تصميم نموذج لحسّاس ضربات القلب باستخدام الأردوينو

حسّاس ضربات القلب: عبارة عن جهاز إلكترونيّ يُستخدم لقياس معدّل ضربات القلب، حيث تُعتبر مراقبة درجة حرارة الجسم ومعدل ضربات القلب وضغط الدم أشياء أساسيّة نقوم بها للحفاظ على صحتنا، فنستخدم مقياس الحرارة thermometer  لقياس درجة حرارة الجسم ونستخدم مقياس ضغط الدّم sphygmomanometer لمراقبة الضّغط الشّريانيّ أو ضغط الدّم.

يُراقَب معدّل ضربات القلب باستخدام آليّتين:

  • يدوياً من خلال تحسّس النّبض باستخدام أصابع اليد عند المعصمَين أو الرّقبة.
  • باستخدام حسّاس ضربات القلب.

في هذا المشروع قُمنا بتصميم نظام لمراقبة معدّل ضربات القلب باستخدام أردوينو وحسّاس ضربات القلب. وسنتمكن من التعرّف أكثر على مبادئ حسّاس نبضات القلب، وآليّة عمله، ونظام مراقبة معدّل ضربات القلب المعتمدة على الأردوينو باستخدام حسّاس حقيقي لنبضات القلب.

محتويات المقال:

  1. مقدّمة حول حسّاس نبضات القلب وتتضمّن:
    – مبدأ حسّاس نبضات القلب
    – آليّة عمل حسّاس نبضات القلب.
  2. دارة مراقبة معدّل نبضات القلب تُصمّم باستخدام أردوينو وحسّاس نبض القلب.
  3. العناصر الإلكترونيّة المستخدمة في المشروع.
  4. تصميم الدّارة الإلكترونيّة.
  5. تنفيذ الدّارة الإلكترونيّة.
  6. تطبيقات نظام مراقبة معدّل ضربات القلب المعتمد على الأردوينو.
  7. فيديو يوضّح طريقة توصيل المكوّنات الإلكترونيّة, وتنفيذ المشروع عملياً.
  8. ملحق الكود البرمجي المستخدم في المشروع.

مقدّمة حول حسّاس نبض القلب Introduction to Heartbeat sensor :

تُعتبَر مراقبة معدّل ضربات القلب أمراً مهمّاً للغاية بالنّسبة للمرضى والرياضيّين، لأنّه يشخّص حالة القلب الصحيّة. ويوجد العديد من الطّرق لقياس معدّل نبضات القلب وأكثرها دقّةً هو استخدام جهاز تخطيط القلب الكهربائي (Electrocardiography (ECG، ولكنّ الطريقة الأسهل هي استخدام حسّاس نبضات القلب. تتوفّر أشكال وأحجام مختلفة لهذا الحسّاس، فقد يوجد على شكل ساعة يد ذكيّة, أو هاتف ذكيّ, أو حزامات للصّدر وغيرها، ممّا يؤمّن وسيلة دائمة وسهلة لقياس نبضات القلب.

-واحدة قياس معدّل نبضات القلب هي (beats per minute  (bpm – نبضة بالدقيقة – والتّي تقيس عدد مرّات انقباض عضلة القلب وانبساطها في الدقيقة.

حسّاس نبضات القلب ومكوّناته الأساسيّة.

 

يبيّن لنا الشكل (1) المكوّنات الأساسيّة لحسّاس نبضات القلب وهي:

  1. (control circuit (based on LM358:
    دارة التّحكم بالحسّاس وتعتمد على مضخّم العمليات LM358.
  2. (Clip to insert finger (contains IR LED and Photodiod:
    ملقط لوضع إصبع اليد بداخله يحتوي على ديود ضوئيphotodiode وديود مرسِل للأشعّة تحت الحمراء IR LED  Infrared light emitting diode- .

مبدأ عمل حسّاس نبضات القلب Principle of Heartbeat Sensor:

يُعتبَر جهاز قياس ضغط الدّم (Photoplethysmograph (PPG حجر الأساس لاستخدام حسّاس نبضات القلب، وهو عبارة عن جهاز تخطيط لقياس تدفّق الدّم أو ضغط الدّم باستخدام الضّوء، واعتماداً على هذا المبدأ تُقاس التّغيرات في ضغط الدّم في عضو ما من الجسم تبعاً لتّغيرات شدّة الضّوء المارّ عبر ذلك العضو.

