آموزش ساخت نمایشگر شمارش ضربان قلب با آردوینو Arduino و LED

هر سیستمی دارای علائمی جهت اعلام وضعیت می باشد. بدن انسان چنن نوع علامت جهت اعلام وضعیت دارد. یکی از این علائم ضربان قلب می باشد.  یکی از پارامترهای سلامتی می باشد. با پیشرفته تر شدن گجت های پوشیدنی بررسی وضعیت ضربان قلب به یک امر عادی تبدیل شده است. در این پست شیوه ی ساخت یک ضربان سنج قابل حمل را آموزش میدهم. در ادامه با مرجع تخصصی آردوینو دیجی اسپارک همراه باشید.

ساختار سنسور ضربان قلب

همانطور که میدانید سنسور ضربان قلب در دسته ی بیومتریک ها قرار دارد.  به عبارتی یکی از شگفت انگیز ترین سنسور های بیومتریک می باشد. این ماژول از تراشه آپ امپ MCP6001 در کنار سنسور APDS9008 بهره میبرد. یک ال ای دی پشت سنسور APDS قرار دارد. پس از قرار دادن پوست بدن روی سنسور در اثر بازگشت نور ضربان قلب را شناسایی می کند. سپس از طریق درگاه آنالوگ به مبکروکنترلر ارسال میکند. لازم به ذکر است از بردهای آردوینو و رزبری پای و Node MCU  و دیگر بردهای میروکنترلر میتوانید استفاده کنید.

وسایل مورد نیاز

سنسور ضربان قلب pulse sensor

ماژول نمایشگر Neo Pixel

برد آردوینو Arduino UNO یا برد آردوینو Pro micro

چند رشته سیم

اتصال ضربان سنج به آردوینو

در این آموزش شیوه ی اتصال به برد آردوینو UNO  و آردوینو Pro micro جهت جاسازی در  لباس را توضیح خواهم داد. اول با برد آردوینو UNO شروع میکنیم.

پایه + سنسور ضربان را به ۵ ولت آردوینو وصل میکنیم.

پایه – سنسور ضربان را به GND آردوینو وصل میکنیم.

پایه S (سیگنال) سنسور را به پایه A0 (آنالوگ) آردوینو وصل میکنیم.

پایه DI از ال ای دی حلقه ای را به پایه ۵ (دیجیتال) آردوینو وصل میکنیم.

پایه VCC ال ای دی حلقه ای را به پابه ۳٫۳ آردوینو وصل میکنیم.

پایه GND ال ای دی حقه ای را به پابه GND آردوینو وصل میکنیم.

فراخوانی کتابخانه

در این آموزش من از کتابخانه‌ی neopixel استفاده کرده‌ام. برای دانلود کتابخانه به صفحه محصول حلقه ال ای دی LED Neo Pixel ring RGB مراجعه و در انتهای صفحه لینک کتابخانه وجود دارد.

نکته بسیار مهم

از آنجایی که برای ساده شدن و کم حجم بودن کدها از دو کد مجزا استفاده کرده ام ، باید به همگام کامپایل کردن از دو تب مجزا استفاده کنید. برای این منظور کافیست بعد از باز کردن برنامه آردوینو از کلیدهای میانبر Ctrl+Shift+N استفاده کنید همانطور که درتصویر زیر میبینید، یک نام برای تب مورد نظر تعریف میکنید و سپس تایید و سپس در درایور مورد نظر خود ذخیره نمایید . حالا کد اول در یکی از تب ها و کد دوم را در دیگری قرار دهید.

کدهای برنامه ضربان قلب آردوینو

#include <Adafruit_NeoPixel.h>    // Library containing 
 
// Behavior setting variables
int pulsePin = 0; // Pulse Sensor purple wire connected to analog pin 0
int blinkPin = 13; // Digital pin to blink led at each beat
int fadePin = 5; // pin to do fancy neopixel effects at each beat
int fadeRate = 0; // used to fade LED on with PWM on fadePin
 
// these variables are volatile because they are used during the interrupt service routine
volatile int BPM; // used to hold the pulse rate
volatile int Signal; // holds the incoming raw data
volatile int IBI = 600; // holds the time between beats, the Inter-Beat Interval
volatile boolean Pulse = false; // true when pulse wave is high, false when it's low
volatile boolean QS = false; // becomes true when Arduoino finds a beat.
 
