سنسور ضربان قلب (Pulse Sensor) یک سنسور ثبت سیگنال فتوپلیسموگرافی یا PPG با توان مصرفی پایین است که می تواند براحتی با آردوینو یا بردهای توسعه دیگر متصل شود. این سنسور مهندسی پزشکی می تواند توسط دانشجویان، ورزشکاران، تولیدکنندگان و توسعه دهندگان نرم افزارهای موبایل که می خواهند داده های بر خط ضربان قلب را در پروژه های خود بگنجانند، مورد استفاده قرار گیرد. این سنسور براحتی به آردوینو وصل می شود و برای ثبت سیگنال می توان این سنسور را بر روی نوک انگشت یا لاله گوش قرار داد. همچنین این سنسور بسیار کوچک (دکمه ای شکل) است و با سوراخ هایی که بر روی مدار چاپی آن وجود دارد می توان آن را به بردی دیگر یا پارچه متصل نمود.
اجزای مورد نیاز
شما به اجزای زیر نیاز دارید:
توضیح سخت افزار سنسور
در جلوی سنسور نیز لوگوی قلب به چشم می خورد. این محل دقیقا جایی است که انگشت را برای ثبت سیگنال قرار می دهید. در قسمت جلو یک حفره گرد کوچک را مشاهده خواهید کرد که داخل آن LED نور سبز (فرستنده) نصب شده شده است.
درست زیر LED فرستنده یک فتودتکتور کوچک (گیرنده نوری) مدل APDS-9008 شرکت AVAGO قرار دارد که مشابه آن در تلفن های همراه، تبلت ها و لپ تاپ ها برای تنظیم روشنایی صفحه نمایش در شرایط نوری مختلف استفاده می شود. در پشت ماژول بقیه اجزا از جمله آپ امپ MCP۶۰۰۱ شرکت میکروچیپ و تعدادی مقاومت و خازن که شبکه فیلتر R/C را تشکیل می دهند را خواهید یافت. همچنین یک دیود محافظ معکوس برای جلوگیری از آسیب ماژول در صورت معکوس شدن تصادفی جریان برق وجود دارد.
ولتاژ عملکرد این ماژول بین ولتاژ ۳.۳ تا ۵ ولت DC با جریان در حالت فعال ۴ میلی آمپر است.
سنسور ضربان قلب چگونه کار می کند؟
درک عملکرد سنسورهای اپتیکال ضربان قلب از لحاظ تئوری بسیار آسان است. اگر تا به حال یک چراغ قوه را به نوک انگشت خود چسبانده و روشن کرده باشید، ضربان قلب خود را مشاهده کرده اید، پس در نتیجه به خوبی با تئوری سنسورهای نوری ضربان قلب آشنا هستید.
سنسور ضربان قلب یا هر حسگر نوری ضربان قلب، با تاباندن نور سبز (طول موج ۵۵۰ نانومتر) بر روی انگشت و اندازه گیری میزان نور بازتاب شده با استفاده از یک سنسور نوری (فوتودتکتور) کار می کند. این روش تشخیص پالس از طریق نور، فوتوپلتیسموگرام نامیده می شود.
سنسور ضربان قلب یا هر حسگر نوری ضربان قلب، با تاباندن نور سبز (طول موج ۵۵۰ نانومتر) بر روی انگشت و اندازه گیری میزان نور بازتاب شده از بافت آن ناحیه با استفاده از یک سنسور نوری کار می کنند. هموگلوبین اکسیژن دار در شریان خون ویژگی جذب نور سبز را دارد. هر چه خون قرمزتر باشد (هر چه هموگلوبین بیشتر باشد)، نور سبز بیشتری جذب می شود. هنگامی که خون با هر ضربان قلب از طریق انگشت پمپ می شود، مقدار نور بازتاب شده تغییر می کند و یک شکل موج متغیر در خروجی فوتودتکتور ایجاد می کند. سیگنال دریلفتی توسط فوتودتکتور ضعیف و نویزی است، بنابراین، این سیگنال از یک شبکه فیلتر R/C عبور داده می شود و سپس با استفاده از یک طبقه Op Amp تقویت می شود تا سیگنالی بزرگ تر، کم نویزتر در خروجی مدار ظاهر شود و تشخیص آن آسان تر باشد.
این سنسور معمولا به یک کابل فلت تخت سه سیمه با سر سوکت های نری متصل است. در شکل زیر می توانید برچسب پایه های این ماژول را مشاهده کنید.
پایه با برچسب S (مخفف سیگنال) خروجی سیگنال سنسنور است. این پایه باید به ورودی آنالوگ یک آردوینو متصل شود.
پایه با بر چسب VCC یا + پایه تغذیه مثبت سنسور است که باید به ولتاژ ۳.۳ یا ۵ ولت وصل شود.
پایه با بر چسب GND یا – پایه زمین سنسور است.
نحوه سنسور ضربان قلب با آردوینو
اتصال سنسور ضربان قلب به آردوینو بسیار ساده است. تنها باید سه سیم را به پایه های آردوینو متصل کنیم. سیم قرمز رنگ را به پایه 3.3 ولت یا 5 ولت آردوینو، سیم سیاه به یکی از پایه های زمین آردوینو و در نهایت سیم بنفش به پایه صفرم آنالوگ (A0) آردوینو باید متصل شود. در شکل زیر نحوه اتصال پایه ها نمایش داده شده است:
برای اینکه بتوانیم در مثال های این آموزش از کتابخانه موجود در نرم افزار آردوینو استفاده کنیم باید مراحل زیر را دنبال کنیم. برای نصب کتابخانه به مسیر Sketch / Include Library / Manage Libraris بروید.
