حسَّاس الأكسجة max30100 وتطبيقاتُه

الوصفُ العامّ:

حساس max30100 هو وسيلة فعّالة وغيرُ مؤلمة لقياس نسبة إشباع الدَّم بالأكسجين (الأكسجة – Blood Oxygen) بالإضافة إلى معدلِ ضربات القلب (Heart Rate).

يتكون من اثنين من المرسِّلات الضوئية (LED)، أحدُهما للأشعة الحمراء والأخر للأشعة تحتَ الحمراء ومستقبِل ضوئي وعدسات ضوئيَّة بالإضافة إلى مُعالجٍ للإشارات التَّشابهيَّة.

المميِّزات:

تصميم سَهل وصغير.

استهلاك طاقة قليل.

سهولة الربط والتعريف والبرمجة.

عزلُ الضّوء من التَّشويش الخارجي.

التَّطبيقات:

الأجهزة القابلةُ للارتداء.

أجهزة اللياقةِ البَدَنية.

أجهزة المراقبة الطبيَّة.

لتحميل ملف المواصفات الفنية Datasheet: هنا

مبدأ العمل:

قبلَ معرفة مبدأ عمل الحسَّاس يجب أنْ نفهمَ معنى نسبة الأكسجة. كما هو معلومٌ يحمل الدمُ القادم من الرئتين الأكسجينَ ويتم ذاك باستخدام الهيموغلوبين (hemoglobin)، ويُدعى الهيموغلوبين غيرَ المُحمَّل بالأكسجين بالـ (deoxy Hb) أو (الدمَ غيرَ المؤكسج). أمَّا الهيموغلوبين المُحمَّل بالأكسجين فيُدعى (oxy Hb) (الدمَ المؤكسج) ويُمكن القولُ: إنَّ الأكسجة أو نسبةَ إشباع الدَّم بالأكسجين تدلُّ على نسبة الهيموغلوبين المُحمَّل بالأكسجين إلى الهيموغلوبين غيرِ المُحمَّل.وتكون وظيفةُ الحسَّاس معرفةَ هذه النسبة.

 

يأتي حسَّاس الأكسجة بأشكالٍ عِدَّة، فمن المُمكن أن يأتي كملقط يُوضع في الإصبعِ أو قد يعتمد على تقنية الانعكاس كالحسَّاس المُستخدَم في مقالنا، ولكن مبدأ العمل هو نفسه في كلِّ الأنواع، إذ يُصدرُ الحسَّاس حزمًا من الأشعة الحمراء وتحتَ الحمراء. ويتعيَّن على هذه الحُزم المرورُ بالإصبعِ للوصول إلى المُستقبِل. وفي أثناء مرورها سيُمتصُّ جزءٌ منها بواسطة الدم. ويصلُ الجزءُ غيرُ المُمتصّ إلى المستقبِل الضوئي.

وتتغيَّر كمية الأشعة التي يمتصُّها الدم تبعًا لخصائص الدم. حيث تبيّن أنَّ الدمَ المؤكسج (Oxy Hb) يمتصُّ الأشعة تحتَ الحمراء أكثرَ من الأشعة الحمراء، في حين يتصرَّف الدم غيرُ المؤكسج (Deoxy Hb) تصرَّفًا معاكساً؛ لأنَّه يمتصُّ الأشعةَ الحمراءَ أكثر من الأشعة تحتَ الحمراء، أيْ: يُمكن تحديدُ نسبة كلٍّ من الدم المؤكسج وغيرِ المؤكسج وَفقَ نسبةِ الأشعة الحمراء وغيرِ الحمراء الواردة إلى المستقبِل الضوئي، وعلى هذا المبدأ يقيس الحسَّاسُ نسبةَ الأكسجة في الدم.

 

أمَّا معدلُ النبض فيتم قياسُه باعتماد على الأشعة تحتَ الحمراء فقط على الشكل التالي:

عندما يضخ القلب الدمَ، تحدثُ زيادة في الدم المؤكسج نتيجةً لزيادة الدم، ومع استرخاءِ القلب يقلُّ حجم الدم المؤكسج من خلال معرفة الوقت بينَ الزيادة والنُّقصان في الدم المؤكسج، يُحدد معدلُ النبض.

