آموزش کامل راه اندازی ماژول ضربان قلب AD8232 با کیت ECG آردوینو

اندازه گیری پارامترهای بیومتریک با ترکیبی از آردوینو و برنامه نویسی یکی از جذاب ترین پروژه های الکترونیکی قابل اجرا است. در آموزش کیت ecg آردوینو کیت کامل ضربان قلب ECG با ماژول AD8232 را بررسی و تحلیل خواهیم کرد. در ادامه با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

ماژول ضربان قلب AD8232

ماژول ECG AD8232 یک ماژول مبتنی بر آی سی AD8232 است که برای اندازه‌گیری سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی (ECG) استفاده می‌شود. ECG سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط عضله قلب را ضبط می‌کند و می‌تواند اطلاعات مهمی درباره عملکرد قلب و احتمال وقوع برخی مشکلات قلبی را ارائه دهد.ماژول AD8232 شامل یک آمپلی‌فایر نشانه‌گیری (instrumentation amplifier) است که به‌طور خاص برای تقویت و فیلتر کردن سیگنال‌های ECG طراحی شده است. این ماژول برای تراشه AD8232 شرکت Analog Devices توسعه داده شده است.

این ماژول از آمپلی‌فایر با نویز کم و دامنه پهنای باند بالا استفاده می‌کند تا سیگنال‌های ECG را با دقت تقویت کند.ماژول دارای فیلترهای گذر‌بالا و گذر‌پایین است که برای حذف نویزهای متداول در سیگنال‌های ECG استفاده می‌شوند و فقط اجازه می‌دهند تا سیگنال قلبی مورد نظر را از آن عبور دهند.ماژول دارای خروجی آنالوگ است که می‌توانید از آن برای خواندن سیگنال‌های ECG از طریق میکروکنترلر یا سایر سیستم‌ها استفاده کنید. ماژول AD8232 مصرف انرژی کمی دارد و برای استفاده در سیستم‌های پرباتری مناسب است.ماژول AD8232 دارای ویژگی‌هایی است که از تداخل‌های الکترومغناطیسی و نویزهای محیطی محافظت می‌کند، به طوری که سیگنال‌های ECG با کیفیت و دقت بالا دریافت می‌شوند.این ماژول از یک رابط ساده برای اتصال الکترودها به قسمت‌های مناسب برای اندازه‌گیری ECG استفاده می‌کند. همچنین دارای پیش‌تقویت‌کننده داخلی می‌باشد که به شما امکان می‌دهد از الکترودهای استاندارد ECG استفاده کنید.با توجه به اندازه کوچک و سبک ماژول AD8232، آن را می‌توان به راحتی در پروژه‌های الکترونیکی مختلفی از جمله دستگاه‌های پزشکی قابل استفاده قرار داد.به طور کلی، ماژول ECG AD8232 یک راه‌حل مناسب برای اندازه‌گیری سیگنال‌های ECG با دقت و کیفیت بالا است. با استفاده از این ماژول، می‌توانید به راحتی از سیگنال‌های قلبی برای بررسی و تحلیل عملکرد قلب و تشخیص مشکلات قلبی استفاده کنید.

کیت کامل ضربان قلب با تراشه AD8232 دارای برد AD8232، دارای کابل ECG, دارای سه پد سنسور بیومدیکال است. ماژول AD8232 به صورت تک منظوره همراه با جک ۳٫۵ میلی متری برای اتصال کابل ecg است. ماژول AD8232 قابلیت اندازه گیری ضربان قلب Heart Rate است. ولتاژ کاری ماژول AD8232 برابر با ۳٫۳ ولت DC است و با تمامی بردهای میکروکنترلر که دارای ورودی ولتاژ ۳٫۳ ولتاژ هستند، قابلیت تست و راه اندازی دارد. توسط این ماژول و الکترودیود های موجود در پکیج میتوانید توسط کابل های ECG ضربان قلب را اندازه گیری کنید. توسط کابل های ECG که با علامت های چپ LEFT , راست RIGHT بر روی آن مشخص است در دو طرف نواحی بدن قرار گرفته شده و کابل COM را میتوانید بر روی زانوی سمت راست و یا پهلوی سمت راست قرار دهید.

