Cardio Data Logger: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Selv om mange bærbare enheter (smartbånd, smartklokker, smarttelefoner,…) i dag er tilgjengelige som kan registrere hjertefrekvensen (HR) og utføre sporanalyse, er beltestroppbaserte systemer (som den i den øvre delen av bildet) fortsatt utbredt og brukt, men mangler mulighet til å registrere og eksportere sporet av målingene.

I min forrige Instructable Cardiosim har jeg presentert et brystbeltesimulator (Cardio) som forklarer at et av mine neste trinn var å utvikle en pulsdatalogger. Jeg er nå klar til å presentere den i denne instruksjonsboken. Funksjonen til denne bærbare enheten er å motta HR -signalet som sendes av et brystbeltebelte (eller Cardiosim -simulatoren) under en treningsøkt (trening/sykling/løping, …) og registrere sporet på et SD -kort for å utføre en etter trening prestasjonsanalyse (se detaljer i det siste kapitlet).

Enheten drives av et oppladbart batterisystem, inkludert ladekrets og DC -boostregulator.

Fra mitt "lager" av ubrukt materiale fisket jeg ut en passende plastkasse (135mm x 45mm x 20mm) og tilpasset den oppsettet til kretsen for å passe sammen, og lagde en fungerende prototype som oppfyller mine behov (men hvis realisering gir rom for forbedring:-))

Trinn 1: Kort beskrivelse

Vennligst se trinn 1 i Cardiosim Instructable for en rask introduksjon om LFMC (lavfrekvent magnetisk kommunikasjon) teknologi som brukes av denne typen enheter.

Min første intensjon var å bruke Sparkfun RMCM01 -modulen som mottakergrensesnitt, men dette produktet er ikke lenger tilgjengelig (enn si at det uansett var ganske dyrt).

Men da jeg så på WEB, fant jeg denne interessante opplæringen, som viser noen alternative løsninger for å erstatte RMCM01. Jeg valgte det tredje alternativet ("Peter Borst Design", takk Peter!), Og oppnådde et utmerket resultat ved å bruke de samme L/C -komponentene i Cardiosim, men koblet her som parallell resonansbeholder. Det oppdagede signalet forsterkes, "renses", dekodes og videresendes til en Arduino Pro Mini mikrokontroller. Programmet validerer mottatte pulser, måler pulsen (eller bedre intervallet mellom to påfølgende pulser) og lagrer alle målte intervaller i en ASCII -tekstfil (en linje per gyldig puls, 16 tegn hver inkludert intervall, tidsstempel og LF/CR) på microSD -kortet. Forutsatt en gjennomsnittlig HR på 80 bpm, trenger en timeopptak bare (4800 tekstlinjer x 16 tegn) = 76800 /1024 = 75 kBytes, derfor tilbyr selv et billig 1 GB SD -kort rikelig med opptakskapasitet.

Under innspillingen kan du sette inn markørlinjer for å dele sporet og evaluere forskjellige sesjonsfaser separat.

Trinn 2: LiPo strømforsyning - skjemaer, deler og montering

Strømforsyningen opptar bunnen av saken. Bortsett fra trimpoten overstiger ingen komponent 7 mm høyde, noe som gir plass til å montere HR -mottakeren og mikrokontrollerkretsen over strømforsyningen.

Jeg brukte følgende deler:

• 3,7V LiPo -batteri (ethvert telefonbatteri kan resirkuleres, redusert kapasitet er ikke et problem her)
• USB TP4056 lademodul, jeg kjøpte den her
• SX1308 DC boost converter, jeg kjøpte den her
• Liten prototypebrett 40 x 30 mm
• Kabel med JST -kontakt 2, 54 mm 2 -pinners, som denne
• (valgfritt) JST -kontakt 2 mm 2 -pinners, som denne

• (valgfritt) Kabel med JST -kontakt 2 mm 2 -pinners, som denne

Bruken av de to siste elementene avhenger av batteriet du vil bruke og måten du har tenkt å koble det til ladermodulen. Jeg foreslår 2 mm JST -kontakten fordi mange batterier leveres med allerede tilkoblet kabel og 2 mm plugg. En annen løsning er tilstrekkelig så lenge det muliggjør en enkel bytte av batteriet om nødvendig. Uansett, vær forsiktig så du unngår kortslutning mellom batteripolene under monteringen.

