Czujnik częstości oddechu

[Insane0200]

Witam

Próbuje zrobić sobie czujnik częstości oddechu opierając się o ten projekt: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/f2012/htq2_mg573/htq2_mg573/index.htm

Mógłby mi ktoś sprawdzić czy ten schemat jest dobry? Na razie nie ma części odpowiadającej za sprawdzanie napięcia baterii i sterowania wyświetlaczem oraz ładowania kondensatorów. Mógłby mi wytłumaczyć jak dodać ten fragment z ładowaniem kondensatorów do układu. Nie za bardzo rozumiem w które miejsce prowadzi to "to capacitors". Jak zasilić cały układ? Baterią 9V? Czy lepiej zasilać programatorem prosto z USB? Co z zasileniem wzmacniacza operacyjnego? 

W oryginalnym projekcie zastosowane są takie elementy. Mogę je zamienić na takie?:
uC         - ATmega1284p --> ATmega32A
opAmp - LF353N            -->  TL072CP
 

Edytowano Maj 12, 2019 przez Insane0200

[marek1707]

Ok, czyli nie nasz pojęcia o działaniu części analogowej urządzenia jakie chcesz zbudować, napotkałeś fragmenty schematu których nie umiesz złożyć w całość i mimo wszystko nie zniechęcasz się. Zacznijmy zatem od podstaw: sprawdźmy czy rozumiesz jak to ma działać. Jeśli tak, to zapomnij o swoim schemacie i (ew. bazując na tym co napisano na stronie projektu) opowiedz własnymi słowami. Co jest sygnałem wejściowym, jak jest uzyskiwany, jak potem przetwarzany, jakie sygnały ma dostać procesor, po co i co będzie z nimi robił. Może powoli wyjaśni się co trzeba zrobić a następnie jak.Jeśli jakiegoś fragmentu nie rozumiesz lepiej napisz od razu choć mam nadzieję, że chociaż ogólne założenia pomysłu załapałeś. No to do roboty. Od razu uprzedzam, że gotowca ode mnie nie dostaniesz, a w celu uzyskania działającego schematu będziesz musiał się trochę wysilić.

[Insane0200]

Zrobiłem to trochę prościej na Arduino, ale chciałbym jednak spróbować tą metodą również.

Na początku mamy dzielnik napięcia, który zmienia wartość napięcia pod wpływem zmiany rezystancji termistora. Zmiany tego napięcia są dość małe i trzeba je wzmocnić wzmacniaczem operacyjnym. Później sygnał idzie do komparatora, który porównuje to napięcie z jakimś napięciem referencyjnym. Rezystory podłączone do PB4 i PB5 mają ładować C2 aby układ zaczął działać szybciej niż po 11 sekundach. Dobrze to rozumiem? 

Jeśli chodzi o wyświetlacz i monitorowanie stanu baterii to w tym momencie nie są to ważne elementy. 

Edytowano Maj 13, 2019 przez Insane0200

[marek1707]

W zasadzie tak. Pytanie, czy chcesz powielać przedszkolne rozwiązanie pokazane na stronce czy chcesz zrobić to (wciąż analogowo) ciekawiej. Zauważ,  że cały ten tor cierpi na długie stałe czasowe a powodem tego jest nie tylko wolno zmienny sygnał wejściowy, ale i metoda jego obróbki - wzmacniacz odcięty od masy kondensatorem. Mamy zatem ogromną składową stałą (2V?) robioną w dzielniku a potem jest już tylko gorzej, bo słaby sygnał występujący na jej tle trzeba wzmocnić. Konieczne stało się odcięcie napięcia stałego, więc mamy 20-sekundowe stałe czasowe, układ doładowywania kondensatorów (niepokazany w całości więc niedziałający w tej formie), bo bez tego czas startu wynosi kilka minut no i powielenie tego samego filtra RC zarówno we wzmacniaczu jak w komparatorze. Ten z kolei bez histerezy czyli zrobiony jak mały Kazio wyobraził sobie porównywanie napięć.