ربط حسَّاس max30100 مع الأردوينو:

يُربَطُ الأردوينو بحسَّاس max30100 عن طريق بروتوكول I2C ويُعدُّ برتوكولَ اتصالٍ تسلسليٍّ ويحتاج إلى سلكين للاتِّصال، الأوَّل يستخدم لنقل البيانات ويسمى بالـ Serial Data Line أو SDA. أمَّا السّلك الثاني فيُسمى بالـ Serial Clock Line أو SCL وهو مسؤول عن نَقْل إشارة الـ clock من الـ Master إلى الـ Slave.

ضمنَ الأردوينو فيتم استخدام هذا البروتوكول باستدعاء المكتبة <Wire.h> ولا تحتاج إلى تحميلٍ بحيث تكون موجودة بشكل افتراضي ضمنَ محرِّر الأردوينو.

ويتم التوصيل على التَّرتيب التالي:

SCLà A5, SDA àA4

يوضِّح الشكل التالي طريقةَ توصيل الحسَّاسmax 30100 بالأردوينو للعرض على شاشة الاتِّصال التَّسلسلي.

الكود البرمجي المستخدم: هنا  شرح التعليمات مرفقٌ مع الكود.

المكتبة الخاصة بالحسَّاس: هنا

وتظهر نتائجُ قراءة الحسَّاس كما هو موضح بالشكل التالي:

توصيل الحسَّاس max30100 بالأردوينو وإظهارُ النتيجة على شاشة LCD 16*2:

يتم التَّوصيل كما هو موضحٌ بالشَّكل أدناه:

الكود المستخدم: هنا

فديو توضيحي: هنا

المشكلة التَّصميمية مع الحل:

بعد انتهائك من جميع التَّوصيلات والبرمجة

إذا كنت تستخدم النوع التَّالي من الحسَّاس المبيَّن

بالشَّكل التالي

سوف تواجهك مشكلةٌ في تعرُّف الأردوينو أو إيجاده للحسَّاس. يعود سببُ هذه الرسالة إلى خطأٍ تصميميٍّ موجود ضمنَ هذا النَّوع من حسَّاسات الأكسجة وتظهر لك إحدى رسائل الخطأ التَّالية :

” Initializing pulse oximeter…FAILED” (or) “Initializing… MAX30100 was not found.

Please check the wiring/power”

لنبيِّن المشكلة في البداية عند النظر إلى شكل دارة الحسَّاس نجد أنَّه يحتوي على منظمي جهد الأوَّل يُخفض الجهد من 5 V إلى 3.3 V والثاني من 3.3 V إلى 1.8 V وهو الجهد المطلوب لتغذية الحسَّاس الأجزاءُ المظللة بالأصفر لا يوجد فيها مشكلةٌ حتَّى الآن.

المشكلة الرئيسة تكمنُ في المسار الواصل بين الجهد 1.8 V والمقاومات الثلاثة الموصولة بالمخارج SDA,INT، SCL حيث إن هذا الجهدَ كافٍ لتغذية الحساس ولكن أقل من الجهد المنطقي اللازم ليتعرَّف عليه الأردوينو.

الحلول الفيزيائية:

الحل الأول:

يتم بإزالة المقاومات الثلاثة واستبدالها بمقاومات خارجيَّة موصولة إلى جهد 3.3 V بحيث تُوصل كما في الشكل  ومن ثَمَّ تحقق الجهد المطلوب.

 

الحل الثاني:

عن طريق تغيير وَصْل المقاومات في الحسَّاس من 1.8 إلى 3.3 كما في الشكل التَّالي:

ويتم ذلك بإجراء التَّعديل التالي:

الآن يمكن استخدام الحسّاس بشكل طبيعي.


إعداد: مجد حبيب، مراجعة: مهند العبيد، تدقيق لغوي: محمد بابكر، تصميم: علي العلي، تحرير: كرم ديوب.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.