Um monitor de batimentos cardíacos para o ARDUINO

Parte 1: “Vendo” os pulsos

Introdução

A Eletrônica nos permite criar aparelhos que são de fato extensões de nossos sentidos, como aqueles que são capazes de captar certos sinais fisiológicos que normalmente somos incapazes de sentí-los. Uma vez captados por algum tipo de sensor esses sinais podem ser amplificados e digitalizados, depois podem ser alterados e até mesmo controlados com alguma forma de feedback. Um desses sinais fisiológicos é o número de batimentos do nosso coração. Emoções fortes como raiva e excitação causam um aumento da taxa de batimentos do coração humano. Outras emoções como tristeza e pesar fazem essa taxa diminuir. Meditação, contemplação e outros estados mentais tambem mexem com essa taxa. Com a ajuda do Arduino e um amplificador de alto ganho com sensor ótico podemos monitorar nossa taxa de batimentos cardíacos na tela do nosso PC. Fica fácil assim montar um instrumento que pode ser usado para experiências com controle de stress, respiração, relaxamento e biofeedback. 


Hardware


Nosso protótipo foi montado numa pequena placa perfurada de 3,5 x 5,5 cm para ser encaixada sobre o Arduino como um shield. Veja a figura 1. Os componentes são interligados com pequenos fios no lado da solda da placa.

Nesse projeto utilizamos o par de amplificadores operacionais dentro do LM-358N.  O circuito completo está na figura 3, e é um projeto por nós adaptado para o Arduino a partir de um circuito originalmente publicado pela revista inglesa Elektor em 2008, sob o título “Stress-O-Meter”. Esse tipo de monitor de batimentos cardíacos é uma variante de um aparelho médico-hospitalar chamado pletismógrafo, que serve para medir (e registrar) variações no volume de um orgão como resultado de flutuações rítmicas da circulação do sangue pelo corpo humano. Normalmente nesse tipo de aparelho essas flutuações são captadas por um sensor ótico posicionado em um lado do lóbulo de uma orelha, ou um lado da ponta de um dos dedos, e com a fonte de luz alinhada no lado oposto. Diferentemente, nosso aparelho mede as pulsações no fluxo de sangue na ponta do dedo de uma das mãos do experimentador com o sensor e a fonte de luz colocados num mesmo plano e montados numa caixa separada do amplificador. Veja a figura 2 abaixo. Em nosso protótipo usamos como sensor de pulsações um LDR comum com uma resistencia de 1 Mohm sem nenhuma luz incidente, e 400 ohms com incidencia de luz natural direta.

Como fonte de luz para o sensor usamos um LED vermelho comum de 3 mm. O experimentador deve posicionar o lado oposto à unha de seu dedo indicador sobre o LDR, e a dobra entre a ponta e o meio do dedo sobre o LED. A luz que é emitida pelo LED atravessa a pele da dobra e é refletida pelo osso sobre uma pequena concentração de artérias bem em cima do LDR. O volume de sangue nesse grupo de artérias pulsa em sintonia com as contrações do músculo cardíaco. Essa informação vai modular a resistência do LDR.

No circuito do monitor o resistor R1 limita a corrente direta atraves de LED1 em cerca de 20 mA. O LDR e o resistor R2 formam um circuito divisor de tensão cuja saída pulsante será função da resistência do LDR que é função da luz refletida pelo dedo do experimentador.  

Esses pulsos de muito baixa frequencia, entre 1 e 2 hertz, seguem para um filtro passa-altas formado por C1 e R3 e é amplificado pelo primeiro opAmp do LM-358N na configuração não-inversor com ganho de 120. C2 e R5 formam um filtro passa-baixas centrado em 1,5 Hz. Essa frequencia corresponde a 90 pulsos por minuto, que é a metade da frequencia maxima do coração humano. O potenciometro P1, que é a resistencia de carga do primeiro amplificador, controla a entrada do segundo opAmp tambem não-inversor com ganho de 560. Aqui o sinal modulado com os batimentos do coração do experimentador pode ser entregue para tratamento ao Arduino no pino digital 2. O LED2 será programado para piscar com os batimentos cardíacos.

