Abschlussbericht Gruppe 2
Werbung
Abschlussbericht - Biofeedbackgerät Gruppe 2 Hautwiderstandund Atmungfrequenzmessung Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Gliederung GLIEDERUNG......................................................................................................................... 2 TEILNEHMER ........................................................................................................................ 3 BETREUER ............................................................................................................................... 3 STUDENTEN ............................................................................................................................. 3 Gruppe A: Hautwiderstand ................................................................................................ 3 Gruppe B: Atemfrequenz.................................................................................................... 3 ALLGEMEINES ...................................................................................................................... 4 REFERATE ............................................................................................................................... 4 SCHNITTSTELLEN .................................................................................................................... 4 Pinnbelegungsübersetzungstabelle .................................................................................... 5 BAUFORM ................................................................................................................................ 5 HAUTWIDERSTANDMESSUNG......................................................................................... 6 PROBLEMSTELLUNG ................................................................................................................ 6 FUNKTIONSBESCHREIBUNG AM VEREINFACHTEN SCHALTBILD ............................................... 6 SCHALTPLAN........................................................................................................................... 6 ENTWICKLUNG........................................................................................................................ 6 SCHALTPLÄNE......................................................................................................................... 7 BAUTEILE ................................................................................................................................ 7 ATEMFREQUENZMESSUNG.............................................................................................. 8 SENSOREN .............................................................................................................................. 8 PROBLEMSTELLUNG ................................................................................................................ 8 ENTWICKLUNG........................................................................................................................ 8 FUNKTIONSBESCHREIBUNG ..................................................................................................... 9 SKIZZE.................................................................... FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFIN IERT. AUFBEREITUNG.................................................................................................................... 9 AUSWERTUNG..................................................................................................................... 10 PROBLEMSTELLUNG .............................................................................................................. 10 ENTWICKLUNG...................................................................................................................... 10 BLOCKSCHALTBILD ............................................................................................................... 11 FUNKTIONSBESCHREIBUNG ................................................................................................... 11 SCHALTPLÄNE....................................................................................................................... 13 Signalverarbeitung ........................................................................................................... 13 Signalverarbeitung – altes Modell ................................................................................... 14 Signalverarbeitung – Layout ............................................................................................ 15 SIGNALLAUFPLÄNE ............................................................................................................... 16 BAUTEILE .............................................................................................................................. 16 Seite 2 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Teilnehmer Betreuer Krystan Marquart Dirk Nötzelmann Studenten Gruppe A: Hautwiderstand Peggy L Nguetse jongo Walid Jerbi Thierry Manock Stephan Bönick Gruppe B: Atemfrequenz Herry Wijaya Nikolai Schwerg Mathias Völker Carsten Günther Boubakar Ben Chobba Seite 3 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Allgemeines Referate Während der Laborzeit haben wir nicht nur gelötet. Wir haben auch über interessante Themen die für unsere Arbeit notwendig waren, Referate gehalten: • Mathias Pspice • Herry Digitale IC’s • Peggy Elektrische Unfälle • Thierry Ätzen von Platinen • Nikolai Der ideale OPV • Walid Oszillator • Carsten Der reale OPV • Stefan Biofeedbackgerät • Boubaker Digitale Schaltungen Schnittstellen Die Platinen, die wir entworfen haben ist im Gehäuse mit anderen Platinen über einen gemeinsamen Bus verbunden. Da die Gruppe für die Messung der Pulsfrequenz und der Hauttemperatur bedauerlicherweise die Aussparung für das Batteriefach auf der falschen Seite ihrer Platine vorgesehen und durch das Ätzen und Bestücken bereits Ta tsachen geschaffen hatte, erklärten wir uns bereit zur Rettung des Projekts nicht auf die Absprachen zu beharren und unsererseits einfach den Stecker zu drehen. Dann entdeckten wir, dass es ausreichen sollte den Stecker verkehrt herum in den Bus zu stecken, wenn wir dann die Nummerierung