جهت پیدا کردن راحت تر این کتابخانه عبارت “pulsesensor” را در نوار جستجو تایپ کنید. کتابخانه سنسور طبق عکس زیر باید در قسمت جستجو پیدا شود. روی آن کلیک کرده و سپس کلید Install را انتخاب کنید تا کتابخانه نصب شود.
مثال های کتابخانه پالس سنسور
کتابخانه PulseSensor دارای تعدادی مثال نمونه برای کار با این سنسور است. در این آموزش تعداد کمی از آن ها را مرور خواهیم کرد اما شما می توانید بقیه مثال ها را نیز امتحان کنید. شما می توانید از این مثال ها برای شروع توسعه کد خود استفاده کنید. برای دسترسی به مثال های نمونه، به مسیر File / Examples / PulseSensor Playground بروید که مجموعه ای از مثال های نمونه را مشاهده خواهید کرد. در این قسمت می توانید هر کدام از آن ها را انتخاب کنید تا مثال در صفحه IDE آردوینو شما بارگذاری شود. در این آموزش از پروژه GetingStarted شروع می کنیم.
مثال اول کد آردوینو-خاموش/روشن شدن LED همزمان با ضربان قلب
کد پروژه GetingStarted را از مثال های نمونه توضیح داده شده در قسمت قبل در Arduino IDE خود بارگذاری کنید. پس از کامپایل نمودن کد، آردوینو کد رو پروگرام کنید و سنسور ضربان قلب را روی نوک انگشت خود قرار دهید. با اجرای کد شما باید روشن/خاموش شدن LED بر روی آردوینو خود را همزمان با ضربان قلب خود ببینید!
این کد به سادگی کار می کند. در ابتدا تعریف پایه مورد استفاده برای اتصال سنسور ضربان قلب انجام شده است. سپس دو متغیر تعریف شده اند؛ که اولی داده های ADC ورودی سیگنال را ذخیره نموده و دومی یک آستانه تعیین می کند که کدام داده های سیگنال خروجی “به عنوان یک ضربان قلب” شمرده شود و کدام داده ها را نادیده بگیرد.
در قسمت setup، پایه LED بر روی برد آردوینو UNO (پایه ۱۳) را به عنوان خروجی تعریف می کنیم و درگاه سریال برد را نیز راه اندازی می کنیم. در حلقه تکرار برنامه، سیگنال آنالوگ را از سنسور ضربان قلب می خوانیم و وقتی سیگنال از مقدار آستانه بیشتر شد، LED بر روی برد را روشن می کنیم.
رفع مشکل ندیدن روشن/خاموش شدن LED
اگر LED بر روی برد با ضربان قلب شما روشن و خاموش نشد به موارد زیر توجه کنید:
1-اگر سنسور را بیش از حد محکم بر روی انگشت ببندید، تمام خون انگشتانتان را فشرده می کنید و اثری از آن وجود نخواهد داشت. همچنین اگر آن را بیش از حد شل ببندید، نویز ناشی از حرکت سنسور بر روی انگشت و نور محیط را دریافت خواهید کرد. بستن سنسور بطور محکم (نه خیلی محکم، نه خیلی شل) بر روی انگشتان باعث می شود این سنسور خروجی تمیزی را به بدهد.
2-فشار متغیر می تواند باعث شود خون به شکل متفاوتی در انگشت شما جریان پیدا کند و باعث شود که خوانش سنسور دچار مشکل شود. سعی کنید با اتصال سنسور به انگشت خود با استفاده از یک بند لاستیکی یا دیگر ابزارهای سفت کننده مشابه، فشار ثابتی را اعمال کنید.
3-سنسور را در قسمت های مختلف بدن خود که بافت مویرگی دارند (مانند لاله گوش) امتحان کنید.
4-سعی کنید مقدار آستانه را مجدد تنظیم کنید. مقدار آستانه به آردوینو می گوید که چه زمانی ضربانی را پیدا کند که معتبر باشد. آستانه می تواند هر عددی بین ۰ تا ۱۰۲۳ باشد، اما سعی کنید با فواصل ۵ یا ۱۰ مرحله ای تغییرات انجام دهید. پایین آوردن یا بالا آوردن بیش از حد آستانه حساسیت را افزایش می دهد. با روش آزمون وخطا بسنجید که آیا می توانید محدوده بهتری برای انگشت خود نسبت به مقدار پیش فرض (عدد 550) در کد پیدا کنید یا خیر.
کد مثال GetingStartedProject دارای قابلیت کار با Arduino Serial Plotter است، ابزاری جالب در نرم افزار Arduino IDE برای نمایش سیگنال های آنالوگ. در حالی که نرم افزار در حال اجرا است و برد آردوینو شما از طریق USB به کامپیوتر شما متصل است، از این مسیر ابزار توضیح داده شده را باز کنید: Tools / Serial Plotter
چند ثانیه صبر کنید تا سیگنال به حالت پایدار در صفحه نمایش پیدا کند، در نتیجه شما باید چیزی شبیه به شکل زیر را ببینید.
منبع: سایت lastminuteengineers.com