مشخصات فنی AD8232 ECG

• ولتاژ تغذیه: ۳٫۳ ولت تا ۵ ولت DC.
• ولتاژ خروجی: خروجی آنالوگ با ولتاژ بین ۰ تا ۳٫۳ ولت (معادل ولتاژ تغذیه).
• رنج فرکانسی: ۰٫۰۵ هرتز تا ۱۵۰ هرتز.
• نویز ورودی مشترک: کمتر از ۵۰ میکرو ولت (در فرکانس ۶۰ هرتز).
• تقویت: تقویت قابل تنظیم در محدوده ۱ تا ۱۰۰۰ برابر.
• رابط خروجی: خروجی آنالوگ برای اتصال به میکروکنترلر یا سایر سیستم‌ها.
• توان مصرفی: مصرف انرژی بسیار پایین، حدود ۱۷۰ میکرو آمپر در حالت عملیاتی.
• رابط الکترود: دارای سه پایه برای اتصال الکترودها.
• حمایت از الکترودهای فوق‌آسانسور (Right Leg Drive): برای حذف تداخل نویزهای مشترک.
• ابعاد: حدودا ۱۵٫۵ میلیمتر × ۲۰ میلیمتر.
• سازگاری: قابل استفاده در پروژه‌های الکترونیکی و دستگاه‌های پزشکی.

عملکرد کاری ماژول ضربان قلب AD8232 ECG

ماژول ECG AD8232 برای اندازه‌گیری سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی (ECG) استفاده می‌شود. عملکرد اصلی این ماژول در تقویت و فیلتر کردن سیگنال‌های ECG می‌باشد تا سیگنال قلبی دقیق و قابل تحلیلی به دست آید. ماژول AD8232 دارای آمپلی‌فایر نشانه‌گیری (instrumentation amplifier) است که سیگنال‌های ECG را با دقت تقویت می‌کند. این تقویت، سیگنال را به حدی افزایش می‌دهد که بتواند توسط سیستم‌های الکترونیکی قابل خواندن و تحلیل شود.ماژول AD8232 دارای فیلترهای گذر‌بالا و گذر‌پایین است. فیلتر گذر‌بالا، نویزهای با فرکانس پایین را حذف کرده و فیلتر گذر‌پایین نویزهای با فرکانس بالا را حذف می‌کند. این فیلترها اجازه می‌دهند تا فقط سیگنال قلبی مورد نظر را به‌دست آورده و سایر نویزها را از بین ببرند. ماژول AD8232 دارای ویژگی‌هایی است که از تداخل‌های الکترومغناطیسی و نویزهای محیطی محافظت می‌کند. ماژول AD8232 دارای خروجی آنالوگ است که می‌توانید از آن برای خواندن سیگنال‌های ECG استفاده کنید. ماژول AD8232 دارای سه پایه برای اتصال الکترودها است. الکترودها به بخش‌های مختلف بدن متصل می‌شوند تا سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط عضله قلب را دریافت کنند.

کیت ecg آردوینو توسط تغذیه ۳٫۳ ولت ولتاژ کافی برای راه اندازی آن تامین می‌شود. توسط سه پد الکترود و ورودی جک ۳٫۵ میلی متری بر روی ماژول توسط مجموعه ای از سیم ها اتصال انجام داده می‌شود. سه حسگر در بازوی سمت راست، سمت چپ و پای راست مطابق طرح و رنگ نشان داده شده در تصویر است. دیتای دریافت شده از طریق پدهای الکترود به عنوان یک سیگنال آنالوگ در پین OUTPUT ماژول AD8232 نمایش داده می‌شوند. این سیگنال آنالوگ را می توان در پین ورودی آنالوگ میکروکنترلر برای پردازش بیشتر یا تجسم بصورت نمودار استفاده کرد. پایه های LO- و LO+ به پین های ورودی دیجیتالی میکروکنترلر متصل هستند تا بررسی کنند که آیا یک سنسور وصل است یا خیر. همچنین پایه ی SDN به پین خروجی دیجیتال میکروکنترلر متصل است تا حالت کم مصرف ماژول AD8232 را فعال کند. برای استفاده از کیت ECG به دو روش میتوان اقدام کرد. منظور از لید Lead این است که از چه زاویه ای به قلب نگاه می‌کنیم. در کیت ECG تغییر ولتاژ شناسایی می‌شود و بسته به اینکه اختلاف پتانسیل بین کدام دو نقطه را چک می‌کنیم، جهت نگاه به قلب فرق خواهد کرد.