// Set up use of NeoPixels
const int NUMPIXELS = 12; // Put the number of NeoPixels you are using here
const int BRIGHTNESS = 60; // Set brightness of NeoPixels here
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, fadePin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
 
void setup(){
 pinMode(blinkPin,OUTPUT); // pin that will blink to your heartbeat!
// Serial.begin(115200); // Serial output data for debugging or external use
 strip.begin();
 strip.setBrightness(BRIGHTNESS);
 for (int x=0; x < NUMPIXELS; x++) { // Initialize all pixels to 'off'
 strip.setPixelColor(x, strip.Color(0, 0, 0));
 }
 strip.show(); // Ensure the pixels are off 
 delay(1000); // Wait a second
 interruptSetup(); // sets up to read Pulse Sensor signal every 2mS 
}
 
void loop(){
// sendDataSerial('S', Signal); // send Processing the raw Pulse Sensor data
 if (QS == true){ // Quantified Self flag is true when arduino finds a heartbeat
 fadeRate = 255; // Set 'fadeRate' Variable to 255 to fade LED with pulse
// sendDataSerial('B',BPM); // send heart rate with a 'B' prefix
// sendDataSerial('Q',IBI); // send time between beats with a 'Q' prefix
 QS = false; // reset the Quantified Self flag for next time 
 }
 ledFadeToBeat(); // Routine that fades color intensity to the beat
 delay(20); // take a break
}
 
void ledFadeToBeat() {
 fadeRate -= 15; // Set LED fade value
 fadeRate = constrain(fadeRate,0,255); // Keep LED fade value from going into negative numbers
 setStrip(fadeRate); // Write the value to the NeoPixels 
// sendDataSerial('R',fadeRate);
}
 
void sendDataSerial(char symbol, int data ) {
// Serial.print(symbol); // symbol prefix tells Processing what type of data is coming
// Serial.println(data); // the data to send culminating in a carriage return
}
 
void setStrip(int r) { // Set the strip to one color intensity (red)
 int g = 0; // Green is set to zero (for non-red colors, change this)
 int b = 0; // Blue is set to zero (for non-red colors, change this)
 for (int x=0; x < NUMPIXELS; x++) {
 strip.setPixelColor(x, strip.Color(r, g, b));
 }
 strip.show();
}

کدهای سنسور ضربان قلب

    
    volatile int rate[10];                    // used to hold last ten IBI values
    volatile unsigned long sampleCounter = 0;          // used to determine pulse timing
    volatile unsigned long lastBeatTime = 0;           // used to find the inter beat interval
    volatile int P =512;                      // used to find peak in pulse wave
    volatile int T = 512;                     // used to find trough in pulse wave
    volatile int thresh = 512;                // used to find instant moment of heart beat
    volatile int amp = 100;                   // used to hold amplitude of pulse waveform
    volatile boolean firstBeat = true;        // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM
    volatile boolean secondBeat = true;       // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM
     
    void interruptSetup(){     
      // Initializes Timer2 to throw an interrupt every 2mS.
      TCCR2A = 0x02;     // DISABLE PWM ON DIGITAL PINS 3 AND 11, AND GO INTO CTC MODE
      TCCR2B = 0x06;     // DON'T FORCE COMPARE, 256 PRESCALER 
      OCR2A = 0X7C;      // SET THE TOP OF THE COUNT TO 124 FOR 500Hz SAMPLE RATE
      TIMSK2 = 0x02;     // ENABLE INTERRUPT ON MATCH BETWEEN TIMER2 AND OCR2A
      sei();             // MAKE SURE GLOBAL INTERRUPTS ARE ENABLED      
    } 
     
    // THIS IS THE TIMER 2 INTERRUPT SERVICE ROUTINE. 
    // Timer 2 makes sure that we take a reading every 2 miliseconds
    ISR(TIMER2_COMPA_vect){                         // triggered when Timer2 counts to 124
        cli();                                      // disable interrupts while we do this
        Signal = analogRead(pulsePin);              // read the Pulse Sensor 
        sampleCounter += 2;                         // keep track of the time in mS with this variable
        int N = sampleCounter - lastBeatTime;       // monitor the time since the last beat to avoid noise
     
