制作心率监测器

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最后编辑日期:2019-03-22

简介

心率监测器是一种测量心率或脉搏的设备，通常为每分钟心跳次数（BPM）。有许多不同类型的心率监测器。一些称为心电图机器（缩写为ECG或EKG），使用放置在身体上的电极测量您的脉搏并检测来自心脏的电信号的其他信息。这些常见于医院病房或救护车（图1）。其他人是便携式的，有时可以休闲地穿着，用于在锻炼期间追踪心率。其中一些需要胸带（图2），其进行类似于EKG机器的电气测量。许多现代智能手表可以直接在手腕上测量心率。其中一些使用针对皮肤的绿色发光二极管（LED），并测量反射回的光量。由于红血吸收绿光，当血液脉冲通过皮肤表面附近的微小血管时，反射的光量会发生变化。这种方法称为光电容积描记法，是该项目中使用的传感器的工作原理。所有这些类型的心率监测器都涉及电路，计算机编程，电路的外壳或外壳，以及向用户显示或中继信息的方式.

图1。救护车中的EKG机器。放置在患者胸部的电极测量来自心脏的电信号，其在背景中显示在监视器上。

图2. 可穿戴式心率监测仪，包括胸带和手表。

在此项目中，您将使用工程设计流程来设计，构建和测试您自己的心率监测电路。如何构建电路及其工作方式取决于您对电路的预期使用情况.参考书目包含一些可帮助您入门的资源，材料部分包含一些材料建议。但是，由于这是一个开放式项目，您需要做一些自己的研究.

术语和概念

• • 心率监测器
  • 每分钟节拍（BPM）
  • 心电图（ECG或EKG）
  • 发光二极管（LED）

• • 光电容积描记

• • 工程设计流程

问题

• 用于测量心率的不同物理方法有哪些？
• 有哪些人会想要监控自己或别人的心率？
• 看看图1和图2中的设备。它们有什么相似之处？他们有什么不同？它们是如何针对不同情况设计的？

参考书目

此页面介绍了一种智能手表如何测量心率:

• • Apple Inc.（2019年2月8日）.你的心率。这意味着什么，以及Apple Watch上你会发现它的位置。 2019年2月25日从 https://support.apple.com/en-us/HT204666#sensors

该资源将帮助您确定哪个Arduino板适合您的项目:

• • SparkFun Electronics（n.d。）.为您的项目选择Arduino。 2019年2月25日检索 https://learn.sparkfun.com/tutorials/choosing-an-arduino-for-你的项目

本网站包含您将在此项目中使用的脉冲传感器的教程和示例代码:

• • World Famous Electronics LLC.（不详）. Pulsesensor.com 的。检索2019年2月25日 https://pulsesensor.com/

如果您以前从未使用面包板制作电路原型，那么此页面将非常有用:

• Finio，B。（n.d。）.如何使用面包板。 Science Buddies。检索2019年2月25日 https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/references/how-to-use-a -breadboard

此页面包含有关工程设计过程的信息:

• Science Buddies Staff（n.d.）.工程设计过程。科学伙伴。检索2019年2月25日 https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/engineering-design-process/engineering – 设计工艺步骤

材料和设备

这是一个工程设计项目。这意味着您需要购买的确切取决于您想要构建的内容。有关设计过程入门的帮助，请参阅程序。设计心率监测器后，请使用此页面作为购买部件的起始指南。您需要的大多数部件应该来自 SparkFun Electronics 或Adafruit Electronics .

• • 脉冲传感器
  • Arduino board
  • 如果您正在建造一个静止/床旁心率监测器，那么 Arduino Uno R3 是个不错的选择。
    • 对于可穿戴式心率监测器，请查看 LilyPad Arduino 产品系列.
  • Arduino配件。您需要的确切配件取决于您购买的Arduino的类型。您通常可以在SparkFun网站的”相关产品” 或”连接附件” 部分找到这些项目。您还可以参考特定Arduino板的入门指南。一般来说，您需要:
    • • 电源，可选直流墙式适配器或电池
      • 用于将Arduino连接到计算机的电缆，以便您对其进行编程
      • 电路板部件，例如面包板，跨接线和电阻器。对于可穿戴/可缝合电路，您需要一根针和导电线。

     

• • 电路的输出设备，如LED，蜂鸣器或屏幕/显示器。大多数这些部分都可以在线获得教程和Arduino代码库。
  • 为您的赛道建造外壳或外壳的材料

实验程序

如果您不熟悉工程设计流程，请务必参考本指南 。在购买任何材料并开始构建之前，您将完成该过程的前几个步骤.然后您将返回材料标签，确定需要购买的部件。图3显示了您可能在此项目中构建的一些示例.

图3。左:Arduino Uno连接到脉冲传感器和面包板上的LED。右图:带有脉冲传感器的LilyPad Arduino和缝在头带上的LED。

1. 1. 定义问题。如​​简介中所述，有不同类型的心率监测器，用于不同目的。在构建之前，您需要决定谁将使用它以及在什么情况下。在登山时佩戴心率监测器的人需要与想要在睡觉时监测新生儿心率的父母完全不同的产品。
   2. 进行背景研究。此步骤可能涉及访问使用或想要使用心率监测器的人。他们是你的”顾客” 。他们在心率监测器中想要什么？您还可以对现有的心率监测器和技术进行研究。如果您还没有，请确保在继续之前查看参考书目中的信息。您需要了解将在电路中使用的脉冲传感器的工作原理以及使用Arduino的基础知识。请注意，材料列表中推荐的特定脉冲传感器设计用于夹在人的指尖或耳垂上。
   3. 指定要求。根据您的问题定义和背景调查，指定心率监测器的要求以及您必须使用的约束。以下是一些可以帮助您入门的建议:
      1. 1. 费用多少钱？你的预算是多少？
         2. 你需要多少时间来建造它？特别是如果你需要学习新的技能（比如建立电路或编程），你应该考虑到这些.
         3. 它应该多大或多重？它需要是便携式还是固定位置？
         4. 它需要多久耐用或坚固？它是否需要能够承受有人放下它，或者在四处走动时戴上它？
         5. 显示器使用起来有多简单方便？是专为自己使用的人（自给自足的成年人），还是需要帮助的人（婴儿或救护车上的人）设计的？