عملکرد پدهای ECG AD8232

پدهای ECG AD8232 یک نرم‌افزار برای تفسیر سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی (ECG) را فراهم می‌کنند. این پدها توسط شرکت Analog Devices تولید شده‌اند و برای اندازه‌گیری سیگنال‌های ECG در اپلیکیشن‌های پزشکی و پزشکی الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. : AD8232 توانایی اندازه‌گیری سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی (ECG) را دارد. این سیگنال‌ها نشان‌دهنده فعالیت برقی قلب هستند و اطلاعات مهمی در مورد عملکرد قلب ارائه می‌دهند.AD8232 دارای قابلیت‌های پیش‌پردازش سیگنال است که به بهبود کیفیت سیگنال و حذف نویزهای محیطی کمک می‌کند. این پیش‌پردازش شامل فیلترهای باندپاس و تقویت سیگنال می‌شود.این پدها قادر به تشخیص نقاط QRS در سیگنال ECG هستند. نقاط QRS نشان‌دهنده تغییرات بزرگ و سریع در سیگنال ECG هستند که به تعیین ضربان قلب و تجزیه و تحلیل سیگنال کمک می‌کنند. AD8232 می‌تواند داده‌های سیگنال ECG را به دستگاه‌های خارجی یا میکروکنترلرها ارسال کند تا برای نمایش یا ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد. این پدها به عنوان یک ابزار مهم در تجزیه و تحلیل سیگنال‌های ECG در تحقیقات پزشکی، مانیتورینگ بیماران، و دیگر اپلیکیشن‌های مرتبط با سیستم عصبی و عضلانی انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• Red: RA (Right Arm)
• Yellow: LA (Left Arm)
• Green: RL (Right Leg)

1.  رنگ قرمز که با RA مشخص شده است، مربوط به دست راست است.
2. رنگ زرد که با LA مشخص شده است، مربوط به دست چپ است.
3. رنگ سبز که با RL مشخص شده است، مربوط به پای راست است.

 از ECG برای اندازه گیری ضربان قلب، بررسی ریتم ضربان قلب و دیگر شرایط ضربان قلب استفاده می‌شود. نوار قلب ECG برای کمک به تشخیص حملات قلبی ، عملکرد ضربان ساز و نارسایی قلبی استفاده می شود. توسط موج مربعی ایجاد شده میتوانیم ضربان قلب را آنالیز کنیم. برای اتصال پدها به بدن، از حروف RA,LA, RL استفاده شده است که به ترتیب بر روی دست راست، دست چپ و پای راست قرار میگیرد. در تصویری که مربوط به بدن انسان است، دو روش برای اتصال پدها به بدن درج شده است که با رعایت قطب مثبت و منفی میتوانید اتصال را انجام دهید. پدها دارای روکش چسبی است. برای اتصال به بدن ابتدا روکش های چسبی را جدا کرده و سپس بر روی بدن خود قرار دهید.

نوار قلب را می توان با مطالعه اجزای شکل موج تجزیه و تحلیل کرد. این اجزا نشان دهنده فعالیت الکتریکی قلب است. شکل زیر شکل موج یک سیگنال قلب را نشان می دهد:

 قلب انسان دارای چهار حفره در دو قسمت است شامل دهلیز و بطن. دهلیز و بطن ها مستقلا منبسط و منقبض می‌شوند. در موج P نمودار قسمتی است که دهلیزها منقبض می‌شوند. در QRS بطن ها منقبض می‌شوند و چون بزرگ هستند یک موج بلند ایجاد می‌کنند که در نمودار مشخص شده است. در موج P فعالیت الکتریکی دهلیزها نمایش داده شده و حد فاصله ابتدای QRS تا انتهای T فعالیت موج بطن ها را شناسایی می‌کنیم. ارتباط داشتن این موج ها با یکدیگر بسیار مهم است. اگر قبل از هر موج QRS یک موج P داشته باشیم به این معنی است که قلب ضربان منظمی دارد و اگر قبل از موج QRS موج P نداشته باشیم به معنی نامنظم بودن ضربان قلب خواهد بود. به عبارتی موج P نشان دهنده ی عملکرد الکتریکی دهلیزها است و موج QRS شروع عملکرد الکتریکی بطن و موج T پایان آن را نمایش میدهد.

ماژول ضربان قلب AD8232

ماژول ضربان قلب AD8232 مقرون به صرفه با در نظر گرفتن اجرای پروژه های بیومتریک مهندسی پزشکی و ترکیب آن با آردوینو و سایر بردهای امبدد طراحی شده است. از این سنسور برای اندازه گیری فعالیت الکتریکی قلب و کنترل شرایط قلب و الکترودیاگرام استفاده کرد.

روش اتصال AD8232 به آردوینو ARDUINO

برای اتصال ماژول AD8232 به آردوینو شش پایه روی برد را لحیم کاری کرده و طبق جدول زیر به آردوینو متصل کنید.