    //  find the peak and trough of the pulse wave
        if(Signal < thresh && N > (IBI/5)*3){       // avoid dichrotic noise by waiting 3/5 of last IBI
            if (Signal < T){                        // T is the trough
                T = Signal;                         // keep track of lowest point in pulse wave 
             }
           }
          
        if(Signal > thresh && Signal > P){          // thresh condition helps avoid noise
            P = Signal;                             // P is the peak
           }                                        // keep track of highest point in pulse wave
        
      //  NOW IT'S TIME TO LOOK FOR THE HEART BEAT
      // signal surges up in value every time there is a pulse
    if (N > 250){                                   // avoid high frequency noise
      if ( (Signal > thresh) && (Pulse == false) && (N > (IBI/5)*3) ){        
        Pulse = true;                               // set the Pulse flag when we think there is a pulse
        digitalWrite(blinkPin,HIGH);                // turn on pin 13 LED
        IBI = sampleCounter - lastBeatTime;         // measure time between beats in mS
        lastBeatTime = sampleCounter;               // keep track of time for next pulse
             
             if(firstBeat){                         // if it's the first time we found a beat, if firstBeat == TRUE
                 firstBeat = false;                 // clear firstBeat flag
                 return;                            // IBI value is unreliable so discard it
                }   
             if(secondBeat){                        // if this is the second beat, if secondBeat == TRUE
                secondBeat = false;                 // clear secondBeat flag
                   for(int i=0; i<=9; i++){         // seed the running total to get a realisitic BPM at startup
                        rate[i] = IBI;                      
                        }
                }
              
        // keep a running total of the last 10 IBI values
        word runningTotal = 0;                   // clear the runningTotal variable    
     
        for(int i=0; i<=8; i++){                // shift data in the rate array
              rate[i] = rate[i+1];              // and drop the oldest IBI value 
              runningTotal += rate[i];          // add up the 9 oldest IBI values
            }
            
        rate[9] = IBI;                          // add the latest IBI to the rate array
        runningTotal += rate[9];                // add the latest IBI to runningTotal
        runningTotal /= 10;                     // average the last 10 IBI values 
        BPM = 60000/runningTotal;               // how many beats can fit into a minute? that's BPM!
        QS = true;                              // set Quantified Self flag 
        // QS FLAG IS NOT CLEARED INSIDE THIS ISR
        }                       
    }
     
      if (Signal < thresh && Pulse == true){     // when the values are going down, the beat is over
          digitalWrite(blinkPin,LOW);            // turn off pin 13 LED
          Pulse = false;                         // reset the Pulse flag so we can do it again
          amp = P - T;                           // get amplitude of the pulse wave
          thresh = amp/2 + T;                    // set thresh at 50% of the amplitude
          P = thresh;                            // reset these for next time
          T = thresh;
         }
      
      if (N > 2500){                             // if 2.5 seconds go by without a beat
          thresh = 512;                          // set thresh default
          P = 512;                               // set P default
          T = 512;                               // set T default
          lastBeatTime = sampleCounter;          // bring the lastBeatTime up to date        
          firstBeat = true;                      // set these to avoid noise
          secondBeat = true;                     // when we get the heartbeat back
         }
      
      sei();                                     // enable interrupts when youre done!
    }// end isr

در این برنامه ال ای دی های نئوپیکسل Neopixel فقط رنگ قرمز را نشان میدهد که شما میتوانید به رنگ دلخواهتان تغییر دهید.

نمونه کد ضربان قلب برای برد آردوینو Pro micro

volatile int rate[10]; // used to hold last ten IBI values
volatile unsigned long sampleCounter = 0; // used to determine pulse timing
volatile unsigned long lastBeatTime = 0; // used to find the inter beat interval
volatile int P =512; // used to find peak in pulse wave
volatile int T = 512; // used to find trough in pulse wave
volatile int thresh = 512; // used to find instant moment of heart beat
volatile int amp = 100; // used to hold amplitude of pulse waveform
volatile boolean firstBeat = true; // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM
volatile boolean secondBeat = true; // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM

void interruptSetup(){ 
 // Initializes Timer2 to throw an interrupt every 2mS.
 TCCR1A = 0x02; // DISABLE PWM ON DIGITAL PINS 3 AND 11, AND GO INTO CTC MODE
 TCCR1B = 0x05; // DON'T FORCE COMPARE, 256 PRESCALER 
 OCR1A = 0X7C; // SET THE TOP OF THE COUNT TO 124 FOR 500Hz SAMPLE RATE
 TIMSK1 = 0x02; // ENABLE INTERRUPT ON MATCH BETWEEN TIMER2 AND OCR2A
 sei(); // MAKE SURE GLOBAL INTERRUPTS ARE ENABLED 
} 