TP4056-modulen drives av en mikro-USB-port og er designet for lading av oppladbare litiumbatterier ved bruk av konstantstrøm / konstant spenning (CC / CV) lademetode. I tillegg til å lade et litiumbatteri trygt, gir modulen også nødvendig beskyttelse som kreves av litiumbatterier.

SX1308 er en høyeffektiv DC/DC Step Up justerbar omformer som holder utgangsspenningen konstant på +5V med en minimum inngangsspenning på 3V, og dermed tillater full utnyttelse av batterikapasiteten. Juster utgangsspenningen med trimpoten på +5V før du kobler til mikrokontrollerkretsen!

Det totale forbruket til dataloggeren er rundt 20mA, og dermed vil selv et brukt batteri med en restkapasitet på 200mAh (<20% av startkapasiteten til et nytt telefonbatteri) tillate 10 timers opptak. Den eneste ulempen er at SX1308 hvilestrøm er rundt 2mA, så du må koble fra batteriet hvis du ikke bruker dataloggeren på lenge.

På grunn av den lille størrelsen må begge modulene fikses ved hjelp av tilkoblingshullene både for elektrisk og mekanisk tilkobling med prototypebrettet, gjennom korte stykker kobbertråd. På sin side festes brettet til bunnen av saken med en 3 mm x 15 mm skrue (lengden er nok til å feste mikrokontrollerkretsen ovenfor med den samme skruen). Brettet er vert for JST 2 mm -kontakten for batteriet (kun tilgjengelig i SMD -versjon, men ved å brette pinnene vertikalt kan du "snu" den i en PTH -versjon) og alle ledninger i henhold til skjemaet. Bare for å være sikker, limte jeg kroppen på kontakten til brettet for å oppnå en god mekanisk tetning.

Batteriet er plassert flatt i det gjenværende området av bunnen av saken, og bak det er det en annen 3 mm x 15 mm skrue med en 8 mm vertikal avstandsstykke for å unngå kontakter mellom toppen av batteriet (som uansett er isolert) og bunnen av batteriet øvre krets.

Trinn 3: HR -mottaker og datalogger - Skjemaer, deler og montering

Hovedstyret består av:

• Prototypebrett 40mm x 120mm
• Induktans 39mH, jeg brukte BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondensator 22nF
• Kondensator 4.7nF
• Kondensator 47nF
• Kondensator 39pF
• Elektolytisk kondensator 10uF/25V
• Elektrolytisk kondensator 1uF/50V
• 3 x motstand 10K
• 2 x motstand 100K
• 3 x motstand 1K
• 4 x motstand 220R
• Motstand 1M
• Motstand 47K
• Motstand 22K
• Trimpot 50K
• Diode 1N4148
• LED 3 mm blå
• 2 x LED 3 mm grønn
• LED 3 mm gul
• LED 3 mm rød
• Dobbelt støyfri JFET-inngangs operasjonsforsterkere TL072P
• Hex Inverting Schmitt Trrigger 74HC14
• JST -kontakt 2,54 mm 2 pinner, som denne
• 2 x mikrobrytere, type Alcoswitch
• Mikrokontroller Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Micro SD -kortmodul SPI 5V fra DFRobots

Resonansfrekvensen til den parallelle resonansbeholderen sammensatt av L1 og C1 er rundt 5,4 kHz, som samsvarer nær 5,3 kHz til magnetfeltbæreren til det overførte signalet til å konvertere det til en spenning. Husk at i de fleste tilfeller er bæreren modulert på basis av et enkelt OOK (On-OFF Keying) -format, hvor hver hjertepuls slår bæreren "ON" i omtrent 10 ms. Det oppdagede signalet er veldig svakt (typisk en 1mV sinusbølge i en avstand på 60-80cm fra kilden, forutsatt at induktansens akse er riktig justert med magnetfeltet), derfor må den forsterkes nøye for å unngå forstyrrelser og falske oppdagelser. Den foreslåtte kretsen er resultatet av min beste innsats og timer med testing under forskjellige forhold. Hvis du er interessert i å utdype dette aspektet - og kanskje forbedre det - ta en titt på neste trinn, ellers kan du hoppe over det.