کدنویسی ضربان قلب با آردوینو 

برای کدنویسی سنسور ضربان قلب با آردوینو از برد آردوینو UNO استفاده می‌کنیم. طبق جدول بالا اتصالات را انجام دهید. برای اتصال سنسور به برد آردوینو از دو پایه های LO –  و LO + استفاده می‌کنیم. توسط این پایه ها سیگنال آنالوگ فیلتر شده و در خروجی دیتای فعالیت قلب را نمایش میدهد.

• LO- = Lead is Off – Left Arm
• LO+ = Lead is Off – Right Arm

 برای فراخوانی این دو پایه از دستورات برنامه نویسی PinMode برای تعریف کردن پایه های ورودی استفاده می‌کنیم.

از سریال مانیتور برای نمایش دیتای دریافتی از سنسور استفاده می‌کنیم. بادریت را به صورت پیشفرض بر روی ۹۶۰۰ تنظیم می‌کنیم. سپس دیتای دریافتی از پایه ی A0 را با دستورات سریال دریافت و مشاهده می‌کنیم. روش دیگر استفاده از ارتباط سریال، استفاده از سریال پلاتر است.

نمونه کد راه اندازی AD8232 با آردوینو با استفاده از کتابخانه AD8232

در ادامه یک کد کامل برای راه اندازی سنسور ECG AD8232 نوشته شده است. قبل از بارگذاری این کد بر روی برد آردوینو خود، مطمئن شوید که کتابخانه AD8232 را در محیط توسعه آردوینو خود نصب کرده‌اید. شما می‌توانید با رفتن به “Sketch” -> “Include Library” -> “Manage Libraries” و جستجوی “AD8232” در مدیریت کتابخانه‌ها، این کتابخانه را نصب کنید.این کد در تابع setup() ماژول AD8232 را مقداردهی اولیه می‌کند و در تابع loop() به طور پیوسته مقادیر ECG را خوانده و وقتی داده ECG در دسترس است، مقدار آن را در مانیتور سریال با سرعت انتقال ۹۶۰۰ بیت بر ثانیه چاپ می‌کند.

#include <AD8232.h>

// ایجاد نمونه‌ای از کتابخانه AD8232
AD8232 ad8232;

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

// مقداردهی اولیه ماژول AD8232
ad8232.begin();
}

void loop() {
// بررسی می‌کنیم که آیا داده‌های ECG در دسترس هستند
if (ad8232.available()) {
// خواندن مقادیر ECG
int ecgValue = ad8232.getECG();

// چاپ مقدار ECG در مانیتور سریال
Serial.println(ecgValue);
}
}

نمونه کد راه اندازی AD8232 با آردوینو با استفاده از فانکشن MAP

در این کد، تابع map() برای تغییر مقیاس مقادیر ECG از محدوده ورودی (ECG_MIN تا ECG_MAX) به محدوده مقصد (OUTPUT_MIN تا OUTPUT_MAX) استفاده می‌شود. تابع map() با گرفتن مقدار ورودی، محدوده ورودی و محدوده مقصد به عنوان ورودی، مقدار مقیاس‌داده شده متناظر را برمی‌گرداند. مقادیر ECG_MIN، ECG_MAX، OUTPUT_MIN و OUTPUT_MAX را بر اساس نیازهای خاص خود تنظیم کنید.

#include <AD8232.h>

// ایجاد نمونه‌ای از کتابخانه AD8232
AD8232 ad8232;

// تعریف محدوده ورودی برای مقادیر ECG
const int ECG_MIN = 0;    // حداقل مقدار ECG
const int ECG_MAX = 1023; // حداکثر مقدار ECG

// تعریف محدوده مقصد برای مقیاس‌دادن
const int OUTPUT_MIN = 0;    // حداقل مقدار مقیاس‌داده شده
const int OUTPUT_MAX = 255;  // حداکثر مقدار مقیاس‌داده شده

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

// مقداردهی اولیه ماژول AD8232
ad8232.begin();
}

void loop() {
// بررسی می‌کنیم که آیا داده‌های ECG در دسترس هستند
if (ad8232.available()) {
// خواندن مقادیر ECG
int ecgValue = ad8232.getECG();

// مقیاس‌دادن مقدار ECG به محدوده مقصد
int mappedValue = map(ecgValue, ECG_MIN, ECG_MAX, OUTPUT_MIN, OUTPUT_MAX);

// چاپ مقدار مقیاس‌داده شده در مانیتور سریال
Serial.println(mappedValue);
}
}

استفاده از نمایشگر برای ضربان قلب

برای نمایش دیتای دریافتی از سنسور ضربان قلب AD8232 از نمایشگر ال سی دی کاراکتری استفاده می‌کنیم. نمایشگر ال سی دی کاراکتری انتخابی ارزان و اتصالات با کابل و ساده است. طبق جدول زیر اتصالات ال سی دی کاراکتری به آردوینو را انجام دهید.

