وان الکتریک

وان الکتریک

شرکت پیشگامان علم الکترونیک مجری و طراح سیستم های حفاظتی و نظارتی و برق ساختمانی

محل لوگو

آمار بازدید

  • بازدید امروز : 70
  • بازدید دیروز : 252
  • بازدید کل : 633742

مدار ضربان سنج قلب


مدار ضربان سنج قلب

دستگاه ضربان سنج در واقع نشان دهنده وضعیت سلامت سیستم قلبی عروقی بدن انسان است. امروزه گجت‌های سلامتی در حال تبدیل شدن به وسایل ضروری هستند که در وسایل هر کسی پیدا می‌شوند. شرکت‌های مختلف تکنولوژی هر روزه در حال معرفی کرده دستگاه‌های مختلفی برای بالا تر بردن کیفیت سلامت و سطح زندگی انسان‌ها هستند. حتما گوشی‌های هوشمند جدید را دیده اید که می‌توانند ضربان قلب شما را بسنجند .
ساختنی امروز می‌خواهد روش ساخت دستگاه ضربان سنج با استفاده از تکنیک رصد کردن تغییرات حجم خون در رگ‌های روی انگشت دست را به شما آموزش دهد. دقیقا همان تکنولوژی پشت گوشی‌های هوشمند جدید که به بازار معرفی می‌شوند. همان طور که می‌دانید، با هر بار ضربان قلب ، حجم خون جاری در رگ‌ها و مویرگ‌های بدن انسان تغییر می‌کند و این مدار ضربان سنج قلبی از همین ویژگی برای شمارش ضربان قلب استفاده می‌کند.می‌پرسید چگونه ؟
دیود نورانی (LED) مادون قرمز یا فروسرخ (IR) یک سیگنال فرو سرخ به درون انگشت می‌فرستد ، قسمتی از این امواج به وسیله گلبول‌های خون منعکس می‌شود. این امواج منعکس شده توسط یک حسگر دیود نوری (Photo Diode) جذب می‌شود. پدیده اصلی این است : تغییرات حجم خون در رگ‌ها ، یعنی تغییرات در شدت انعکاس امواج مادون قرمز ارسالی . پس با هر بار تغییر حجم ، ولتاژ خروجی دیود نوری یا فوتو دیود تغییر خواهد کرد. اما اندازه این تغییرات ولتاژ آنچنان کوچک است که به شکل مستقیم قابل حس کردن توسط میکروکنترلر نیست. به همین دلیل این تغییرات ولتاژ باید تقویت شود ، برای این منظور ، یک تقویت کننده دو طبقه و فیلتر نویز گیر پایین گذر به وسیله دو تقویت کننده عملیاتی (Op-Amp) طراحی شده اند که سیگنال دریافتی را تقویت و آماده سازی کنند تا بتوان آن را توسط میکروکنترلر اندازه گیری کرد. میکرو کنترلری که در ساخت دستگاه ضربان سنج استفاده شده است از نوع PIC و با شماره PIC16F628A است.

دستگاه آماده شده ضربان سنج قلب
دستگاه آماده شده ضربان سنج قلب

دستگاه ضربان سنج چگونه کار می‌کند؟

قبل از این که توضیح دهیم این دستگاه چگونه کار می‌کند، بیایید ضربان قلب را تعریف کنیم . ضربان قلب (Heart rate) تعداد ضربان‌هایی است که قلب انسان در یک واحد زمانی انجام می‌دهد. این ضربان‌ها را معمولا در واحد زمانی دقیقه می‌شمرند و با واحد ضربان بر دقیقه (bpm) معرفی می‌کنند.
در بزرگ سالان ضربان نرمال قلب چیزی در حدود 60 الی 100 ضربان بر دقیقه است (در حالت بدون فعالیت). این سرعت ضربان به شکل مستقیم به سلامتی و تناسب اندام فرد بستگی دارد و معیار مهمی‌است که هر از چند گاهی باید اندازه گیری شود.
ضربان قلب را می‌توان با لمس هر جایی از بدن که نبض مشخصی دارد اندازه گیری کرد مانند مچ دست یا گردن . شما می‌توانید در هر بازه زمانی تعداد ضربان‌های قلب را شمرده و محاسبه کنید که تعداد آن در مقیاس ضربان بر دقیقه چقدر است.