       

      1. 1. 它将传达什么信息，或者它将如何与用户沟通？例如，它会在每次脉冲时闪烁LED吗？它会在屏幕上显示心率吗？如果心率过低或过高，它会发出警报吗？它会做多于一件事吗？
         2. 注意:脉冲传感器网站上的示例代码和电路向您展示了如何使用每个脉冲使单个LED闪烁，以及如何显示计算机显示器上的心跳（通过USB电缆将Arduino连接到计算机）。如果您不确定从哪里开始，可以将其作为起点。

       

1. 1. 头脑风暴解决方案。根据您的要求，开始考虑构建心率监测电路和编程Arduino的不同方法。一开始不要担心细节（比如你将购买的Arduino板）。尝试为至少三种不同的解决方案提出一般性的想法。头脑风暴阶段可以包括记下想法和制作可能的设计草图，或绘制描述程序如何工作的流程图。例如，如果您知道要进行可穿戴设计，可以考虑用户佩戴显示器的不同方式（腕带，连接到一件衣服等）。
   2. 选择最佳解决方案。要确定哪种想法是最佳解决方案，现在您需要更详细地解决这些问题。
      1. 这是为您的项目选择Arduino 资源的地方有用。您选择的Arduino（和配件）的类型取决于所需的尺寸，成本和心率监测器的使用。它们还取决于您的电路和编程技巧/舒适程度。例如，一些Arduino板可能需要焊接，并且一些附件可能没有尽可能多的示例代码。每个想法的完整材料清单将允许您计算其成本.
      2. 这也是工程设计过程开始变得迭代的地方。例如，您可能会发现无法购买零件以满足您的所有要求并且仍然符合您的预算。现在，您必须回到第3步（指定要求）并做出决定:您是增加预算还是更改要求？你甚至可以回到第2步（头脑风暴）并想出一些全新的想法.
      3. 确定您的哪些设计解决方案最能满足您的所有要求。如果单个解决方案不是每个类别的最佳选择，您可能需要做出一些权衡。一个决策矩阵工作表可用于执行此操作。一旦您将其缩小到单一解决方案，请订​​购电路所需的部件.
   3. 构建原型。获得所有零件后，对电路进行原型设计并对Arduino进行编程。您需要遵循相应的教程或入门资源，具体取决于您订购的Arduino的类型。无焊接面包板是电路原型的好方法。您还可以使用鳄鱼夹临时连接可缝合电路组件。这样，如果你犯了错误就很容易重做连接。如果你需要改变一些东西，在为你构建一个盒子/外壳之前测试你的电路会更容易。

• 测试您的解决方案。首先，当您靠近计算机并且拥有所有工具和电路部件时，自己测试心率监测器可能是最容易的。这样，如果某些内容无法正常工作，您可以快速调试并更改代码或电路。在您的电路工作后，尝试在”真实世界” 使用情况下或与志愿者一起测试它。例如，对于可穿戴式心率监测器，请在散步时尝试佩戴它，或者请朋友佩戴它。你遇到任何问题吗？例如，当用户四处走动时，是否有任何电线松动？是否很难将脉冲传感器固定在指尖或耳垂上？脉冲传感器读数是否受环境光的影响？根据您的观察，您可能需要对设计进行更改或改进。您甚至可能需要订购更多零件。确保记录所有观察和设计变更。

继续迭代并改进您的设计，直到它满足您的所有要求。但是，你不必停在那里 – 总有改进的余地！如果你的时间和预算允许，你能让你的心率监测器更好吗？即使您没有时间或金钱，您的最终设计报告也可以讨论如果您有更多可用资源，您将如何更改设计。你能设计显示器的”2.0版” 吗？

如果你喜欢这个项目，你可能会喜欢探索这些相关的职业:

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正如陶工形成粘土，或钢铁工人模塑钢水，电气和电子工程师收集和塑造电力并用它来制造传输电力或传输信息的产品。电气和电子工程师可能专注于数百万制造或使用电力的产品之一，如手机，电动机，微波炉，医疗仪器，航空导航系统或掌上游戏。了解更多

心血管技师或技师

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变体形式

• • 物联网（IoT）是指所有可以通过互联网发送和接收数据的”智能” 设备，如恒温器，婴儿监视器和车库门开启器。你能建立一个物联网心率监测器吗？例如，代替（或除此之外）闪烁的LED或将蜂鸣器作为警报发出声音，如果患者的心率过高，它可以向看护人发送电子邮件或文本消息警报。查看SparkFun的Arduino购买指南的此部分帮助设计一个互联网连接的项目. Raspberry Pi 是另一个非常受互联网项目欢迎的爱好者主板。
  • 还有其他类型的Arduino兼容健康相关传感器，例如可感知肌肉收缩的肌肉传感器，或可检测各种有害气体的气体传感器。您可以在 https://www.sparkfun.com/categories/146 找到其中一些。