Chcesz zrobić to lepiej a już n a pewno ciekawiej np. bez elektrolitów 2200uF za to wciąż analogowo? Inną rzeczą jest to, że rozwiązań tego typu termicznego czujnika oddechu jest dużo: być może wystarczy jeden prosty wzmacniacz pomiarowy (a nawet i to nie) i reszta obróbki po stronie cyfrowej w procesorze.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Insane0200]

Jestem otwarty na różne wersje wykonania tego projektu. Chciałbym po prostu czegoś się z tego nauczyć, a najlepiej w taki sposób ktory bedzie najbardziej praktyczny i poprawny. Nie mam jednak dużego doświadczenia jeśli chodzi o konstruowanie takich projektow i nie bardzo wiem czy sobie poradze

[marek1707]

To zacznij od zastanowienia się jak już na wstępie "wyprodukować" sygnał (np. napięcie) pozbawiony wady poprzedniego rozwiązania czyli tej wielkiej składowej stałej. W zwykłym dzielniku jesteś skazany na sygnał wyjściowy zależny od stosunku dwóch rezystancji (i oczywiście wielkości zasilania). Jeżeli jedna z tych rezystancji nie zmienia się od zera - a jest to przypadek termistora, to sygnał wyjściowy też nie zmienia się od zera. Ma on więc zawsze jakiś poziom napięcia "startowego" (offset), który jest niepotrzebny, bo nie niesie żadnej informacji.Jeśli będziesz w stanie tę stałą część już u źródła usunąć lub zniwelować ją do poziomu nieistotnego, to dalsza część toru będzie mogła być sprzężona stałoprądowo co uprości sprawę.

Podpowiedź: poczytaj o mostku Wheatstone'a chyba tak starym, jak przygoda ludzi z elektryką.

Narysuj taki mostek i jeden z jego rezystorów zastąp swoim termistorem. Policz jakieś przykładowe wartości rezystorów tak, by sygnałem wyjściowym mostka było napięcie unipolarne dla przyjętych zmian rezystancji czujnika np. od 2.57k do 2.43k. Liczby zmyśliłem, chodzi o to byś umiał dobrać mostek do dowolnego termistora i zakresu jego zmian. Policz też zakres zamian napięcia wyjściowego mostka dla jakiegoś konkretnego, małego termistora i zmian temperatury powiedzmy od 19 do 24 stopni:

https://www.tme.eu/Document/9d2eb9f3eda897a378e818dbe183c915/NTCM-10K-B3380.pdf

Czekamy na schemat i obliczenia.

EDIT: Uzywaj wyłącznie rezystorów z szeregu wartości E24.

Edytowano Maj 13, 2019 przez marek1707

[Insane0200]

Mam w domu taki termistor: https://www.aphelektra.com/termistory/737-termistor-ntc110-1-kohm.html?search_query=termistor+NTC110+1+kohm+5%+R%3A2%2C5mm &results=6
więc go użyłem do obliczeń. 
Założyłem, że projekt będzie zasilany baterią 9V. Nie wiem czy to dobrze. Mam do dyspozycji mikrokontroler ATMega32A. Lepiej już teraz przyjąć jakieś niższe napięcie zasilania czy na razie zostawić jak jest? 

Czujnik chce umieścić w takiej masce: https://allegro.pl/oferta/zestaw-do-inhalatora-maska-nebulizator-dorosli-7373812789?fbclid=IwAR3GQtrZy0F4Puiw3dkJ8ZsTeIDjSXHDDWv5KLF6rhHg2yMYwsVqUSFQ7CY
Myślę, że przy użyciu takiej maski bardziej interesuje nas temperatura wydychanego powietrza niż wdychanego. 

Wyczytałem w jakimś artykule takie oto zdanie:

Cytat

Interesujący jest fakt, że istnieje różnica statystyczna pomiędzy temperaturą powietrza wydychanego z płuc przy oddychaniu przez nos i przez gardło. W przypadku oddychania przez nos jest to 35,5ºC, a przez jamę ustną temperatura ta wynosi 34,9ºC.

 Przyjąłem zatem wartość 35 st C do obliczeń. Nie wiem czy powinienem przyjąć szerszy zakres np. od 33 do 37 stopni? Jeśli tak to odpowiedni zmieniam wartość rezystancji R1 dla takiej odczytanej z noty katalogowej dla danej temperatury i podstawiam do wzorów i otrzymuję:
Dla 33 st C, Vout = -204mV
Dla 34 st C, Vout = -226mV
Dla 35 st C, Vout = -245mV
Dla 36 st C, Vout = -267mV
Dla 37 st C, Vout = -286mV

A oto obliczenia: 



 

Edytowano Maj 13, 2019 przez Insane0200

[marek1707]

Nie wiem skąd wziąłeś to wymaganie na stosunek rezystorów będący potęgą liczby 10. Dlaczego miałoby tak być? Mostek to de facto dwa dzielniki tego samego napięcia. Całe zadanie polega na tym, by odpowiednio ustawić podziały. Możesz np. zacząć od stosunku 1:1 w gałęzi z termistorem (czyli tutaj 10k/10k) a w drugiej tak kombinować z rezystorami z szeregu E24 (masz 24 wartości więc 576 ich kombinacji z czego 24 są tym samym 1:1) by maksymalnie wyciąć składową stałą napięcia różnicowego. Dodatkowym ograniczeniem jest konieczność (wyjdzie później dlaczego) braku zmiany znaku tego napięcia w całym zakresie zmian temperatur pracy. To też musisz sobie jasno określić, bo przecież termistor będzie przede wszystkim w otoczeniu. Podczas wdechu będzie chłodzony powietrzem zasysanym do maski a podczas wydechu będzie ogrzewany ciepłem z płuc, ale to wcale nie znaczy, że w pierwszej fazie będzie spadał do 20 stopni (czy ile tam akurat jest) a w drugiej dociągał do 35 stopni. Zawsze będzie jakaś termiczna stała czasowa i to tym krótsza im mniejsza jest masa elementu i lepszy jego kontakt z powietrzem. Nawet przy powolnym oddychaniu masz kilka cykli na minutę a tylko połowa cyklu to jedna faza grzania/chłodzenia. To pewnie wyjdzie kilka sekund w najlepszym razie. Z kolei jadąc podjazd na wyścigiu oddycham pewnie z prędkością kadencji bo tak jest łatwiej, czyli 50-70 razy na minutę. Ludzie na łóżkach szpitalnych pewnie sie tak nie zdzierają, ale 10 oddechów na minutę to bym przyjął. A to oznacza 3s na fazę. W tym czasie termistor - nawet mały, na pewno nie dojedzie do temperatury otoczenia więc amplituda zmian będzie mniejsza niż wynikałaby z różnicy temperatur i na dodatek będzie malała wraz ze wzrostem szybkości oddechu. To tak jakbyś miał filtr dolnoprzepustowy i pracując na opadającej części jego ch-ki prznoszenia doprowadzał do niego coraz szybszy sygnał. Amplituda wyjściowa będzie spadać ze wzrostem częstotliwości. Dlatego napisałem zakres 19-24, bo waśnie tych kilku stopni (5-10) bym się spodziewał. No i teraz dochodzisz do pierwszego problemu: chcesz maksymalnie przybliżyć napięcie "stałej" gałęzi mostka do napięcia z gałęzi termistorowej będącej w spoczynku, bo to daje największe zmiany napięcia różnicowego (bo dobrze wycina offset). Z drugiej jednak strony musisz pamiętać o zmianach temperatury pracy całości. Inny sygnał dostaniesz gdy założysz komuś tę maskę w zimie na mrozie a inaczej gdy będzie ciepły, letni dzień. Dlatego może od razu warto pomyśleć o kompensacji temperaturowej? Gdybyś w drugiej gałęzi umieścił bliźniaczy termistor, ale schowany w układzie (lub umieszczony np. na zewnątrz maski, poza strumieniem wydychanego powietrza) to będzie on spełniał rolę termometru odniesienia. Napięcie w jego gałęzi będzie ustawiało się automatycznie do warunków, a to w drugiej będzie pływało z oddechem. Zrób modyfikacje schematu i tak policz oporniki dzielników by napięcie z jednej gałęzi było zawsze odrobinę większe (lub mniejsze, ale zawsze w tę samą stronę) niż w drugiej. W całym zakresie temperatur otoczenia i temperatur oddechu. Policz amplitudę wyjściowego napięcia różnicowego (a nie tego, które oddaje jedna gałąź dzielnika bo one osobno nas nie interesują) w temperaturze np. -10C i +25C przy założeniu, że zmiany temperatury termistora będą np. 12-stopniowe na mrozie i 5-stopniowe w temperaturze 25C.

Bezpośrednie zasilanie baterią nie jest dobre, bo jej napięcie zmienia się w czasie pracy (rozładowanie) i od temperatury. A to zmienia napięcie wyjściowe mostka. Załóż roboczo, że napędzisz mostek ze stablizowanego Vcc (5V?) procesora.

Edytowano Maj 13, 2019 przez marek1707

[Insane0200]

Przepraszam za brak kontaktu ostatnio. Przez brak czasu jestem zmuszony zawiesić na parę dni ten projekt. Może uda się wrócić do niego na początku czerwca. Proszę nie zamykać tematu lub jeśli jest taka możliwość zamknąć go do czasu aż poproszę o otwarcie w celu kontynuowania. Dziękuję marek1707 za zaangażowanie i mam nadzieję, że będzie Pan miał czas i ochotę kontynuować ze mną ten projekt za parę dni.