Sugerimos ao leitor primeiro montar o conjunto fonte de luz/sensor. Para o nosso protótipo montamos esse conjunto em uma pequena caixa plástica de 3x4x1 cm, como na figura 2. Nessa caixa foi montada a pequena placa perfurada com o LED vermelho de 3 mm e seu resistor de 270 ohms e o LDR e seu resistor de 39 Kohms.

Lista de componentes
R1 e R10	Resistor 270 ohms x 1/8W
R2	Resistor 39K ohms x 1/8W
R3 e R6	Resistor 68K ohms x 1/8W
R4	Resistor 8K2 ohms x 1/8W
R5	Resistor 1M ohms x 1/8W
R7	Resistor 560K ohms x 1/8W
R8	Resistor 1K ohms x 1/8W
R9	Resistor 1K8 ohms x 1/8W
P1	Potenciometro 10K linear
LED1 e LED2	Led vermelho 3 mm
LDR	LDR
S1	Chave miniatura 1/0
C1 e C3	Capacitor 1uF x 25V
C2 e C4	Capacitor 100nF
CI1	LM-358N dual opamp
Outros	Placa CI perfuração padrão
	Borne 3 pinos parafuso

A distancia entre os centros do LED e do LDR é cerca de 1,0 cm. Da caixa saem tres fios: o de +5 volts, o de saída do divisor de tensão e o comum a esses dois, o terra. O fio de saída do divisor de tensão vai para o capacitor C1 na entrada do primeiro amplificador pelo borne B1.
Software
Depois de conferir mais de uma vez toda a fiação, encaixe o shield no seu Arduino, conecte o sensor e depois o cabo USB no seu PC. Para ver os batimentos cardíacos de uma pessoa carregue no seu Arduino o sketch da listagem 1.

Listagem 1

int pinLed = 3;     volatile int state = 0;     void setup(){ pinMode(pinLed, OUTPUT);         attachInterrupt(0, pulse, CHANGE);  } void loop(){ digitalWrite(pinLed, state);      } void pulse(){ state = !state;            }

Esse sketch configura o pino digital 3 como saída para LED2 no circuito, e o pino digital 2 como entrada de interrupção para a função attachInterrupt( ) que chama a função pulse( ) toda vez que uma interrupção externa ocorrer nesse pino. A função attachInterrupt( ) requer tres parâmetros e sua sintaxe é a seguinte:

attachInterrupt(pino, função, modo);

O primeiro parametro é pino e deverá ser 0 para o pino digital 2, ou 1 para o pino digital 3 do Arduino; o segundo é função e se refere à função que será chamada quando a interrupção ocorrer; o último parâmetro modo define o momento em relação ao sinal no pino digital especificado em que a interrupção ocorrerá, que poderá ser de quatro modos: CHANGE, na mudança do nível no pino; LOW, quando o pino for baixo; RISING, quando o pino mudar de baixo para alto; ou FALLING, quando o pino mudar de alto para baixo.
Nesse sketch toda vez que o nível lógico no pino digital 2 mudar, a função  pulse( ) será chamada, e esta vai somente complementar (mudar o estado da) a variável state. A variável state vai mudar de acordo com os batimentos do coração do experimentador e fazer o LED2 acender ou apagar conforme seu estado na função digitalWrite( )
Para testar o circuito basta você repousar a ponta de seu dedo indicador sobre o sensor e girar o cursor do potenciometro P1 para o mínimo ganho até o LED no pino 3 apagar. Depois vá aumentando o ganho até que o LED comece a piscar com os batimentos do seu coração. Depois de algum treino pressionando mais ou menos o dedo sobre o sensor é possível achar o ponto ótimo para ver o LED piscar regularmente. O ajuste fino é feito com o potenciometro.
Podemos enviar nossos batimentos cardíacos pela porta serial para o PC e ver no terminal do Windows ou do Arduino sua forma digital como uma combinação de traços horizontais com caracteres ASCII 95 e 45. Para isso acrescente ao sketch acima uma linha para iniciar a porta serial em 9600 bps e os comandos if que testam a variável state; se esta for falsa o caracter 45 será enviado para o terminal serial com a função Serial.write( ); se state for verdadeira o caracter 95 será enviado. Veja a listagem 2 e a forma dos pulsos na figura 5 abaixo. As pausas de 10 ms entre as transmissões evitam a sobrecarga do buffer da porta serial.