في حسّاس نبضات القلب عادةً ما يكون مصدر الضّوء من IR LED ، ويكون المستقبل عبارة عن كاشف ضوئيّ مثل photodiode أو مقاومة ضوئيّة LDR )(Light Dependent Resistor أو ترانزستور ضوئيّ Photo Transistor، فوفقاً لمصدر ومستقبِل الضوء يمكن ترتيبهم وفق الآلية: حسّاس مرسِل Transmissive sensor, وحسّاس عاكس Reflective sensor.

يُوضَع مصدر الضّوء والمستقبِل في الحسّاس المرسِل بشكل متقابل، مع ملاحظة أهمّية وضع إصبع الشّخص بين المرسِل والمستقبِل، أمّا في الحسّاس العاكس يُوضَع مصدر الضّوء والمستقبِل بشكل متجانب، وفي هذه الحالة تُوضَع إصبع الشّخص أمام الحسّاس.

آليّة عمل حسّاس نبضات القلب Working of heartbeat sensor:

يتألّف أبسط حسّاس لنبضات القلب من حسّاس ودارة تحكّم.
بدوره يتألّف الحسّاس الجزئيّ من IR LED وPhotodiode ويتوضّعان داخل الملقط، بينما تتألّف دارة التّحكّم من دارة مضخّم عمليّات متكاملة   Operational amplifier integrated circuit Op-Amp IC وبعض العناصر الأخرى التّي تساعد في توصيل الإشارة إلى وحدة التّحكّم Microcontroller.
يمكننا أن نفهم أكثر عمل حسّاس نبضات القلب من خلال الشّكل (2) الذّي يبيّن الشّكل التّخطيطيّ للدّارة الإلكترونيّة للحسّاس.

 مخطّط الدّارة الإلكترونيّة لحسّاس مستشعر نبض القلب.

 يبيّن المخطّط في الشّكل (2) حسّاس نبضات القلب مصمَّماً على شكل ملقط يعمل عن طريق كشف النّبضات، حيث أنَّ نتيجة كل نبضة ستحدث تغيّرا في كميّة الدّم المتدّفق في الإصبع، ممّا يؤدّي بدوره إلى تغيير شدّة الأشعّة تحت الحمراء المنبعثة من IR LED خلال الإصبع، وكشف هذا التّغيّر بواسطة الديود الضّوئيّ Photodiode.
تُمرَّر الإشارة النّاتجة عن خرج الدّيود الضّوئيّ إلى دخل مكبّر عمليّات غير عاكس (القسم الأوّل من دارة مضخّم العمليّات المتكاملة) عبر مكثّف يمنع مرور الإشارة المستمرّة، ويعمل مضخّم العمليّات الأوّل كمضخّم غير عاكس مع عامل تضخيم 1001، بينما يُعطى خرج مكبّر العمليّات غير العاكس كإحدى مدخلات المقارِن comparator (القسم الثاني من دارة مضخّم العمليّات المتكاملة)، حيث يقوم خرج المقارِن بقدح الترانزستور لإعطاء الإشارة من خلاله إلى الأردوينو.

يُستخدَم مضخّم العمليّات LM358 في الدّارة السّابقة، ويحتوي مضخّمين على نفس الشّريحة (كما ذُكر سابقاً هما المضخّم غير العاكس والمقارن)، والتّرانزستور المستخدَم هو BC547.
ونلاحظ من الشّكل (2) وجود (Light Emitting Diode LED) ديود مرسِل للضّوء متّصِل على مجمَع التّرانزستور حيث يُضيء LED عند اكتشاف النّبضة.

الدّارة المستخدمَة لنظام مراقبة معدّل نبضات القلب:

يوضِّح الشّكل (3) مخطّط الدّارة المستخدمة في نظام مراقبة معدّل نبضات القلب باستخدام متحكّم أردوينو وحسّاس نبضات القلب، يمتلك الحسّاس ملقط لوضع الإصبع داخله بالإضافة إلى ثلاثة أرجل PINS  خارجة منه هي( VCC وGND وData )لوصله مع الأردوينو.