De følgende Schmitt Trigger -portene utfører digitaliseringen og en toppdeteksjonsfunksjon, og gjenoppretter det originale modulerende signalet, som videresendes til Arduino Pro Mini.

Pro Mini mikrokontrollerkortet er perfekt for dette prosjektet fordi krystallet ombord tillater høy presisjon av målingene (som er avgjørende under det "medisinske" synspunktet, se siste trinn), og samtidig er det fritt for andre ikke nødvendig enhet, noe som resulterer i et lavt strømforbruk. Den eneste ulempen er at for å laste koden trenger du et FTDI -grensesnitt for å koble Pro Mini til USB -porten på datamaskinen. Pro Mini er koblet til:

• Bryter S1: start innspilling
• Bryter S2: sett inn markør
• Blå LED: blinker når en gyldig puls oppdages
• Grønn LED: Opptak startet
• Gul LED: Markør satt inn (kort blink) / Timeout (fast)
• MicroSD -kortmodul (gjennom SPI -buss)

Til forskjell fra mange SD -kortmoduler som opererer på 3,3V, opererer DFRobot -modulen på 5V, så det er ikke nødvendig med nivåskifter.

Når det gjelder montering, kan du legge merke til at jeg har delt prototypebrettet i to deler, forbundet med to små "broer" av stiv 1 mm kobbertråd. Dette har vært nødvendig for å heve MicroSD -kortmodulen til et tredje "konstruksjonsnivå" og justere den med utsparingen jeg har skåret på saken, like over spalten for USB -porten. Videre skåret jeg tre utsparinger på selve brettet, en for å få tilgang til potensiometeret til DC/DC -omformeren, en annen for å få tilgang til kontakten til seriebussen til Arduino Pro Mini (montert "med forsiden ned"), og den tredje for induktans.

Trinn 4: HR -mottaker - Spice Simulation

Ut fra Peter Borsts design jeg har nevnt tidligere, var målet mitt å prøve å utvide deteksjonsområdet så mye som mulig, samtidig som det begrenser følsomheten for forstyrrelser og generering av falske pulser.

Jeg bestemte meg for å endre den opprinnelige singel Op-Amp-løsningen fordi den har vist seg å være for følsom for forstyrrelser, sannsynligvis fordi verdien på 10M tilbakemeldingsmotstanden er for høy, og for å dele den samlede gevinsten i to trinn.

Begge trinn har en DC -forsterkning G = 100, redusert rundt 70 @5,4KHz, men med forskjellig inngangsimpedans for å optimalisere følsomheten.

Så la oss anta at spenningen til det svakeste signalet generert av LC -tanken er 1mV.

Hvis vi transponerer hele mottakerkretsen i et kryddermiljø (jeg bruker ADIsimPE) og erstatter LC -parallellkretsen med en sinusgenerator med samme spenning og frekvens (5,4KHz) og kjører simuleringen, merker vi at utgangsspenningen V1 fra den første forsterkeren er fortsatt en sinebølge (på grunn av skalafaktor er inngangssinebølgen ikke merkbar), da forsterkeren jobber i den lineære sonen. Men etter den andre fasen viser utgangsspenningen V2 at vi nå når metningen (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Faktisk er TL07x -familien ikke designet for rekkevidde fra jernbane til skinne, men dette er nok til å overgå med en sikker margin både grenseverdiene til Schmitt Trigger -porten og generere en ren firkantbølge (V3).

