CardioSim: 6 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Allereerst is dit mijn eerste Instructable en ik ben geen moedertaalspreker (of schrijver), daarom bied ik bij voorbaat mijn excuses aan voor de algehele lage kwaliteit. Ik hoop echter dat deze tutorial nuttig kan zijn voor mensen die een hartslag (HR) -monitorsysteem gebruiken (samengesteld uit een borstbandriemzender en een ontvangerhorloge) en die ofwel:

precies wilt weten welke batterij moet worden vervangen (in de riem of in het horloge van de ontvanger), wanneer het systeem niet meer goed werkt. Gewoonlijk, om er zeker van te zijn dat de gebruiker uiteindelijk beide batterijen vervangt, hoewel de ene in de riem zwaarder wordt belast en daarom sneller ontlaadt dan de andere

of

geïnteresseerd zijn (zoals ik ben) in het ontwikkelen van een hartslagdatalogger voor verdere evaluaties - bijvoorbeeld voor de statistische analyse van de HRV (Heart Rate Variations) in statische omstandigheden, of voor correlatiestudies tussen HR en fysieke inspanningen in dynamische omstandigheden - en gebruik liever een borstband (Cardio)-simulator dan altijd een echte te dragen tijdens de testfasen

Om de bovenstaande redenen noemde ik mijn Instructable "CardioSim"

Stap 1: Hoe werkt het?

De draadloze overdracht van de hartslagpulsen tussen de zender (borstbandriem) en de ontvanger (speciaal horloge, evenals loopbanden, trainingsapparaten, enz.) is gebaseerd op een laagfrequente magnetische communicatie (LFMC) en niet een traditionele radiofrequentie.

De standaard frequentie voor dit type (analoge) bewakingssystemen is 5,3 kHz. Nieuwe digitale systemen zijn gebaseerd op Bluetooth-technologie, maar dit valt buiten het bestek van deze tutorial.

Voor degenen die geïnteresseerd zijn in het verdiepen van het onderwerp, is een uitgebreide beschrijving van de LFMC-technologie, inclusief de voor- en nadelen versus RF, te vinden in deze app-notitie

ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/002…

Omwille van dit project is het echter voldoende om te weten dat een magnetische velddrager van 5,3 kHz gegenereerd door een LC (serie) resonantiecircuit wordt gemoduleerd op basis van een eenvoudig OOK-formaat (On-OFF Keying), waarbij elke hartpuls schakelt de drager ongeveer 10ms in. Het signaal wordt gedetecteerd door een (parallelle) LC resonantietank (met dezelfde resonantiefrequentie van het magneetveld, en mits beide spoelen goed uitgelijnd), versterkt en naar de meetunit gestuurd.

Hoewel in het WEB enkele voorbeelden van het ontvangercircuit te vinden zijn, kon ik geen model voor de zender vinden, dus besloot ik het signaal dat door mijn borstriem wordt gegenereerd te analyseren en een circuit te bouwen dat het kan simuleren, met een vergelijkbare veldsterkte, frequentie en formaat.

Stap 2: Schema en onderdelen

De circuits zijn samengesteld uit zeer weinig componenten die in een kleine behuizing passen:

• Koffer met stripboard, zoals deze
• Schuimstrip met hoge dichtheid, 50x25x10mm (zoals degene die wordt gebruikt voor de verpakking van IC's)
• Microcontroller ATtiny85-20
• Motorstuurprogramma L293
• Spanningsregelaar 5V, typ 7805 of LD1117V50
• 2x Elektrolytische Condensator 10uF/25V
• Condensator 22n/100V
• Trimpot met as, 10K, 1 slag, (zoals in Arduino Starter Kit)
• Weerstand 22K
• Weerstand 220R
• LED rood 5mm
• Inductantie 39mH, ik gebruikte een BOURNS RLB0913-393K
• 9V batterij
• mini SPDT-schakelaar (ik heb de AM/FM-schakelaar van een oude transistorradio gerecycled)

Het belangrijkste onderdeel is de inductantie, een hoogwaardige ferrietkern en een lage weerstand zijn noodzakelijk om deze klein te houden en een goede kwaliteitsfactor van de resonantiekring te verkrijgen.