این پروژه نیاز به دانش مقدماتی در مورد تقویت کننده‌های عملیاتی و میکرو کنترلر‌های PIC دارد. این مدار الکترونیکی در دو قسمت آماده سازی سیگنال و وصل کردن آن به میکرو کنترلر و شمردن تعداد پالس‌ها تنظیم شده است و شما باید این دو مدار را به هم دیگر متصل کنید .

این پروژه الکترونیک، یک دستگاه ضربان سنج قلب است که با استفاده از میکرو کنترلر PIC و سنسور‌های نوری ضربان قلب شما را اندازه گیری می‌کند. این تکنولوژی همانی است که بر روی گوشی‌های هوشمندی که توانایی ضربان سنجی قلب را دارند به کار گرفته شده است. در این فناوری ، یک دیود نورانی (LED) فرو سرخ و یک گیرنده فروسرخ در کنار همدیگر قرار می‌گیرند. به شکلی که مستقیما دیدی به هم نداشته باشند. وقتی شما انگشتتان را بالای این مجموعه قرار می‌دهید. تنها نوری که به گیرنده می‌رسد ، نوری است که از انگشت شما بازتاب داده شده است . شکل زیر را ببینید:

 
طرز کار سنسور ضربان قلب با دیود‌های فروسرخ
طرز کار سنسور ضربان قلب با دیود‌های فروسرخ

دیود نورانی فرو سرخ نور را به سمت سر انگشت شما می‌فرستند (که بالای سنسور‌ها قرار دارد) و گیرنده فروسرخ نور برگشتی از سر انگشت شما را اندازه گیری می‌کند. هر ضربان قلب ، نور برگشتی را اندکی تغییر می‌دهد. اگر بتوانیم این سیگنال را به خوبی آماده سازی و اندازه گیری کنیم می‌توانیم تغییرات آن را توسط میکروکنترلر بشمریم و ضربان قلب را بدست آوریم.

قسمت‌های مختلف پروژه :

این مدار الکترونیکی برای راحت تر بودن کار شما در دو قسمت مجزا طراحی شده است . قسمت اول حسگر و مدار فیلتر و تقویت سیگنال ضربان قلب و قسمت دوم مدار میکرو کنترلر که وظیفه شمردن خروجی مدار اول و نمایش آن روی نمایشگر سون سگمنت (SevenSegment) را بر عهده دارد.

توضیحات مدار‌ها :

نقشه مدار حسگر ، فیلتر و آماده سازی و تقویت سیگنال با خروجی آماده برای ارسال به میکرو کنترلر - دستگاه ضربان سنج قلب
نقشه مدار شماره 1 حسگر فروسرخ ، فیلتر و آماده سازی و تقویت سیگنال با خروجی آماده برای ارسال به میکرو کنترلر – دستگاه ضربان سنج قلب