Trinn 5: Programvare

På grunn av mottakerstegets høye forsterkning, og til tross for at toppdetektortrinnet i utgangspunktet fungerer som et lavpassfilter, kan inngangssignalet på pin D3 på Arduino Pro Mini fortsatt bli sterkt forstyrret og må forhåndsbehandles digitalt gjennom en validitetskontroll mot falske påvisninger. Koden sikrer at to betingelser er oppfylt for å betrakte en puls som gyldig:

1. Pulsen må vare minst 5 ms
2. Det minste akseptable intervallet mellom to påfølgende pulser er 100 ms (tilsvarer 600 slag i minuttet, langt utover grensen for alvorlig takykardi!)

Når pulsen er validert, måles intervallet (i ms) fra den forrige og lagres på SD -kortet i en fil "datalog.txt", sammen med et tidsstempel i hh: mm: ss -format, der 00:00: 00 representerer tidspunktet for den siste tilbakestillingen av mikrokontrolleren. Hvis SD -kortet mangler, lyser den røde LED -en for å indikere feil.

Et nytt opptaksspor kan startes/stoppes med start/stopp -bryteren S1, og vil bli identifisert med en "; Start" og "; Stop" markørlinje henholdsvis i begynnelsen og på slutten av tekstfilen.

Hvis det ikke oppdages noen puls på lengre tid enn 2400 ms (25 slag / min), plasseres en markørlinje "; Tidsavbrudd" i filen og den gule LED D4 slås på.

Hvis du trykker på markørbryteren S2 under opptak, skrives en ekstra markørlinje i formatet "; MarkerNumber", med automatisk økning av markørnummeret fra 0, i filen, og den gule LED -en blinker kort.

Legger ved hele Arduino -koden.

Trinn 6: Første oppsett og testing

Trinn 7: Bruk - Medisinsk signalanalyse

Formen på kabinettet jeg brukte er nær nok til en av en smarttelefon, slik at du kan finne mye tilbehør på markedet for å bruke den eller montere den på et treningsutstyr. Spesielt for sykkelen kan jeg foreslå den universelle smarttelefonfesten som heter "Finn", produsert av det østerrikske Bike Citizens -selskapet. Billig (€ 15, 00) og lett å montere, det er virkelig universelt, og som du kan se på bildet, er det også perfekt for Cardio Data Logger

Den enkleste måten å bruke rådata registrert av dataloggeren er å plotte dem i en graf ved hjelp av standard PC -programmer (f.eks. Excel). Ved å sammenligne grafer som oppnås ved å gjenta den samme øvelsen, eller analysere sammenhengen mellom HR -variasjoner og fysisk innsats, kan du optimalisere doseringen av krefter under aktiviteten.

Men av størst interesse er studiet av HR, og spesielt HR Variablity (HRV), for medisinske formål. I motsetning til et EKG -spor, inneholder ikke HR -sporet direkte informasjon om funksjonen til hjertemuskelen. Imidlertid tillater analysen fra et statisk synspunkt å skaffe annen informasjon av klinisk interesse.

Den mest omfattende kunnskapskilden om HRV er det finske KUBIOS -selskapet. På nettstedet deres kan du finne mye informasjon om biomedisinske signaler, og du kan laste ned "KUBIOS HRV Standard", en gratis programvare for analyse av hjertefrekvensvariabilitet for ikke-kommersiell forskning og personlig bruk. Dette verktøyet lar deg ikke bare plotte grafer fra en enkel tekstfil (du må fjerne tidsstemplene), men også å utføre statistiske og matematiske evalueringer (inkludert FFT) og lage en utrolig detaljert og verdifull rapport, som den som er vedlagt nedenfor.

Husk at bare en spesialisert lege er i stand til å bestemme hvilke eksamener som trengs for idrettsøving på ethvert nivå, og å vurdere resultatene deres.

Denne instruksen er skrevet med den ene hensikt å skape interesse og moro for å bruke elektronikk til helsehjelp.

Jeg håper du likte det, kommentarer mottas gjerne!