Stap 3: Circuitbeschrijving en code

Als je de formule van de LC-kring in de tekening toepast, met L = 39mH en C=22nF, is de resulterende frequentie ongeveer 5,4 kHz, wat dicht genoeg in de buurt komt van de standaardwaarde van 5,3 kHz. De LC-tank wordt aangedreven door een H-brugomvormer die is samengesteld uit de 2 halve bruggen 1 en 2 van de motordriver IC L293. De draaggolffrequentie wordt gegenereerd door de TINY85-microcontroller, die ook het modulerende signaal aanstuurt dat de HR simuleert. Via de trimpot die is aangesloten op de analoge ingang A1 kan de hartslag worden gewijzigd van ongeveer 40 tot 170 bmp (slagen per minuut) - wat in reële omstandigheden voor de meeste amateursporters als voldoende wordt beschouwd. Omdat de brug moet worden aangedreven door twee tegengestelde blokgolven (en met mijn beperkte kennis van de ATTiny's Assembler-code kon ik er maar één genereren), heb ik de halve brige 3 als een omvormer gebruikt.

Voor deze eenvoudige taken is de interne klok @ 16MHz voldoende, maar ik heb eerder de benodigde kalibratiefactor voor mijn my-chip gemeten en deze op de opdrachtregel "OSCCAL" in de setup-sectie gezet. Om de schets naar de ATTiny te downloaden, heb ik een Arduino Nano gebruikt die is geladen met de ArduinoISP-code. Als u niet bekend bent met deze twee stappen, zijn er talloze voorbeelden op het web, als iemand geïnteresseerd is, heb ik mijn eigen versies ontwikkeld die ik op verzoek kan verstrekken. Bijgevoegd de code voor de ATTiny:

Stap 4: Het circuit monteren

De behuizing had al een gat van 5 mm op de bovenklep dat perfect was voor de Led, en ik hoefde alleen een tweede gat van 6 mm te boren, uitgelijnd met het eerste, voor de schacht van de trimpot. Ik heb de lay-out van de componenten zo geregeld dat de batterij op zijn plaats wordt gehouden tussen de trimpot en de TO-220 spanningsregelaar, en stevig wordt geblokkeerd door de schuimstrip die op de bovenklep is gelijmd.

Zoals je misschien opmerkt, is de inductantie horizontaal gemonteerd, t.i. met zijn as evenwijdig aan het bord. Dit is in de veronderstelling dat de inductantie van de ontvanger ook in dezelfde richting ligt. Zorg er in ieder geval voor dat voor een optimale transmissie altijd beide assen evenwijdig zijn (niet noodzakelijk op hetzelfde ruimtelijke vlak) en niet loodrecht op elkaar.

Controleer aan het einde van de montage grondig met een circuittester alle aansluitingen met een circuittester.

Stap 5: Test het circuit

Het beste testinstrument voor het circuit is een horloge met een HR-monitoringontvanger:

1. Leg het horloge naast de CardioSim.
2. Zet de trimpotmeter in de middelste stand en schakel het toestel in.
3. De rode LED moet beginnen te knipperen met intervallen van ongeveer 1 sec (60 bmp). Dit geeft aan dat de LC-resonatortank goed is geactiveerd en werkt. Als dit niet het geval is, controleer dan nogmaals alle aansluitingen en laspunten.
4. Schakel het horloge handmatig in als dit nog niet automatisch is ingeschakeld.
5. Het horloge moet het signaal beginnen te ontvangen dat de gemeten hartslag aangeeft.
6. De trimpot in beide richtingen naar de eindpositie draaien om het volledige HR-bereik te controleren (+/-5% tolerantie van de bereiklimieten is acceptabel)

Alle stappen worden getoond in de bijgevoegde video

Stap 6: Waarschuwing

Houd er als laatste veiligheidsadvies rekening mee dat de LFMC die in dit eenvoudige formaat is geïmplementeerd, niet toestaat om verschillende eenheden in hetzelfde veldbereik aan te spreken, dat betekent dat in het geval dat zowel de CardioSim als een echte meetband hun signalen naar dezelfde ontvanger sturen toestel, zal de ontvanger vastlopen, met onvoorspelbare resultaten.

Dit kan gevaarlijk zijn als u uw fysieke prestaties wilt verhogen en uw inspanningen wilt maximaliseren op basis van de gemeten HR. CardioSim is alleen bedoeld om te worden gebruikt voor het testen van andere eenheden en niet voor training!

Dat is alles, bedankt voor het lezen van mijn Instructable, elke feedabck is welkom!