Optischer Pulssensor

   Pulssensor

 

Zukünftigen Erstsemesterstudenten sollen die Möglichkeit erhalten, sich mit verschiedenen Schaltungsbausätzen zu beschäftigen, damit sie begleitend zur Theorie zusätzliche Praxiserfahrungen sammeln können. Je nach Wissensstand der Studenten können sich diese dann zunächst an einfacheren bis hin zu komplexen Schaltungen erproben.

Dieses hier im Folgenden vorgestellte Projekt handelt von einem optischen Pulssensor der den Sauerstoffgehalt des Blutes misst und somit auch den Herzschlag identifiziert.

Mit jedem Herzschlag gelangt  sauerstoffreiches Blut in die Gefäße und es stellte sich heraus, dass sich die Absorptionsfähigkeit von Licht mit dem Sauerstoffgehalt des Blutes ändert. Genau dieser  Effekt kann gezielt für die Pulsmessung verwendet werden indem eine Fotodiode das vom Blut reflektierte Licht einer Infrarot-LED (LD274-3) empfängt. Je nach Intensität des reflektierten Lichts variiert der erzeugte Strom durch die Diode, (d.h. der Strom wird sich mit steigender Lichtintensität erhöhen). Kleine Spannungsschwankungen werden nun an einem in Reiher geschalteten Widerstand messbar. Diese sind aber aufgrund des sehr kleinen Ausschlags nicht direkt sichtbar, sie müssen gezielt verstärkt  werden. Für diese Aufgabe ist eine Operationsverstärkerschaltung nötig, die zeitgleich auch unerwünschte Störungen wie zum Beispiel das 50Hz Rauschen des Stromnetzes herausfiltert.

 

Nun zum vereinfachten Schaltplan:

 

 Schaltplan Pulssensor 1)    Der aktive Bandpass:

Der Bandpass filtert unerwünschte Störungen heraus. Hochfrequente Signale, wie das oben erwähnte 50 Hz -Rauschen, dürfen den Filter nicht durchqueren. Es werden nur Frequenzen im Bereich von 1 - 5 Hz durchgelassen und verstärkt.

 

2)    Der nicht invertierende Verstärker:

Der nicht invertierende Verstärker verstärkt nun das bereits gefilterterte Signal um den Faktor 22 . Der Pulsausschlag ist nun deutlich zu erkennen.

Vref  (Eingangsspannung am ersten Operationsverstärker) ist eine variabel einstellbare Spannung. Diese dient lediglich dazu die Verstärkerschaltung auf den gewünschten Arbeitsbereich zu bringen. Der vollständige Schaltplan befindet sich im Anhang. Um Schaltplan und Layout betrachten zu können kann, falls nicht bereits vorhanden, eine Freewareversion von EAGLE für das entsprechende Betriebssystem unter folgendem Link heruntergeladen werden:

http://www.cadsoft.de/download-eagle/?language=de

 

 

Bauanleitung:


Bevor der eigentliche Bau des Pulssensors beginnt, werden im Folgenden die dafür benötigten Bauelemente aufgelistet:

Mikrocontroller:

  • Arduino Pro Micro, 10€

 

Operationsverstärker:

  • 1x LT1013, 3€

 

Infrarot-LED:

  • 1x LD274-3, 28 Cent pro Stück

 

Fotodiode:

  • 1x BPV10NF, 32 Cent pro Stück

 

Spannungsregler

  • MCP1702-3302, 45 Cent pro Stück

 

IC-Fassung:

  • 1x IC-Sockel, 8 Polig 17-40 Cent pro Stück

 

Female Connector/Buchsenleiste:

  • 2x Female Connector 1x12-polig, 29 Cent pro Stück
  • 1x Female Connector 1x6-polig

 

Widerstände:

  • 1x 100 Ω, 10 Cent pro Stück
  • 2x 330 Ω, (optional) 10 Cent pro Stück
  • 1x 1 kΩ, 10 Cent pro Stück
  • 1x 10 kΩ, Potentiometer 2-4 Euro pro Stück
  • 1x 22 kΩ, 9-11 Cent pro Stück
  • 1x 50 kΩ, 9-11 Cent pro Stück
  • 1x 150kΩ, 10 Cent pro Stück
  • 1x 4,7 MΩ, 10 Cent pro Stück

 

Kondensatoren:

  • 2x 3,3 nF Keramikkondensator, ca. 10 Cent pro Stück
  • 1x 100 nF Keramikkondensator (optional), 10 Cent pro Stück bei Conrad
  • 2x 1µF Elkokondensator

 

LED's (optional):

  • 2x L53HD (rote LED's), 8 Cent pro Stück

 

Drucktaster (optional):

  • 2x Drucktaster, 20 Cent pro Stück

 
Es sollte ungefähr ein Budget von 25 € eingeplant werden (25 € nur wenn auch die optionalen Bauteile verwendet werden)

 

 ACHTUNG!