Listagem 2

int pinLed = 3;       volatile int state = 0;    void setup(){ pinMode(pinLed, OUTPUT);       attachInterrupt(0, pulse, CHANGE); Serial.begin(9600); } void loop(){ digitalWrite(pinLed, state);       if(!state) Serial.write(45); delay(10); if(state)Serial.write(95); delay(10); } void pulse(){ state = !state;                    }

 

Figura 5: os pulsos do batimento cardíaco
Na segunda parte desse artigo vamos visualizar melhor esses pulsos cardíacos agora digitalizados numa interface gráfica na tela do seu PC usando alguns poucos comandos de uma linguagem open source e muito parecida com a do Arduino, a linguagem Processing.(Já Comentada em Posts Anteriores)...
Até Lá!

Monte seu próprio Arduino ( Muito Fácil )

 

 

As opções de Arduino

O Arduino já montado e testado pode ser adquirido em sites de comercio eletronico tanto aqui no Brasil quanto lá fora. Existe muitas opções de modelos conforme o microcontrolador embarcado, desde o mais simples com o ATmega168 com comunicação RS-232 ou USB e até aqueles com o ATmega1280 com mais memória de programa e mais entradas e saídas digitais. Mas tambem o leitor poderá montar seu proprio Arduino a partir de componentes facilmente encontrados em lojas de componentes eletronicos. Nesse caso propomos um circuito básico com o microcontrolador ATmega8 ou com o ATmega168, alguns resistores e capacitores, um regulador de tensão comum e um conjunto de conectores do tipo mini-latch para placa de circuito impresso. A placa proposta é de face simples e poderá ser confeccionada por qualquer método caseiro, como o já consagrado método térmico a partir de uma impressão a laser. A fonte de alimentação é externa à placa e pode ser qualquer carregador de baterias de aparelhos portáteis, como o de telefones celulares, que forneça tensões entre 9 e 15 volts CC. Veja o circuito completo do nosso protótipo na figura 1 e como ficou a montagem final na figura 2 abaixo.
 

figura 1: circuito proposto para montagem

Hardware

Tanto o ATmega8 quanto o ATmega168 pode ser utilizado na montagem do nosso Arduino. Observe que no circuito não aparece o conversor TTL-RS232. Preferimos separar esse circuito da placa principal por uma boa razão: dar a opção ao montador de escolher que tipo de comunicação serial o seu Arduino terá com um PC, se RS-232 ou USB. Para a comunicação RS-232 existe o conversor MAX-232 que é um circuito integrado muito fácil de encontrar em lojas de componentes eletronicos, e por ser do tipo DIL de 16 pinos é tambem muito fácil de montar em uma pequena placa de circuito impresso e ser conectado por um cabo diretamente entre uma porta RS-232 do PC e o conector “SERIAL” que aparece no diagrama.Num outro artigo mostraremos a montagem de um circuito conversor TTL-Serial para ser usado com o nosso Arduino.
Para a comunicação serial USB o conversor é o FT-232RL, um circuito integrado do tipo SMD de 28 pinos, um pouco mais difícil de encontrar no comercio, bem mais caro que o MAX-232 e de montagem mais complicada numa placa de circuito impresso caseira devido ao tamanho e espaçamento entre seus pinos. Mas tanto um tipo quanto o outro de conversor funciona normalmente com o Arduino. A grande vantagem da USB é que todo PC moderno tem várias dessas portas disponíveis, e só os de mesa, os desktop, ainda estão vindo com duas ou tres portas RS-232.

Descrição do Circuito

O microcontrolador é alimentado com +5 volts nos pinos 7 e 20 provenientes do regulador de tensão integrado LM7805, se o jumper JMP1 estiver na posição “EXT”. Os capacitores C1 a C4 formam os filtros CC de entrada e de saída do regulador. No conector J1 entramos com uma tensão de +9 volts a +15 volts de uma fonte externa ou de um carregador comum de baterias com o positivo no pino central.
O diodo D1 serve de proteção para o circuito no caso de o pino central ser negativo. O LED1, vermelho, acende se a tensão de alimentação do circuito estiver correta. Essa mesma tensão externa tambem é disponibilizada no primeiro pino do conector “POWER”. A tensão de +5 volts do regulador LM7805 alem de ser disponibilizada nos pinos dos conectores “POWER” e “SENSOR” segue tambem para o conector “SERIAL” para alimentar a placa externa com o conversor RS-232.
À direita do diagrama temos o microcontrolador e os conectores ICSP, os dois digitais e o analógico. São 14 pinos digitais (D0 a D13) e 6 analógicos (A0 a A5). O pino de entrada de referência (AREF) para o conversor A/D do Arduino fica no segundo conector digital. O LED de teste e o pino 3 do ICSP estão ligados no pino digital D13. Na área tracejada vemos um cristal de 16Mhz e dois capacitores de 22pF que formam o circuito de relógio para o microcontrolador. Esse conjunto cristal-capacitores pode ser substituido por um ressonador cerâmico de 16Mhz que já inclui os dois capacitores no mesmo encapsulamento.
O microcontrolador uma vez configurado pelo bootloader do Arduino é resetado pelo último pino do PORT C (pino 1do microcontrolador), onde tambem temos um botão de RESET. Esse mesmo sinal de RESET segue para o pino 5 do ICSP e, atraves de um capacitor de 100nF, para o circuito conversor serial externo, para onde vão tambem os pinos digitais D0 e D1 que normalmente são reservados para a comunicação serial do Arduino com um computador PC ou com outro Arduino. Nesse conector  “SERIAL” pode ser ligado um circuito conversor RS-232 ou um USB. Se for usado um conversor USB o jumper JMP1 deve ser mudado para a posição “USB” e com isso o Arduino passa a ser alimentado pela tensão +5 volts da porta USB  do computador PC. É interessante observar que se não dispusermos de um carregador de baterias para conectarmos em J1 nosso Arduino pode ser alimentado por uma fonte externa de +5 volts diretamente atraves do conector “POWER”. O microcontrolador aparece no meio da placa.
Todos os pinos digitais e analógicos obedecem as mesmas posições e distanciamentos do Arduino padrão. Na parte de cima ficam os conectores digitais e à direita destes o conector “SERIAL” que acrescentamos para ligarmos a placa do conversor serial que será montada à parte. Na parte de baixo da placa está o jumper para selecionarmos que interface serial estamos usando, se RS-232 ou USB, e o conector analógico e o de tensões disponíveis para outros circuitos. À esquerda deste acrescentamos tambem um conector de tres pinos, o “SENSOR”, que é uma extensão do pino analógico A0, a tensão de +5 volts e o terra num só conector. À direita da placa, temos o botão de RESET e acima dele o conector “ICSP”. Mais abaixo do RESET o conector de entrada de tensão para alimentar o Arduino. Os outros componentes são os capacitores e resistores, o regulador de tensão e os dois LEDs. O LED vermelho acende para indicar que o Arduino está corretamente alimentado e o LED verde é o que vai conectado ao pino digital D13 do Arduino e indica quando carregamos programas para o microcontrolador. Em nosso Arduino utilizamos um ressonador cerâmico de 16 Mhz  em vez do cristal e dois capacitores de 22pF que aparecem no diagrama da figura 1. Nossa placa tem somente quatro pequenos jumpers. 
 

figura 2

Lista de materiais para a montagem do Arduino proposto

Item	Componente	qtde	Obs.
1	Soquete DIL 28 pinos	1	Ou 2x DIL de 14 pinos
2	ATmega8	1	ou ATmega168
3	Cristal 16 Mhz	1	Ou ressonador cerâmico 16 Mhz
4	Regulador LM-7805	1	Não precisa dissipador
5	Diodo 1N4148	1	qualquer um da série 1N414x
6	LED 5 mm vermelho	1
7	LED 5 mm verde	1
8	Capacitor 100uFx25V	1	Tipo axial
9	Capacitor 10uFx25V	1	Tipo axial
10	Capacitor 100nFx100V	3	Tipo poliester
11	Capacitor 22pFx100V	2	Dispensados se usar ressonador
12	Resistor 220 ohms x 1/8W	2	Tipo cerâmico
13	Resistor 10 Kohms x 1/8W	1
14	Botão tipo campanhia	1	Micro-chave para circuito impresso
15	Jumper 3 pinos	1	Jumper com espaçamento 2,54 mm
16	Conector mini-latch 8 pinos fêmea	2	Para os pinos digitais
17	Conector  mini-latch 6 pinos fêmea	1	Para os pinos analógicos
18	Conector  mini-latch 6 pinos fêmea	1	Para os pinos de tensões externas
19	Barra de pinos 6 pinos 90 graus	1	Para a placa serial
20	Conector mini-latch 3 pinos fêmea	1	Para a entrada de sensor
21	Barra de pinos 2x3 fêmea	1	Para o ICSP
22	Conector alimentação femea	1	tipo jack para circuito impresso

 

A placa de Circuito Impresso

A placa de circuito impresso do nosso Arduino tem 7,5 cm por 5,5 cm e é de face simples. Veja na figura 3 o lado da solda e na figura 4 uma sugestão de serigrafia no lado dos componentes na placa.
 

figura 3

figura 4

A placa de circuito impresso pode ser confeccionada por qualquer método caseiro, como o já consagrado método térmico com impressão ou fotocópia a laser numa folha de papel grassy. Nesse caso deve-se usar o desenho da figura 5, sem inversão do lado da solda. Note que em nossa placa utilizamos um ressonador cerâmico na posição indicada como “XTAL”, se for utilizado um cristal e os dois capacitores ceramicos de 22 pF o desenho da placa deverá ser modificado para acomodá-los. Os pinos 8 e 22 (GND) do microcontrolador já vêm conectados entre si dentro do encapsulamento e portanto no desenho da placa não aparecem conectados.
 

figura 5

Uma vez pronta a placa de circuito impresso, o nosso Arduino pode ser todo montado em umas poucas horas, dependendo da experiência em montagens eletronicas do leitor. As unicas recomendações são para conferir mais de uma vez a montagem dos componentes polarizados, como o diodo, os capacitores eletrolíticos e os LEDs, e para se certificar que o microcontrolador está corretamente alojado e orientado no seu soquete. Confira tambem se os quatro jumpers (são quatro pedaços de fios finos) foram corretamente soldados nos seus respectivos lugares. Por fim, coloque o strap de JMP1 na posição “EXT”.

Alimentando o Arduino

Com o hardware do Arduino montado já podemos alimentá-lo, embora ainda não possamos controlar nada  com ele pois não temos nenhum programa carregado.  Você pode alimentar o Arduino de duas maneiras diferentes: ou com uma fonte externa ou um carregador para aparelhos portáteis com tensões entre 9V e 15V, como o da figura 6 abaixo; ou diretamente com uma bateria comum de 9 volts com um cabo adaptado para o plug da bateria e para o plug do módulo, veja a figura 6. O positivo da fonte deverá ser o pino central do conector macho que vai ligado ao Arduino.

figura 6

Ao conectar qualquer dessas fontes de tensão ao Arduino somente o LED vermelho deverá acender de imediato indicando que o módulo está alimentado corretamente.  Num outro artigo vamos montar um programador para o bootloader e o cabo serial e fazer nossos primeiros experimentos com o nosso Arduino.

 É isso aí, agora se você ja fez seu arduino ou ja tem um siga a página principal de Arduino do Blog e vá seguindo os tutoriais! Bom Proveito!

Não Me Responsabilizo por Nada Aqui escrito, se pegar FOGO é por sua Conta!

6.2.1) Arduino + Mouse PS2 + Servo Simples [Parte 2 e 3]

Olá novamente. Hoje é o último post da interface mouse + arduino + servo, pelo processing!

Parte 2 e 3 do meu projeto com arduino e um mouse ps2.

Na primeira tentativa, testei com o mouse sem ter uma interface com o computador, direto com o arduino.

Então comecei a pesquisar no site oficial do Arduino, por uma interface entre o mouse, o computador e o arduino. Descobri uma maneira de interligar tudo isso, a partir de um tal de Processing.

Processing, não sei dizer ao certo sua denominação, porém ele pode fazer a comunicação do computador com uma placa arduino, pois ele consegue acessar e usar a porta paralela do pc para mandar informações e para receber, testei e logo posto aqui um potenciômetro que regula uma cor na tela do PC que seria o de mandar informações do arduino pro PC. Do mesmo jeito que o SerialMonitor do sketch do arduino faz, mas com uma sofisticação maior.

Inicialização muito parecida com a do arduino.

Para fazer esta comunicação (interface), você deve fazer o download da biblioteca processing em, biblioteca processing.

Ele roda tanto no Linux quanto no Windows e MacOS, usei ja no Windows e no Ubuntu funcionou perfeito.

Depois de ter feito o download, siga os seguintes passos:

• Descompacte a biblioteca e copie a pasta “arduino” dentro da sub-pasta “bibliotecas” do seu sketchbook do seu processing. (Você pode achar o diretório de seu sketchbook abrindo as preferências do processing. Se você não tiver uma sub-pasta “biblioteca” em seu sketchbook, crie uma!)
• Rode o arduino, abra Exemplos > StandardFirmata sketch, e faça o upload para a placa.
• Configure o processing com o serial em: http://processing.org/reference/libraries/serial/
• Dentro do processing, abra um dos exemplos que vem junto da biblioteca arduino.
• Edite o exemplo para acertar a porta serial.
• Rode o exemplo.

Pronto esta configurado!

Como já sabemos um pouco sobre cada módulo e o necessário para iniciarmos nossa experiência com estes componentes, vamos ao que interessa!

Primeiramente devemos escrever o código no Arduino (está comentado linha a linha):

 

#include<servo.h> //inicializa biblioteca servo

Servo servo1; Servo servo2; cria o objeto servo 1 e 2

void setup() {

pinMode(1,OUTPUT);

servo1.attach(14); //pino analógico 0

servo2.attach(15); //pino analógico 1

Serial.begin(19200); //inicia comunicação serial

Serial.println("Preparado"); //imprime na tela do computador

}

void loop() { // o void loop ainda está um pouco

// complicado para eu poder explicar.

static int v = 0;

if ( Serial.available()) {

char ch = Serial.read();

switch(ch) {

case '0'...'9':

v = v * 10 + ch - '0';

break;

case 's':

servo1.write(v);

v = 0;

break;

case 'w':

servo2.write(v);

v = 0;

break;

case 'd':

servo2.detach();

break;

case 'a':

servo2.attach(15);

break;

}

}

}

Assim sendo, grave o sketch no arduino e partiremos para a próxima etapa, o processing.

Depois de instalado o processing (post anterior) e já ter feito o upload do sketch para o arduino, compile este programa dentro do processing:

import processing.serial.*;

int gx = 15; //declaração das variáveis de processo

int gy = 35;

int spos=90; //esta é a variável que controla o servo 1 ou 2

//repare que ela já recebe o num. 90, o que indica

//que o servo irá inicializar em 90°!

float leftColor = 0.0;

float rightColor = 0.0;

Serial port;

void setup()

{

size(720, 720);

colorMode(RGB, 1.0);

noStroke();

rectMode(CENTER);

frameRate(100);

println(Serial.list()); // List COM-ports

port = new Serial(this, Serial.list()[2], 115200);

//esta linha é muito importante para a comunicação serial

//em Serail.list()[2] troque o 2 pelo número do indice da porta "COM"

//que esta se comunicando com o arduino. Em 115200 é a velocidade

//que ela se comunica, você também deve trocar este valor se diferir da

//velocidade da sua.

}

void draw()

{

background(0.0);

update(mouseX);

update(mouseY);

fill(mouseX/4);

fill(mouseY/4);

rect(150, 320, gx*2, gx*2);

fill(180 - (mouseX/4));

rect(450, 320, gy*2, gy*2);

fill(180 - (mouseY/4));

}

void update(int x)

{

//Calculata a posição do servo por mouseX e mouseY

spos= x/4; spos=y/4;

//Atualiza saída do servo 1 ( de 0 a 180)

port.write("s"+spos);

//Atualiza saída do servo 2 ( de 0 a 180)

port.write("w"+spos);

// Just some graphics

leftColor = -0.002 * x/2 + 0.06;

rightColor = 0.002 * x/2 + 0.06;

gx = x/2;

gy = 100-y/2;

}