کد آردوینو یا ال سی دی کاراکتری

در این پروژه از ال سی دی کاراکتری ۲*۱۶ برای نمایش دیتای دریافتی از سنسور ضربان قلب استفاده می‌کنیم. روش کدنویسی بدین صورت است. در ابتدا برای ارتباط با ال سی دی به کتابخانه Liquidcrystal نیاز داریم. کتابخانه را از مسیر Arduino / Tools / Manage Libraries نصب و دانلود کنید.

#include <LiquidCrystal.h>

پایه های ال سی دی کاراکتری از چپ به راست به صورت زیر است:

• VSS = زمین  GND
• VCC = تغذیه ۵ ولت
• (VO (Display Contrast Pin = تنظیم شدت نور صفحه
• (RS (Register Select = انتخاب رجیستر
• (RW (Read/Write = پایه Read و Write
• E = پایه Enable
• D0 – D7 = پایه های دیتا
• A = پایه Anode
• K = پایه Cathode

برای اتصال پایه‌های ال سی دی LCD به پایه های دیجیتال Digital آردوینو، توجه به یک نکته اهمیت دارد. هر یک از پایه‌هایی که انتخاب می‌کنید باید در کد برنامه معرفی شود. به عنوان مثال اگر از پایه‌های ۱۲,۱۱,۵,۴,۳,۲ آردوینو استفاده می‌کنید، باید به صورت زیر در کد آردوینو تعریف شود:

const int rs = 12, en = 13, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

با توجه به اینکه عده ای از کاربران پس از انجام اتصالات و آپلود برنامه با کادرهای مربعی در ال سی دی مواجه شده اند، جهت برطرف شدن مشکل نیاز به اتصال مقاومت به پایه V0 داریم.  جهت تنظیم شدت نور صفحه یا همان کنتراست از پایه V0 در ال سی دی استفاده می‌شود. برای اتصال پایه V0 به برد آردوینو به یک مقاومت ۱۰ کیلو نیاز داریم. یک سر مقاومت را به پایه V0 وصل کرده و به GND برد آردوینو اتصال دهید. سر دیگر مقاومت ۱۰ کیلو بدون اتصال باشد.پیشنهاد می‌شود.

قبل از شروع نوشتن کدهای ال سی دی نیاز به معرفی ال سی دی LCD و مشخص کردن ابعاد مورد استفاده دارید. از اینرو سطر Begin اهمیت خاصی دارد. دستور معرفی ال سی دی همانند زیر است. cols جهت مشخص کردن تعداد ستون و row برای مشخص کردن تعداد سطر می‌باشد.

lcd.begin(16, 2);

توسط تابع clear صفحه نمایش ال سی دی پاک شده و به صورت زیر در کد تعریف می‌شود. پس از تابع begin نیاز به تعریف تابع clear خواهیم داشت. تابع clear به صورت زیر در برنامه فراخوانی می‌شود.

lcd.clear(); // توسط این دستور به صورت پیشفرض صفحه نمایش پاک میشود

توسط تابع setcursor یک موقعیت خاص در ال سی دی برای مکان نما انتخاب می‌کنیم. سپس در تابع سطر row و ستون cols مورد نظر را وارد می‌کنیم. تابع cursor به صورت زیر در برنامه فراخوانی می‌شود.

 lcd.setCursor(0, 0); // انتخاب مکان نما

از تابع print برای نمایش کاراکتر در ال سی دی LCD اسنفاده می‌شود. تابع print به صورت زیر در برنامه فراخوانی می‌شود.

  lcd.print(analogRead(A0));

کد کامل برنامه ضربان قلب با ال سی دی کاراکتری

وسایل مورد نیاز

برد آردوینو Arduino

ماژول ضربان قلب با کیت ecg

نمایشگر ال سی دی کاراکتری

کابل 

برد بورد

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.

در پایان نظرات و پیشنهادات خود را با ما درمیان بگذارید و با اشتراک گذاری این آموزش در شبکه های اجتماعی , از وبسایت دیجی اسپارک حمایت کنید.