// THIS IS THE TIMER 2 INTERRUPT SERVICE ROUTINE. 
// Timer 2 makes sure that we take a reading every 2 miliseconds
ISR(TIMER2_COMPA_vect){ // triggered when Timer2 counts to 124
 cli(); // disable interrupts while we do this
 Signal = analogRead(pulsePin); // read the Pulse Sensor 
 sampleCounter += 2; // keep track of the time in mS with this variable
 int N = sampleCounter - lastBeatTime; // monitor the time since the last beat to avoid noise

// find the peak and trough of the pulse wave
 if(Signal < thresh && N > (IBI/5)*3){ // avoid dichrotic noise by waiting 3/5 of last IBI
 if (Signal < T){ // T is the trough
 T = Signal; // keep track of lowest point in pulse wave 
 }
 }
 
 if(Signal > thresh && Signal > P){ // thresh condition helps avoid noise
 P = Signal; // P is the peak
 } // keep track of highest point in pulse wave
 
 // NOW IT'S TIME TO LOOK FOR THE HEART BEAT
 // signal surges up in value every time there is a pulse
if (N > 250){ // avoid high frequency noise
 if ( (Signal > thresh) && (Pulse == false) && (N > (IBI/5)*3) ){ 
 Pulse = true; // set the Pulse flag when we think there is a pulse
 digitalWrite(blinkPin,HIGH); // turn on pin 13 LED
 IBI = sampleCounter - lastBeatTime; // measure time between beats in mS
 lastBeatTime = sampleCounter; // keep track of time for next pulse
 
 if(firstBeat){ // if it's the first time we found a beat, if firstBeat == TRUE
 firstBeat = false; // clear firstBeat flag
 return; // IBI value is unreliable so discard it
 } 
 if(secondBeat){ // if this is the second beat, if secondBeat == TRUE
 secondBeat = false; // clear secondBeat flag
 for(int i=0; i<=9; i++){ // seed the running total to get a realisitic BPM at startup
 rate[i] = IBI; 
 }
 }
 
 // keep a running total of the last 10 IBI values
 word runningTotal = 0; // clear the runningTotal variable 

 for(int i=0; i<=8; i++){ // shift data in the rate array
 rate[i] = rate[i+1]; // and drop the oldest IBI value 
 runningTotal += rate[i]; // add up the 9 oldest IBI values
 }
 
 rate[9] = IBI; // add the latest IBI to the rate array
 runningTotal += rate[9]; // add the latest IBI to runningTotal
 runningTotal /= 10; // average the last 10 IBI values 
 BPM = 60000/runningTotal; // how many beats can fit into a minute? that's BPM!
 QS = true; // set Quantified Self flag 
 // QS FLAG IS NOT CLEARED INSIDE THIS ISR
 } 
}

 if (Signal < thresh && Pulse == true){ // when the values are going down, the beat is over
 digitalWrite(blinkPin,LOW); // turn off pin 13 LED
 Pulse = false; // reset the Pulse flag so we can do it again
 amp = P - T; // get amplitude of the pulse wave
 thresh = amp/2 + T; // set thresh at 50% of the amplitude
 P = thresh; // reset these for next time
 T = thresh;
 }
 
 if (N > 2500){ // if 2.5 seconds go by without a beat
 thresh = 512; // set thresh default
 P = 512; // set P default
 T = 512; // set T default
 lastBeatTime = sampleCounter; // bring the lastBeatTime up to date 
 firstBeat = true; // set these to avoid noise
 secondBeat = true; // when we get the heartbeat back
 }
 
 sei(); // enable interrupts when youre done!
}// end isr

از آنجایی که وقفه های برد Pro micro با آردوینو Uno متفاوت است ، یک سری از کدها تغییر داده شده است که باید از کد بالا برای Pro micro استفاده نمایید.

چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد.