【Arduino】108種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料+代碼+圖形+仿真）

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-2 18:51

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37款傳感器與模塊的提法，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳，其實(shí)Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和模塊，依照實(shí)踐出真知（一定要?jiǎng)邮肿觯┑睦砟睿詫W(xué)習(xí)和交流為目的，這里準(zhǔn)備逐一動(dòng)手試試做實(shí)驗(yàn)，不管成功與否，都會(huì)記錄下來---小小的進(jìn)步或是搞不定的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】108種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料+代碼+圖形+仿真）

實(shí)驗(yàn)一百零四： MAX30102血氧儀手腕心率脈搏檢測心跳傳感器模塊

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2019-9-3 10:32 上傳

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 10:34

MAX31020
是一種綜合性脈搏血氧測定法，心率監(jiān)測模塊。它包括內(nèi)部LED，光電探測器、光學(xué)元件和低噪聲電子設(shè)備具有環(huán)境光抑制功能。max30102提供了完整的系統(tǒng)解決方案，簡化流程設(shè)計(jì)適用于移動(dòng)和可穿戴設(shè)備。MAX31020在單個(gè)1.8V電源上工作為內(nèi)部LED提供單獨(dú)的5.0V電源。通信通過標(biāo)準(zhǔn)I2c兼容接口。模塊可以通過軟件關(guān)閉零備用電流，允許電源軌始終保持通電。

應(yīng)用
●可穿戴設(shè)備
●健身輔助設(shè)備

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優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)
●心率監(jiān)測器和脈搏血氧計(jì)傳感器輸入LED反射溶液
●微型5.6毫米x 3.3毫米x 1.55毫米14針光學(xué)模塊
•集成的蓋玻片提供最佳、堅(jiān)固的
●移動(dòng)設(shè)備超低功率運(yùn)行
•可編程采樣率和LED電流節(jié)電
•低功率心率監(jiān)測器（<1兆瓦）
•超低停機(jī)電流（0.7μA，典型值）
●快速數(shù)據(jù)輸出能力
•采樣率高
●強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)偽影復(fù)原能力
•高信噪比
-40°C至+85°C工作溫度范圍

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 10:46

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ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 14:33

模塊有兩個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)光檢測器，優(yōu)化光學(xué)和低噪聲的仿真信號處理，以檢測脈搏血氧飽和度和心臟速率信號。
1、只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計(jì) 脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當(dāng)于心跳)。
2、攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光(850-1000nm)，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光(600-750nm)。
3、因此pulse oximeter就是一個(gè)迷你的分光計(jì)，利用不同紅血球之吸收光譜的原理，來分析血氧飽和度。
4、這種實(shí)時(shí)而快速的測量方式，也廣泛被運(yùn)用在許多臨床的參考。

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 14:44

模塊電原理圖

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 14:48

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 14:50

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ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 14:54

經(jīng)過多方尋找，從一個(gè)研究MAX30102算法的程序中找到了一個(gè)經(jīng)過親自驗(yàn)證有效的實(shí)際血氧標(biāo)定計(jì)算公式:

SpO2=-45.060*R*R+ 30.354 *R + 94.845

其中的R可以通過紅光和紅外光光強(qiáng)的對數(shù)值計(jì)算得到，這個(gè)標(biāo)定表達(dá)式實(shí)際上是對血氧飽和度的二次曲線擬合，是經(jīng)過測量得到的。最后終于可以輸出血氧飽和度數(shù)據(jù)了。

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 15:03

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 15:05

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 15:07

應(yīng)用
輔助健身設(shè)備
智能電話
平板電腦
可穿戴設(shè)備

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 15:10

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 15:36

與Pulse sensor這種傳感器（具體見系列實(shí)驗(yàn)之95）相比，MAX30102的有點(diǎn)在于：
1.集成度高：MAX30102將兩個(gè)發(fā)光LED、光電檢測二極管、ADC、環(huán)境光抑制電路和光學(xué)機(jī)械外殼都集成在了一起，形成了一個(gè)完整模塊。這樣的優(yōu)勢就是體積小、能耗小、外界干擾小，易于集成系統(tǒng)。
2.數(shù)字輸出：MAX30102本身自帶18位高精度ADC，使用I2C接口與外接MCU通信。而且自身還有FIFO，可以減輕MCU負(fù)擔(dān)，降低功耗。
3.功能豐富：MAX30102集成了LED驅(qū)動(dòng)電路，可以根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)LED電流，采樣率也可以根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行選擇。此外還集成了片上溫度傳感器，可以隨時(shí)監(jiān)測片上溫度（對血氧飽和度計(jì)算有用）。
正是有以上一些優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的模擬集成前端（AFE）都走向了集成化、小型化、數(shù)字化的方向，模擬電路的門檻越來越低了。

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 18:08

MAX30102的發(fā)光部分包括兩個(gè)LED，一個(gè)是紅光LED（660nm），另一個(gè)是紅外光LED（880nm），這個(gè)是測量血氧飽和度SPO2最常見的配置。接收部分是一個(gè)對可見光和紅外光都敏感的光電二極管，其接收的光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過環(huán)境光消除電路后，最后被自帶的18位ADC進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化，至此模擬部分完成。AD轉(zhuǎn)化后的數(shù)字經(jīng)過數(shù)字濾波后儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)寄存器中，最后可通過I2C總線被外接MCU讀取。在硬件上，LED的電源和其他部分的電源不是同一個(gè)，因?yàn)長ED為了保證足夠的出射光強(qiáng)，需要瞬間大電流（最大50ma），這就要求LED的正向電壓足夠大（要求3.1V以上）。而其余的AD轉(zhuǎn)換和I2C總線部分，為了實(shí)現(xiàn)低功耗要求電壓足夠�。ㄒ�1.8V），所以傳感器需要兩路獨(dú)立的電源。此外，由于LED電源會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流，所以電源引腳附近要加一個(gè)大電容減輕對電源電壓的影響。
傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種：一是從心電信號中提取；二是從測量血壓時(shí)壓力傳感器測到的波動(dòng)來計(jì)算脈率；三是光電容積法。前兩種方法提取信號都會(huì)限制病人的活動(dòng)，如果長時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護(hù)測量中最普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)。

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白（HbO2）和去氧血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發(fā)光二極管（一般選用660nm附近的紅光和900nm附近的紅外光）。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也呈現(xiàn)周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 18:24

/*
【Arduino】108種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料+代碼+圖形+仿真）
實(shí)驗(yàn)一百零四： MAX30102血氧儀手腕心率脈搏檢測心跳傳感器模塊
1、安裝庫：IDE-工具-管理庫-搜索“MAX30105”-安裝
2、項(xiàng)目：串口讀取測量數(shù)據(jù)
3、連線(I2C)：
VIN → 3.3V
GND → GND
SDA 接 A4
SCL 接 A5
*/
#include <Wire.h>
#include "MAX30105.h"
#include "heartRate.h"
MAX30105 particleSensor;
const byte RATE_SIZE = 4; //Increase this for more averaging. 4 is good.
byte rates[RATE_SIZE]; //Array of heart rates
byte rateSpot = 0;
long lastBeat = 0; //Time at which the last beat occurred
float beatsPerMinute;
int beatAvg;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
Serial.println("Initializing...");
// Initialize sensor
if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST)) //Use default I2C port, 400kHz speed
{
Serial.println("MAX30105 was not found. Please check wiring/power. ");
while (1);
}
Serial.println("Place your index finger on the sensor with steady pressure.");
particleSensor.setup(); //Configure sensor with default settings
particleSensor.setPulseAmplitudeRed(0x0A); //Turn Red LED to low to indicate sensor is running
particleSensor.setPulseAmplitudeGreen(0); //Turn off Green LED
}
void loop()
{
long irValue = particleSensor.getIR();
if (checkForBeat(irValue) == true)
{
//We sensed a beat!
long delta = millis() - lastBeat;
lastBeat = millis();
beatsPerMinute = 60 / (delta / 1000.0);
if (beatsPerMinute < 255 && beatsPerMinute > 20)
{
rates[rateSpot++] = (byte)beatsPerMinute; //Store this reading in the array
rateSpot %= RATE_SIZE; //Wrap variable
//Take average of readings
beatAvg = 0;
for (byte x = 0 ; x < RATE_SIZE ; x++)
beatAvg += rates[x];
beatAvg /= RATE_SIZE;
}
}
Serial.print("IR=");
Serial.print(irValue);
Serial.print(", BPM=");
Serial.print(beatsPerMinute);
Serial.print(", Avg BPM=");
Serial.print(beatAvg);
Serial.println();
delay(1000);
}

復(fù)制代碼

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 18:29

Initializing...
Place your index finger on the sensor with steady pressure.
正在初始化…
將食指穩(wěn)定地放在傳感器上。
（初始化后的串口數(shù)據(jù)-未放上手指)

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 18:33

放上手指，只有一組數(shù)據(jù)，比較平穩(wěn)估計(jì)是血氧值，大約95%

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-3 19:04

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-4 06:54

37款傳感器與模塊的提法，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳，其實(shí)Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和模塊，依照實(shí)踐出真知（一定要?jiǎng)邮肿觯┑睦砟�，以學(xué)習(xí)和交流為目的，這里準(zhǔn)備逐一動(dòng)手試試做實(shí)驗(yàn)，不管成功與否，都會(huì)記錄下來---小小的進(jìn)步或是搞不定的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】108種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料+代碼+圖形+仿真）
實(shí)驗(yàn)一百零五：12位 WS2812 5050 RGB LED 智能全彩RGB環(huán)開發(fā)板大環(huán)

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-4 07:40

WS2812B
是一種將控制電路和rgb芯片集成在一起的智能控制led光源。5050組件的包裝。內(nèi)部包括智能數(shù)字端口數(shù)據(jù)鎖存和信號整形放大驅(qū)動(dòng)電路。還包括精密內(nèi)部振蕩器和12V電壓可編程恒流控制部分，有效保證了像素點(diǎn)光色高度一致。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用單NZR通信方式。像素上電復(fù)位后，DIN端口接收數(shù)據(jù)來自控制器，第一個(gè)像素收集初始24位數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到內(nèi)部數(shù)據(jù)鎖存器，其他數(shù)據(jù)由內(nèi)部信號整形放大電路通過DO端口發(fā)送到下一個(gè)級聯(lián)像素進(jìn)行整形。后對于每個(gè)像素的傳輸，信號要減少24位。像素采用自動(dòng)整形傳輸技術(shù)，使像素級聯(lián)數(shù)不受信號傳輸?shù)南拗�，只取決于信號傳輸?shù)乃俣取?fù)位時(shí)間>280μs，中斷時(shí)不會(huì)造成誤復(fù)位，支持較低頻率，價(jià)格低廉單片機(jī)。刷新頻率更新到2kHz，畫面頻率低，高清攝像機(jī)無閃爍，提高出色的展示效果。LED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、環(huán)保節(jié)能、亮度高、散射角大、一致性好、功率低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。集成在led上的控制芯片越來越多電路簡單，體積小，安裝方便。

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-4 08:02

ID:513258 · 發(fā)表于 2019-9-4 08:04

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