Beim Befestigen der Bauelemente auf der Platine immer vergewissern ob die Polarität stimmt, da sie sonst bei Inbetriebnahme zerstört werden können (hier speziell sind einmal die LED's und die Operationsverstärker gemeint). Bei Widerständen, Drucktastern sowie den Keramikkondensatoren spielt die Polarität keine Rolle. Alle Bauteile sind auf der Epoxydseite der Platine zu platzieren und werden dann auf der Rückseite festgelötet. Nach dem Festlöten der jeweiligen Bauelemente sollten die überstehenden Drähte entfernt werden.



 

 

Montage der Bauelemente auf der Platine

IC-Fassung:


Die IC-Fassung muss gemäß dem Layout mit der Kerbe nach links ausgerichtet auf der Platine befestigt werden. Alle Pins der Fassungen sollten vor dem Festlöten korrekt eingesteckt sein. (Bild von 8 Poliger IC-Fassung)

 

Female Connector / Buchsenleiste:

Die jeweiligen Buchsenleisten müssen nur auf den dafür vorgesehenen Plätzen angebracht werden.

 

Widerstände:


Die Widerstände R1, R2, R4, R5, R6, R9, R12, müssen wie in Abbildung 1 zurechtgebogen werden. Falls die LED's sowie die beiden Drucktaster auf der Platine gewünscht werden, sollten auch die Widerstände R13, R14, R15, R16, R18, R19 (R13-R16 sind die Vorwiderstände für die LED's, R18 und R19 sind die Widerstände für einen der Drucktaster) ebenfalls zurechtgebogen werden. Genaueres dazu noch im Abschnitt Hinweise.
Alle anderen Widerstände, die nicht erwähnt wurden, müssen rechtwinkelig gebogen werden. (Bild vom rechtwinkelig gebogenem Widerstand Abbildung 2)

 

Kondensatoren:

Bei den Elkokondensatoren (C1 und C7) muss unbedingt auf die Polarität geachtet werden! Das lange Bein dieser Kondensatoren ist wie bei einer LED die Anode ("Pluspol") und das kurze Bein die Kathode ("Minuspol"). Die Keramikkondensatoren dagegen sind ungepolt (C2, C3, C5, C6, C8, C9 , C10). 

 

LED's:


Wenn die LED's verlötet werden sollen, so sind bei diesen auf Anode und Kathode zu achten. Hier ist das lange Bein der LED die Anode und das kurze Bein die Kathode. Eine LED sollte nicht zu lange der Löthitze ausgesetzt werden (maximal 5 - 10 Sekunden), da diese wie eine Diode dann unbrauchbar werden kann. Die Platzierung ist wieder dem Layout zu entnehmen.

 

Drucktaster:


Die Drucktaster, falls sie erwünscht sind, müssen nur auf der vorgesehen Stelle der Platine festgelötet werden. Die Polarität spielt hier keine Rolle.

 

Operationsverstärker:


Das IC der beiden Operationsverstärker wird erst ganz zum Schluss auf die jeweilige IC-Fassung gesteckt, um mögliche Hitzeschäden zu vermeiden. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Kerbe des Operationsverstärker-ICs in die selbe Richtung wie die Kerbe der IC-Fassung zeigt! Ansonsten wird die Schaltung nicht richtig funktionieren.

 

Hinweise

Zu Beginn der Anleitung ist an einigen Stellen von "optionalen Bauelementen" die Rede. Auf einige Bauteile kann verzichtet werden. Beispielsweise dienen die LED's hier nur als optische Erkennungshilfe das das Arduino Pro Micro Board das Signal vom Sensor erkennt. Leider leuchten diese bisher noch nicht wie geplant auf.

 


                                                 Probleme


Die Schaltung bemerkt die kleinsten Auslenkungen, deshalb sollte die Person die eine Pulsmessung durchführt sich möglichst wenig bewegen, da die Schaltung auch minimale Auslenkungen um den Faktor 250 verstärkt.

 

 

 

 

 

 

Anhänge:
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