 مخطط دارة مراقبة معدل نبضات القلب باستخدام متحكم أردوينو وحساس نبض القلب

العناصر الإلكترونيّة المستخدمة Components Required:

  1. أردوينو أونو عدد 1.
  2. شاشة LCD 16*2 عدد 1.
  3. مقاومة متغيّرة 10 كيلو أوم.
  4. مقاومة 330 أوم اختياريّة من أجل الإضاءة الخلفيّة لشاشة الـ LCD.
  5. Push Button.
  6. حسّاس نبضات القلب على شكل مجسّ ملقط.
  7. لوحة لتوصيل العناصر.
  8. أسلاك توصيل.

تصميم الدّارة الإلكترونيّة Circuit Design:

يُعتبَر تصميم الدّارة الإلكترونيّة لنظام مراقبة معدّل نبضات القلب أردوينو وحسّاس نبضات القلب بسيطاً جداً.
يجب أوّلاً توصيل شاشة الـ LCD مع الأردوينو لعرض قراءة النبض بواحدة قياس (نبضة في الدّقيقة)، ثمّ تُوصَل أرجل الأردوينو الخاصّة بنقل البيانات كالتّالي وكما هو موضّح في الشّكل (3) أيضاً:
D4 من LCD إلى الرّجل رقم 3 من الأردوينو أونو.
D5 من LCD إلى الرّجل رقم 2 من الأردوينو أونو.
D6 من LCD إلى الرّجل رقم 1 من الأردوينو أونو.
D7 من LCD إلى الرّجل رقم 0 من الأردوينو أونو.

تُوصَل المقاومة المتغيّرة 10K Ohm Potentiometer إلى الرّجل 3 contrast adjust pin من شاشة LCD، وتُوصل الأرجل 4 (RS) و6 (E) من شاشة LCD إلى الأرجل 6 و5 على التّرتيب من الأردوينو أونو، وبعد ذلك تُوصل رجل الخرج data من حسّاس نبضات القلب إلى المدخل التّماثلي A0 من الأردوينو.

تنفيذ الدّارة الإلكترونيّة  Working of the circuit:

عند حقن الكود البرمجيّ بمتحكّم الأردوينو وتشغيل نموذج المشروع سيطلب النّظام وضع الإصبع داخل ملقط الحساس ،ثم الضّغط على المفتاح الكهربائيّ switch، مع مراعاة وضع أيّ إصبع داخل ملقط الحسّاس ما عدا إصبع إبهام اليد.  واستنادًا إلى البيانات التّي يقرؤها الحسّاس، يقوم متحكّم الأردوينو بحساب معدّل نبضات القلب، ويعرض النّتيجة على شاشة الـ LCD. من المهمّ أن يبقى الشخص مسترخياً في هذه الأثناء،ويتجنّب تحريك السلك المتّصل بالحسّاس كي لا ينتج عنه قيم خاطئة.
في حال الرّغبة بإجراء اختبار آخر، يمكن الضّغط على زرrest  في متحكم الأردوينو، والقيام بعملية القياس مرّة أخرى.

تُوضِّح مجموعة الأشكال التّالية النّموذج النّهائيّ للدّارة بعد توصيل المكوّنات مع بعضها البعض، والقيام بتجربة قياس معدّل نبضات القلب.

 دارة قياس معدل نبضات القلب.

 

 الطّلب من المستخدم وضع إصبعه داخل الملقط.

 

البدء بعمليّة القياس.

 

 إجراء عملية المعالجة.

 

 عرض معدّل نبضات القلب.

 تطبيقات نظام مراقبة معدّل نبضات القلب باستخدام الأردوينو:

ناقشَ هذا المقال كيفيّة تصميم مشروع بسيط متعلّق بقياس معدّل نبضات القلب لأيّ شخص، ويتطلب فقط (متحكّم أردوينو- شاشة LCD 16*2 – حسّاس نبضات القلب)، حيث يمكن استخدام هذا المشروع كبديل رخيص الثمن للساعات الذكيّة وغيرها من أجهزة مراقبة معدّل نبضات القلب باهظة الثمن.

فيديو يوضّح طريقة توصيل المكوّنات الإلكترونيّة وخرج العمل:

الكود البرمجيّ : هنا 

——————————————————————————————————-

المصدر:  هنا
ترجمة: عبدالله قدور ، تدقيق لغوي: سلام أحمد ، تحرير: علي العلي ، مراجعة: محمد مرتكوش

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *