پروژه طراحی دستگاه پالس اکسی متر پرتابل با قابلیت اندازه گیری دمای بدن

هم اکنون که این آموزش در حال نگارش است، اخبار و آمار خوبی از وضعیت ابتلا به ویروس کرونا و فوت بر اثر آن، شنیده نمی شود.  از زمان شیوع این ویروس، بیش از یکسال می گذرد. ویروسی که با درگیر کردن سیستم تنفسی، سبب ضعف و بی حالی و مرگ افراد می شود. یکی از علائم ابتلا به این بیماری، تنگی نفس و کاهش میزان اکسیژن خون است. پیشتر در این آموزش(لینک آموزش-کلیک کنید) در رابطه با ساخت یک دستگاه پالس اکسی متر به کمک سنسور MAX30100 پرداخته ایم. در این آموزش به کمک سنسور MAX30102، اقدام به طراحی و پیاده سازی یک دستگاه پالس اکسی متر، با تغذیه از طریق باتری و به صورت پرتابل، می نماییم. در ابتدا، به معرفی قطعات به کار رفته در پروژه می پردازیم. سپس در ادامه، نصب کتابخانه پالس اکسی متر MAX30102 را بررسی می کنیم. پس از این مرحله، شماتیک و کدهای پروژه را خواهیم داشت. در نهایت، پس از طی مراحل پیشین، به اجرا و تست پروژه خواهیم پرداخت. در ادامه با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

 

---

ماژول ESP8266

---

ماژول ESP8266، یک برد فوق العاده قدرتمند است. این ماژول که از پردازنده XTENSA بر روی خود بهره می برد، دارای حافظه فلش با حجم ۴ مگابایت است. این پردازنده می تواند تا ۱۶۰ مگاهرتز سرعت کلاک پردازنده داشته باشد. در کنار این، این پردازنده دارای ارتباط وای فای است. به کمک این قابلیت می توانید این برد را به مودم ها متصل کرده و داده های خود را در بستر اینترنت، ارسال و دریافت کنید. همچنین این برد از سیستم عامل FREE RTOS، جهت اجرای Task های شبکه و کاربر، استفاده می کند.

برای پروگرام کردن این برد، نیاز به هیچ پروگرامر جانبی نبوده و به سادگی از طریق یک مبدل سریال به USB، می توانید این برد را پروگرام کنید. شایان ذکر اسن که این برد به سادگی و از طریق دستورات آردوینو، پروگرام شده و نیازی به یادگیری زبان جدید ندارید. در این پروژه، جهت پردازش داده ها و ارتباط با سنسور پالس، از این برد استفاده نموده ایم. وجود حافظه با حجم بالا، توجه ما را به سمت این برد جلب کرد. همچنین، از آنجاییکه این برد توانایی اتصال به مودم ها را دارد، بنابراین بدون نیاز به هیچ ابزار جانبی، می توان داده ها را از طریق اینترنت ارسال نمود.

 

---

مزایای استفاده ازماژول ESP8266

---

ماژول ESP8266 یک ماژول با اندازه کوچک، توان پردازشی و حجم حافظه بالاست. از آنجاییکه حجم برنامه این پروژه سنگین است، لذا این تراشه انتخابی مناسب خواهد بود. به طوریکه با تست صورت گرفته، مشاده شده که این برنامه ۷۰ درصد حجم حافظه برد آردوینو را اشغال می کند. در کنار این، با کاهش ولتاژ تغذیه ماژول، دقت مقادیر اندازه گیری شده به مراتب بیشتر گردید. علاوه بر موارد ذکر شده، ماژول ESP8266 قابلیت اتصال به اینترنت را در خود جای داده است. بدین ترتیب شما می توانید به سادگی و بدون نیاز به هیچ ماژول جانبی، داده های اندازه گیری شده را در بستر اینترنت، ارسال کنید. به کمک این قابلیت می توانید وضعیت سلامت افراد سالمند، بیمار و یا خردسال از راه دور مانیتور نمایید. به عنوان مثال، در این پروژه(لینک پروژه، کلیک کنید) داده های محیط نظیر دما و رطوبت را به یک پلتفرم آماده با نام uBeac ارسال شده است. با توجه به آنچه که گفته شد، مزایای استفاده از ماژول ESP8266 را می توان به صورت زیر، صورت بندی نمود.

• اندازه کوچک، قیمت مقرون به صرفه
• قابلیت ایجاد شبکه وای فای به صورت لوکال
• فرکانس کاری ۱۶۰ مگاهرتزی، حافظه ۴ مگابایتی
• قابلیت اتصال به اینترنت از طریق مودم و بدون نیاز به هیچ تجهیز جانبی

 

---

معرفی سنسور MAX30102

---

سنسور پالس اکسی متر MAX30102، یک سنسور جهت سنجش میزان اکسیژن خون و میزان ضربان قلب کاربر است. این سنسور که از پروتکل I2C پشتیبانی می کند، قادر است تا میزان ضربان قلب و اکسیژن خون را اندازه گیری نماید. از دیگر قابلیت های این سنسور می توان به اندازه گیری دما نیز اشاره نمود. بدین ترتیب به کمک این سنسور، سه پارامتر حیاتی و مهم دمای بدن، میزان ضربان قلب و مقدار اکسیژن خون را می توانید اندازه گیری نمایید. به عبارت دیگر، به کمک این سنسور، می توان سلامت افراد در مقابل بیماری کرونا را کنترل نمود. در سایر موارد، نظیر تست های ورزشی و ساخت گجت های هوشمند نیز، می توان از این سنسور، بهره برد. برای راه اندازی و کار با این سنسور، کتابخانه های مختلفی تحت آردوینو توسعه یافته که در این آموزش از کتابخانه DF ROBOT استفاده خواهیم کرد.

سنسور پالس اکسی متر MAX30102، یک سنسور با قابلیت راه اندازی از طریق بردهای آردوینو و ESP است. اما جهت راه اندازی و کار با این سنسور، دو مورد زیر حائز اهمیت است.

• این سنسور با ولتاژ ۵ آدروینو راه اندازی شد، اما طبق بررسی به عمل آمده، با کاهش ولتاژ تغذیه آن به مقدار ۲٫۶ ولت و اتصال به برد ESP8266، مقادیر خروجی آن دقیق تر شدند.
• کتابخانه مورد استفاده سنسور، در برد آردوینو UNO تا ۷۰ درصد حجم حافظه را اشغال می کند. لذا ماژول ESP8266 جهت راه اندازی و کار با این سنسور، به دلیل حجم حافظه بالا(۴مگابایت)، انتخاب مناسبی برای کار با این سنسور به شمار می رود.

 

---

نمایشگر OLED پالس اکسی متر

---

نمایشگرهای OLED نسل جدید از نمایشگرها در حوزه الکترونیک و کامپیوتر هستند. این نمایشگر ها در اندازه های ۳۲*۱۲۸ و یا بزرگتر ساخته می شوند. از این نمایشگر ها در ساعت های هوشمند، گجت های پوشیدنی و… به وفور استفاده می گردد. در این آموزش ما هم از این نمایشگر برای نمایش اطلاعات مربوط به میزان ضربان قلب و اکسیژن خون کاربر، استفاده می نماییم. برای راه اندازی و نحوه کار با این نمایشگر، پیشنهاد می کنم آموزش های منتشر شده در دیجی اسپارک(لینک آموزش ها، کلیک کنید) را به طور کامل مطالعه نمایید.

در این آموزش از یک نمایشگر OLED با اندازه ۱۲۸X32 استفاده نموده ایم. به کمک این نمایشگر، مقادیر ضربان قلب و اکسیژن خون کاربر را نمایش می دهیم. از آنجاییکه این نمایشگرها به نور پس زیمنه نیازی ندارند، بنابراین توان مصرفی آن ها بسیار کم بوده و برای پروژه های قابل حمل و گجت های هوشمند، انتخاب مناسبی به شمار می روند.

 

---

باتری لیتیوم پلیمر Li-Po

---

باتری ها از ابزارهای مهم در تغذیه سیستم های مختلف به شمار می روند. یکی از بهترین نوع باتری ها در تغذیه گجت های هوشمند و سیستم های قابل حمل، باتری های لیتیم پلیمر هستند. این باتری ها با ابعاد کوچک و مسطح، از ظرفیت بسیار بالاتری نسبت به باتری های هم رده خود، لیتیم یون، برخوردار بوده و کارایی بیشتر در این نوع سیستم ها، خواهند داشت.

 

یکی از مهم ترین مسایل در کار با باتری ها، چگونگی شارژ آن هاست. برای شارژ باتری های لیتیم پلیمری، ماژول های شارژ تولید شده اند. این ماژول ها دارای سوکت میکرو USB و دو پایه جهت اتصال باتری هستند. بنابراین، به کمک این ماژول ها و به سادگی هر چه تمام تر، می توانید باتری خود را شارژ نمایید. با کلیک بر روی این لینک، می توانید ماژول شارژر مناسب باتری ها را مشاهده نمایید.

 

در این آموزش، از باتری لیتیم پلیمری جهت تغذیه دستگاه پالس اکسی متر استفاده می نماییم. بدین ترتیب می توانیم دستگاه خود را قابل حمل(پرتابل) نماییم. همچنین به کمک ماژول شارژر، به سادگی و از طریق شارژهای تلفن همراه و یا پورت های USB، قادر به شارژ باتری خواهیم بود. در طرف دیگر، چنانچه قصد دارید تا امکانات کاربری دستگاه را افزایش دهید، می توانید میزان شارژ باتری را به درصد بر روی نمایشگر، نشان دهید. برای این مورد،  کافیست آموزش آن را با کلیک بر روی این لینک، مشاهده نمایید.

 

---

مبدل کاهنده ولتاژ lm2596

---

مبدل کاهنده LM2596، یک مبدل ولتاژ DC به DC است. به کمک این مبدل می توانید ولتاژ ورودی خود را به ولتاژ دلخواه خود در خروجی، تبدیل نمایید. با توجه به وجود یک مولتی ترن(ولوم) جهت تنظیم ولتاژ، می توان ولتاژ خروجی را بر مبنای نیاز خود، روی ولتاژ های ۳٫۳، ۵، ۳، ۱٫۸ و به طور کلی هر ولتاژی که مد نظر شماست، تنظیم نمایید. راه اندازی و کار با این ماژول بسیار ساده بوده و کافیست در ورودی تغذیه را متصل کرده و با ولوم، خروجی را تنظیم نمایید. این ماژول می تواند تا ۳ آمپر جریان به خروجی، بار دهد.

در رابطه با تغذیه ماژول ESP از طریق باتری، باید توجه داشت که این ولتاژ بیشینه برای تغذیه این ماژول، ۳٫۶ ولت است. از طرف دیگر، ولتاژ باتری های لیتیم پلیمری، در بازه ۳٫۴ به ازای تخلیه کامل تا ۴٫۲ در حالت فول شارژ، قرار می گیرند. بنابراین، جهت تامین تغذیه برد ESP و سایر تجهیزات، به کمک ماژول کاهنده ولتاژ LM2596، ولتاژ باتری را کاهش داده و به ۲٫۶ که مناسب سیستم است، می رسانیم.

 

---

نصب کتابخانه سنسور MAX30102

---

پس از معرفی و آشنایی به قطعات به کار رفته در پروژه، نوبت به نصب کتابخانه سنسور MAX30102 می رسد. به کمک  این کتابخانه می توانیم به سادگی با سنسور ارتباط برقرار کرده و میزان پالس و ضربان قلب را بدون نیاز به درگیر شدن با جزییات، بخوانیم. برای نصب این کتابخانه، می بایست به شیوه دستی عمل کنید. در روش دستی، فایل کتابخانه را دانلود کرده و در مسیر نصب آردوینو، قرار می دهیم. به همین منظور، مراحل زیر را قدم به قدم، طی می کنیم.

1. ابتدا فایل فشرده کتابخانه را با کلیک بر روی این لینک و انتخاب گزینه code->zip دانلود کنید.
2. فایل را با گلیک و انتخاب گزینه extract here، از حالت فشرده خارج کنید.
3. این فایل را در مسیر نصب آردوینو و در فولدر libraries، قرار دهید. مسیر نصب آردوینو معمولا در درایو C و در قسمت program files قرار دارد.

توجه: پس از خارج سازی فایل دانلود شده از حالت فشرده، با کلیک بر روی فولدر unzip شده، می بایست تصویر زیر مشاهده گردد.

 

---

شماتیک و اتصالات

---

در این قسمت به بررسی شماتیک و اتصالات پروژه می پردازیم. در ابتدا، تصویر زیر نمای کلی از شیوه سیم کشی و اتصالات را نمایش می دهد.

در ادامه، اتصالات مدار فوق را به صورت زیر، در پیش بگیرید. همچنین در نظر داشته باشید که خروجی مبدل ولتاژ حتما بر روی ولتاژ ۲٫۶ ولت، پیش از اتصال به قطعات، تنظیم شده باشد. در ادامه، اتصالات سنسور MAX30102 را به شکل زیر در پیش بگیرید.

• پایه vin سنسور max30102 به پایه ۲٫۶ ولت خروجی مبدل ولتاژ lm2596
• پایه GND سنسور MAX30102 به پایه GND خروجی مبدل ولتاژ
• پایه SCL سنسور MAX30102 به پایه GPIO5 ماژول ESP8266
• پایه SDA سنسور MAX30102 به پایه  GPIO4 ماژول ESP8266
• همچنین، اتصالات نمایشگر OLED را به صورت زیر، در نظر بگیرید.
• پایه VCC به پایه خروجی ۲٫۶ ولت مبدل ولتاژ LM2596
• پایه GND به پایه GND خروجی مبدل ولتاژ
• پایه SCL به پایه GPIO12 ماژول ESP8266
• پایه SDA به پایه GPIO13 ماژول ESP8266

همچنین، تغذیه ماژول ESP8266 نیز ۲٫۶ ولت بوده و از همان خروجی مبدل کاهنده ولتاژ، تامین می شود. در ورودی ماژول LM2596 نیز، باتری لیتیم پلیمری قرار می گیرد. دقت کنید که هنگام اتصال این باتری به ماژول، پلاریته را رعایت نمایید.

