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2012年8月29日 星期三

Heartbeat Sensor

    前幾天看到這篇Arduino 心拍センサシールド感覺很有趣所以也來實做看看,原理是利用心臟收縮與擴張時血液流通使末梢組織的透明度發生變化,這時候將手指放上CNY70會因為這樣讓反射回來的紅外線有差異產生PWM,因此就可以靠產生的PWM測出心跳以及次數。

Part List :


  1. CNY70(或者其他種類的上照式光遮斷器)
  2. 紅色LED
  3. 10k Ohm可變電阻
  4. 220 Ohm電阻 X 2
  5. 4.7k Ohm電阻
  6. 1k Ohm電阻
  7. 100k Ohm電阻
  8. 1M Ohm電阻
  9. 0.1uF陶瓷、積層、無極性電解電容 X 2
  10. 1uF陶瓷、積層、無極性電解電容
  11. LM358雙運算放大器(我買到的上面寫HA17358,但是我發現不是所有運放都可以,例如NE5532、JRC4556AD就不行,所以這邊就用原本的358運放,可能還是要請有電子背景的朋友研究一下datasheet解答差別)

電路說明:

    左邊那個四腳的IC就是CNY70,將CNY70的紅外線發射(負極)與接收(射極)晶體接地,紅外線發射正極接上220Ohm的電阻再接上5V電源,接著將10k的可變電阻左端接上4.7k的電阻再接上5V電源分壓,然後右端接地,接著中間輸出腳(圖中黃色接線的部份)分別接上CNY70的接收晶體(集極)以及1uF的電容,並且將電容另一隻腳接到LM358的第三隻腳(正向輸入端),而這隻腳還要再接一個 100k的電阻接地,接著LM358的第二隻腳(反向輸入端)要接一個1k電阻接地,並且還要連接一個1M電阻與0.1uF電容到LM358的第一隻腳(輸出端)做回授,然後LM358的第四隻腳要接地,LM358的第八隻腳要接5V電源
並且要再接一個0.1uF電容接地消除雜訊,最後將LM358的第一隻腳(輸出端)分別接到一個220k的電阻與LED上(圖中綠色接線的部份)以及接到Arduino的Analog Pin 0(圖中紫色接線部份)。


程式:

    每秒取樣50次左右,並且確定積分值是否有達到形成PWM的程度來判斷是否有PWM,並且以每個PWM的波谷區隔每個波來更新心跳次數。


int sensor_pin = 0;
int n = 0;
int n_1 = 0;
int diff = 0;
int count = 0;
int elapse_up = 0;
int elapse_down = 0;
int integral_plus = 0;
int integral_minus = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  n = analogRead(sensor_pin); //取得現在得到的值
  diff = (n - n_1);           //將現在的值減去上次得到的值(N -(N-1))
  n_1 = n;                    //更新上一次的值

  //如果差值趨近零,則表示到達波谷又要進到新的一個PWM中。
  //並且在確定上個PWM的爬升(integral_plus)與下降(integral_minus)
  //是否有到達積分值來確定是否有PWM。
  //兩者成立則更新所有狀態。
  if(diff < 10 && diff > -10 &&
  integral_plus > 160 && integral_minus < -200){
    if(elapse_up > 50 && elapse_up < 400 &&
    elapse_down > 96 && elapse_down < 800){
      ++count;
      Serial.print(count);
      Serial.println(" Heartbeat");
    }
    elapse_up = 0;
    elapse_down = 0;
    integral_plus = 0;
    integral_minus = 0;
  }
  else if(diff > 20 && diff < 280){
    //PWM上升
    integral_plus += diff;
    elapse_up += 20;
  }
  else if(diff < -20 && diff > -200){
    //PWM下降
    integral_minus += diff;
    elapse_down += 20;
  }

  //每20ms取樣,即一秒取樣50次。
  delay(20);
}


DEMO:

    使用的時候要先調整10k可變電阻,將手指放上CNY70完全蓋住但是不能大力壓緊,接著觀察到LED會隨著心跳變動就可以了,如果不行則繼續調整可變電阻的分壓。


=============2012/09/17===============
最近有空把它Layout成板子,有+ -號那邊就是電源。


2 則留言:

  1. 相當有趣且實用的作品!

    但小弟不才我有點無法理解程式碼的運作原理
    所謂的積分的意思是
    不斷地讀取
    然後以亮度差異值判斷繼續累加或是確定達到一個心跳
    這樣嗎?

    integral_plus
    elapse_up
    這兩個值分別是什麼意思呢?

    integral_plus > 160
    160是什麼關鍵數字?
    還是測試出來的結果?

    謝謝解惑

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  2. integral_plus就是積分值,然後elapse的up跟down只是要確定採樣次數,160跟-200是一個PWM高點跟低點,你可以自己測,這跟你一秒採樣幾次有關。

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