino.

Étape 6: programmez votre Arduino

Remarque: je viens de voir que les utilisateurs de GitHub Non0Mad ont amélioré mon code ! (Merci)Essayez ce code si vous préférez:

Si vous préférez essayer celui que j'ai créé, exécutez le croquis "RespSensorTest.ino" ci-joint sur votre Arduino.

En faisant attention à ne pas toucher le métal exposé, ramassez vos deux pinces crocodiles et étirez l'élastique. Regardez la LED s'allumer et s'éteindre pendant que vous vous étirez. Ouvrez votre moniteur série et observez le changement de votre tension analogique. Si vous n'êtes pas satisfait des valeurs qui s'estompent ou de vos chiffres, vous pouvez essayer plusieurs choses:

1) Essayez d'échanger une autre valeur de résistance pull-down similaire à la dernière que vous avez utilisée. Cela fait-il une différence positive ? (C'est la meilleure façon de le faire)

2) Si tout ce que vous voulez vraiment faire est d'allumer la LED, essayez de jouer avec la variable scaleValue pour voir si vous pouvez produire de meilleures plages de cette façon. (Cela pourrait être la façon la plus simple de le faire)

Une fois que vous êtes assez satisfait de vos chiffres et de la lueur LED, il est temps de prototyper un modèle à porter autour de votre poitrine ! Éteignez votre Arduino et désactivez l'alimentation de la maquette pour l'étape suivante.

Étape 7: Fabriquez un prototype de bande de respiration

Le moyen le plus rapide de créer un prototype de groupe est de simplement assembler quelque chose avec du ruban adhésif. Prenez une longue bande de ruban adhésif en toile (environ 30"-36" devrait couvrir la plupart, mais en fin de compte ce n'est que la circonférence de votre poitrine) et pliez-la de sorte que les côtés collants collent à lui-même. Percez des trous de chaque côté de votre bande de ruban adhésif pour qu'elle ressemble à une ceinture.

Utilisez des vis pour fixer les bornes dans les trous perforés que vous avez faits pour votre capteur et connectez fermement votre long morceau de ruban adhésif dans une boucle que vous portez sur votre poitrine. Vous voulez vous assurer que votre "ceinture" est bien ajustée à vous ou au plexus solaire de votre sujet, mais assurez-vous qu'il y a suffisamment de place pour que les respirations entrantes étirent le cordon.

Enfin, remettez vos pinces crocodiles et rebranchez chacun des cavaliers de l'extrémité du cordon extensible conducteur en place dans la planche à pain. Nous sommes maintenant prêts à tester le prototype !

Étape 8: Testez le prototype

Allumez l'Arduino et exécutez à nouveau le sketch précédent. Comment vont ces valeurs analogiques ? Obtenez-vous une bonne résolution de données avec vos respirations ? La LED a-t-elle une belle variation de lumière lorsque vous inspirez et expirez ? Sinon, essayez d'échanger votre résistance pull-down contre une valeur proche pour voir si les valeurs que vous lisez s'améliorent.

Lorsque vous aurez choisi la résistance pull-down idéale, réjouissez-vous ! Votre circuit est terminé, votre respiration est en cours d'enregistrement et la LED suivra joyeusement votre respiration.

Idéalement, vous ou quelqu'un d'autre finirez par coudre une bande pour vous dans un tissu synthétique non conducteur avec un peu d'étirement en lui-même et une ceinture à anneau en D à serrer. (Le velcro est correct comme attache, mais c'est parfois un désordre total avec les vêtements et les pulls.) Vous pouvez coudre en toute sécurité le cordon conducteur dans cette bande, en fait, les bornes circulaires sont idéales pour attacher à un tissu. Pour quelque chose d'un peu plus permanent que les pinces crocodiles, vous voudrez peut-être simplement souder quelques très longs fils multibrins aux extrémités des connecteurs de borne et les attacher à votre circuit.