توجه: جهت افزایش قابلیت اطمینان و کاهش نویز، می توانید از یک خازن ۱۰۰۰ میکروفارادی به صورت موازی با تغذیه ماژول ESP8266(خروجی کاژول کاهنده) استفاده کنید.

 

---

کدهای پروژه پالس اکسی متر

---

در این قسمت کدهای پروژه پالس اکسی متر ار مشاهده می کنید. این کدها برای برد ESP8266 توسعه یافته اند. بنابراین در هنگام آپلود کد، از منوی  Tools->Boards، گزینه ESP8266 را انتخاب نمایید. در صورتیکه با نحوه آپلود کد بر روی این برد آشنایی کافی ندارید، با کیلک بر روی این لینک می توایند آموزش آن را مطالعه نمایید.

 

 

---

اجرای پروژه پالس اکسی متر

---

در این قسمت به اجرای پروژه می پردازیم. پیش  از اجرای پروژه، دقت کنید که باتری شما شارژ کامل باشد. در صورتیکه قصد دارید تا با برق شهری تست بگیرید، پیشنهاد می شود که یک منبع تغذیه ۵ ولت به ورودی رگولاتور خود متصل کنید. پس از روشن شدن دستگاه، چنانچه همه چیز به درستی پیش رفته باشد، نور قرمز رنگ سنسور پالس را مشاهده خواهید کرد. در این قسمت، انگشت دست خود را بر روی نور قرمز رنگ سنسور قرار دهید. پس از چند لحظه، از بالای صفحه تا پایین به ترتیب، میزان اکسیژن خون در جلوی عبارت S، ضربان قلب در جلوی عبارت h و دمای بدن در کنار عبارت t، نمایش داده می شود. توجه داشته باشید که مقادیر اولیه ممکن است دارای خطا باشند، لذا چند لحظه صبر کنید تا مقادیر دقیق تر و پایدار شوند. همچنین هنگام اندازه گیری، از تکان خوردن و صحبت کردن بپرهیزید.

 

همانطور که پیشتر نیز بیان گردید، در این پروژه داده ها را می توان در سریال مانیتور نیز دریافت کرده و سپس نمایش داد. تصویر زیر گویای این مطلب است.

 

---

تحلیل کدهای پروژه

---

در این قسمت به بررسی کدهای به کار رفته در پروژه می پردازیم. توجه داشته باشید که کدهای پروژه به صورت خط به خط، کامنت شده اند. به عبارت دیگر به ازای هر قسمت و مرحله از برنامه، توضیح فارسی درج شده که با مطالعه آن می توانید روال کار را دریابید. در این قسمت به صورت خلاصه، به شرح کدها می پردازیم. در ابتدای برنامه به درج کتابخانه های به کار رفته می پردازیم. همچنین، از آنجاییکه در این پروژه برای نمایش داده ها بر روی نمایشگر OLED از کتابخانه u8g2 استفاده کرده ایم، می بایست پایه های SCL و SDA آن را به شکل زیر، تعیین کنیم.

 

 

---

لوازم مورد نیاز

---

کیت پالس اکسی متر پرتابل

 

---

جمع بندی

---

در این پروژه به طراحی و پیاده سازی یک دستگاه پالس اکسی متر، با قابلیت حمل پرداختیم. به کمک این دستگاه می توان علاوه بر اکسیژن خون، میزان ضربان قلب و دمای بدن را نیز اندازه گیری نمود. در ابتدای مطلب به معرفی قطعات به کار رفته، نصب کتابخانه و شماتیک مدار پرداختیم. پس از آن، کدهای برنامه جهت آپلود بر روی برد ESP8266-12E را قرار دادیم. در نهایت پس از تست و اجرا، به تحلیل کدها پرداختیم. از آنجاییکه در این پروژه از برد ESP بهره برده ایم، لذا از لحاظ حافظه محدودیت نداشته و می توانیم کدهای سنگین، نظیر کدهای این پروژه را اجرا کنیم. همچنین در صورت نیزا، می توانید با خیالی آسوده از بابت حافظه، امکانات بسیاری را به آن، اضافه نمایید. از آنجاییکه که تراشه ESP8266 قابلیت اتصال به اینرتنت و ساخت شبکه لوکال وای فای را دارد، بنابراین می توانید امکانات پروژه را ارتقا دهید.

 

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. همچنین اگر ایرادی در کدها و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.