برای آماده سازی سیگنال الکتریکی که از حسگر ضربان قلب ساخته شده فرستاده می‌شود، سیگنال ورودی توسط دو فیلتر پایین گذر (فیلتر‌های پایین گذر ، اجازه عبور فرکانس‌های پایین را می‌دهند) کاملا شبیه به هم دیگر با فرکانس قطع 2.5 هرتز فیلتر می‌شود. این بدان معناست که بالاترین ضربانی که دستگاه ضربان سنج ما اندازه گیری خواهد کرد حداکثر 150 بار بر دقیقه است. تراشه‌های استفاده شده برای تقویت کننده‌های عملیاتی این مدار از نوع MCP602 هستند. IC تقویت کننده عملیاتی MCP602 ، دارای دو عدد از این تراشه‌ها درون یک بست بندی است. این مدار مجتمع با یک منبع تغذیه با ولتاژ مثبت کار می‌کند و مقدار مجاز ولتاژ خروجی هم تا مقدار ولتاژ منبع تغذیه است که اصطلاحا به آن خط تا خط یا (Rail to Rail Swing) می‌گویند. سیگنال تولید شده توسط گیرنده فروسرخ باید فیلتر شود و نویز‌های آن گرفته شود تا باعث ایجاد خطا در شمارش نشوند. این فیلتر‌ها دارای بهره تقویت بالایی هم هستند که هر کدام را روی 101 تنظیم کرده ایم. به این معنا که هر کدام سیگنال خروجی را صد برابر می‌کنند و چون دو طبقه تقویت وجود دارد ، سیگنال خروجی با بهره 100*100 یعنی 10000 برابر تقویت خواهد شد.
یک خازن 1 میکرو فارد در ورودی هر طبقه مسئول از بین بردن مولفه مستقیم بدون فرکانس (DC) احتمالی روی سیگنال ورودی است که در صورت وجود کارکرد فیلتر را مختل خواهد کرد. معادلات و محاسبات فرکانس قطع فیلتر‌های پایین گذر و بهره هم کدام از فیلتر‌ها هم در عکس مدار فیلتر‌ها قرار داده شده است . این دو طبقه تقویت سیگنال ، سیگنال ورودی را به اندازه کافی که بتوان آن را به وسیله میکروکنترلر PIC اندازه گیری کرد، تقویت می‌کند و آن را هم تبدیل به پالسی آماده برای شمارس خواهد کرد.یک دیود نورانی در خروجی تعبیه شده است که هرگاه که ضربانی در ورودی دستگاه ضربان سنج اندازه گیری شد ، شروع به چشمک زدن می‌کند.

مدار شماره 2 دستگاه ضربات سنج که وظیفه شمارش پالس‌های خروجی از مدار بالا و نمایش آن‌ها روی نمایشگر سون سگمنت را بر عهده دارد - ورودی این مدار را به خروجی مدار قبل متصل کنید.
مدار شماره 2 دستگاه ضربات سنج که وظیفه شمارش پالس‌های خروجی از مدار بالا و نمایش آن‌ها روی نمایشگر سون سگمنت را بر عهده دارد – ورودی این مدار را به خروجی مدار قبل متصل کنید.

نرم افزار دستگاه ضربان سنج:

نرم افزار یا همان کد برنامه میکروکنترلر همه کارهای محاسباتی و کنترلی را انجام می‌دهد. برای بهینه سازی مصرف انرژی دستگاه ضربان سنج و مناسب کردن آن برای استفاده از باتری . ماژول سنسور همیشه در حال کار نیست. بلکه تنها 15 ثانیه پس از فشردن دکمه “شروع” ، به کار ادامه می‌دهد.
پالس‌های دریافتی و تقویت شده به پایه T0CKI وصل شده اند و توسط تایمر داخلی میکروکنترلر (timer0) شمرده خواهند شد. این تایمر در حالت شمارنده و بدون تقسیم کننده فرکانس و پیشفرض‌های دیگر تنظیم شده است. کد برنامه دستگاه ضربان سنج را در پایین مشاهده می‌کنید. این کد توسط کامپایلر MikroC کامپایل شده است .

 

 

خروجی دستگاه ضربان سنج

استفاده از دستگاه ضربان سنج خیلی ساده است. دستگاه را روشن کنید و روی صفحه نمایش برای چند ثانیه تنها صفر می‌بینید. صبر کنید تا نمایشگر خاموش شود. حالا سر انگشت اشاره خود را روی قسمت سنسور قرار دهید و دکمه “شروع” را با دست دیگر فشار دهید. آرام بنشینید و هیچ حرکتی نکنید. بعد از 15 ثانیه شما چراغ چشمک زن و ضربان قلب خود را مشاهده خواهید کرد.

 
دستگاه ضربان سنج قلب در حال کار و نشان دادن خروجی
دستگاه ضربان سنج قلب در حال کار و نشان دادن خروجی

نکات مهم در ساخت دستگاه ضربان سنج

  • حتما یادتان باشد که فرستنده و گیرنده مادون قرمز باید در کنار هم باشند اما نباید به هم دیگر دیدی داشته باشند. یعنی تنها باید زمانی گیرنده نوری از فرستنده دریافت کند که سر انگشت شما باعث این کار شود. برای همین پیشنهاد می‌کنیم که با استفاده از تصویر زیر ، یک پوشش حائل میان این دو دیود ایجاد کنید . این کار نه تنها از ایجاد خطا جلوگیری می‌کند بلکه عملکرد حسگر شما را نسبت به تغییرات نور قوی تر می‌کند.
  • در اینجا ما از دو دیود جداگانه برای فرستنده و گیرنده استفاده کردیم ، اما حسگر‌های آماده ای ای هم در بازار موجود است که به نام حسگر‌های نوری انعکاسی (Reflective Optical Sensors) معروف هستند.
  • مقاومت سری با دیود فروسرخ برای محدود کردن جریان ورودی به دیود و تنظیم نور فروسرخ دیود است. شدت نور مادون قرمز خروجی از دیود نورانی (LED) نباید خیلی بالا باشد. اگر شدت نور بالا باشد نور منعکس شده از انگشت به مقداری خواهد بود که برای اشباع کردن دیود نوری (فوتو دیود) در همه زمان‌ها کافی باشد و دیگر تغییر سیگنالی را کشف نخواهد شد.
  • مقدار مقاومت مورد نیاز برای محدود کردن نور در جنس‌های مختلف دیود‌های فروسرخ موجود در بازار فرق خواهد داشت. باید از آزمایش عملی زیر برای کالیبره کردن و تنظیم نور LED‌های مختلف استفاده کنید :
    یک مقاومت 68 اهمی‌را با یک مقاومت متغیر (پتانسومتر) 470 اهمی‌به شکل سری ببندید. سپس سر انگشت خود را روی سنسور قرار داده و پتانسیومتر را به آرامی‌بچرخانید تا ببینید که LED خروجی با هر ضربان شروع به چشمک زدن می‌کند. نویسنده این مقدار را 68 اهم محاسبه کرده و پتانسومتر را با نزدیک ترین مقاومت نزدیک به 68 اهم عوض کرده است و در آخر به مقاومت 150 اهم رسیده است. البته شما می‌توانید همین پتانسیومتر را در مدار نگه داشته و در مواقع لزوم آن را دوباره تنظیم کنید (عکس زیر را ببینید)
محاسبه مقاومت محدود کننده جریان دیود فرو سرخ برای تنظیم شدت نور آن (مربع کشیده شده در تصویر نمادی از ادامه مدار آماده سازی سیگنال است)
محاسبه مقاومت محدود کننده جریان دیود فرو سرخ برای تنظیم شدت نور آن (مربع کشیده شده در تصویر نمادی از ادامه مدار آماده سازی سیگنال است)
  • یادتان باشد که انگشت شما روی حسگر باید بی حرکت باشد وگرنه ممکن است باعث خطا در کار دستگاه شود.
    منبع

  انتشار : ۱۶ اردیبهشت ۱۳۹۶               تعداد بازدید : 2067

برچسب های مهم

دیدگاه های کاربران (0)

قم , خیابان انقلاب , کوچه 41 پلاک 15

اطلاعات و دانش رمز پیروزیست

فید خبر خوان    نقشه سایت    تماس با ما