der Pins und A und B auf unserer Platine vertauschten. So machten wir es dann auch. Seite 4 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Pinnbelegungsübersetzungstabelle Standard Steckerbelegung A 1 V+ 2 V+ Steckerbelegung nach Drehung 32 31 A V+ V+ B V+ V+ Puls_LVL 30 Puls_LVL GND Breath_LVL 29 Breath_LVL GND Temp 28 Temp GND 6 GND Skin 27 Skin GND 7 8 9 10 11 12 13 14 GND GND GND GND GND GND GND GND GND Poti GND Durchlicht Out Durchlicht In GND Temp-Sensor Temp-Sensor 26 25 24 23 22 21 20 19 GND Poti GND Durchlicht Out Durchlicht In GND Temp-Sensor Temp-Sensor GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND Poti 5M Poti 5M Poti 5M 18 17 16 15 14 13 GND GND GND Poti 5M Poti 5M Poti 5M GND GND GND GND GND GND Poti 1M Poti 1M Poti 1M 12 11 10 Poti 1M Poti 1M Poti 1M GND GND GND Stecker Skin Stecker Skin Stecker Breath Stecker Breath 9 8 7 6 Stecker Skin Stecker Skin Stecker Breath Stecker Breath GND GND GND GND GND 5 GND GND Breath_Peak 4 Breath_Peak GND Puls_Peak 3 Puls_Peak GND VV- 2 1 VV- VV- 3 GND 4 GND 5 GND 15 16 17 18 19 20 21 GND 22 GND 23 GND 24 25 26 27 GND GND GND GND 28 GND 29 GND 30 GND 31 V32 V- B V+ V+ Bauform Leider haben wir es nicht geschafft unsere Schaltung zu eageln und zu ätzen. Das hat zum einen daran gelegen, dass in unserer Gruppe niemand über ausreichende Erfahrungen in diesem Gebiet verfügte und die entsprechenden Referate erst sehr spät oder gar nicht gehalten wurden. Außerdem waren wir mit unserem Entwurf schon sehr spät dran, so daß wir uns gezwungen sahen alle Ambitionen in dieser Richtung fahren zu lassen und die Bauteile auf der Platine mit kleinen Drähten zu verbinden. Diese Fummelarbeit nahm doch mehr Zeit in Anspruch als wir gedacht hätten und so waren große Anstrengungen erforderlich termingerecht fertig zu werden. Seite 5 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Hautwiderstandmessung Problemstellung Ziel unserer Teilgruppe war es eine Schaltung zu entwickeln , die aus einem Hautwiderstandswert eine Ausgangspannung erzeugt, die proportional zu dem Hautwiderstand ist. Diese Ausgangsspannung muss im Bereich von 0 bis 3V liegen. Zum Anfang haben wir die Hautwiderstand auf den Bereich 220OHM bis 3 Mega festgelegt. Funktionsbeschreibung am vereinfachten Schaltbild Bild 1* Spannungsstabilisierung: Um die Spannung in der gewünschte Größe zu bringen wird einen Stabilisier eingesetzt. Dazu verwenden wir eine Spannungsquelle, eine Z-Dioden und einen Widerstand. 2* Kennlinienanpassung Besteht aus einem Widerstand und einem Potentiometer und dient der Anpassung von Eingangs- und Ausgangswerten. z.B. kleiner Hautwiederstand mit kleiner Ausgangspannung 3* Verstärker: Besteht aus zwei OPV (invertierende Verstärker) Mit dem der ersten OPV wird die Ausgangspannung in den gewünschten Bereich gebracht. Mit dem zweite wird das Ausgangssignalschnittstellen gemäß positiv gemacht.. Man führt das Eingangssignal dem invertierenden Eingang des OPV zu. Über den Hautwiderstand Rhaut beziehungsweise R1 wird das Ausgangssignal auf den Eingang zurückgekoppelt. Über den Rhaut wird der Verstärkungsfaktor verändert. Rhaut~Ua3 Schaltplan Aus der obigen Einfachstversion entwickelt sich der verfeinerte Schaltplan. Dieser Schaltplan ist im Anhang als Vergrößerung. weißdennamennochnicht.sch Entwicklung Die Dimensionierung haben wir mit PSpice gemacht, dafür haben wir folgende Parameter berücksichtigt: Ausgang- und Eingangspannung und ganz wichtig: Den Strom, er muss sehr klein sein, weil unsere Schaltung für die Anwendung am Menschen geschaffen wurde und keinerlei gesundheitliche Risiken enthalten darf. Seite 6 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Zum Schluss haben wir eine Beziehung zwischen unsere Hautleitwert und der Ausgangspannung ermittelt . Bild Wir haben unsere Schaltung mit Gleichspannung gemessen . Alle Bauelemente haben wir auf die Platine gelötet. Die meisten Bauelemente waren für unsere Schaltung geeignet. Leider haben wir nicht die Verlustleistung bei der Simulation berücksichtigt und deswegen musste unsere Schaltung mehrmals geändert werden. Den Sollwerte 3V für den Ausgang haben wir nicht erreicht. Der maximale Ausgangswert beträgt ungefähr 2,2V. Zu Anfang funktionierte erst mal gar nichts. Wir haben dann alle Bauelemente und deren Verbindungen geprüft und eine Vielzahl von Fehlern ausmachen können. So zum Beispiel eine falsche Verdrahtung und einige Kurzschlüsse. Wir haben auch überlegt, was für Sensoren wir verwenden können. Wir haben uns schließlich für eine einfache Elektrode entschieden, die man um die Finger wickeln kann. Schaltpläne Simulationsschaltung(Abb Simulationsprogramm Platinenlayout (Abb ) ) Bauteile Seite 7 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Atemfrequenzmessung Es sollte die Atemfrequenz einer Versuchperson aufgenommen und angezeigt werden können. Hierbei waren zuerst einmal medizinische und physiologische Erkenntnisse über den menschlichen Atemapparat zu sammeln. Hierbei war es nicht leicht einen geeigneten Sensor zu finden, der in ausreichendem Maße sensibel für Atembewegungen ist, sich aber durch sonstige Bewegungen nicht stören ließ. Außerdem musste eine geeignete Definition für den Begriff der Frequenz im biologischen Sinne gefunden werden, denn ein festzustellender Signalverlauf würde sowohl in Amplitude als auch in Periodendauer stark variieren, so stark, dass nur eine halbe Periode zur Messung heran gezogen werden kann. Des weiteren mussten die gewonnen Daten noch geeignet für die Anzeige-Gruppe aufbereitet werden. Sensoren Problemstellung Es musste eine für die Atmung signifikante nicht elektrische Größe gefunden werden, die sich durch geeignete elektronische Mittel sichtbar machen und aussagekräftig in eine Spannung zwischen 0 -3V umwandeln lässt. Hierbei war es sehr wichtig eine angemessen hohe Sensibilität bezüglich extremer Atemzustände (sehr langsam, sehr flache, sehr schnell) zu erreichen, ohne jedoch auch andere körperliche oder sonstige fremde als Atmung missinterpretieren zu können. Entwicklung Begonnen haben wir die Diskussion mit dem Vorschlag einen Dehnungsmessstreifen zu verwenden, der mit einem Gurt über der Brust befestigt, durch eine Wiederstandsänderung eine Kontraktion oder Expansion des Brustkorbes anzeigen würde. Diese Idee verfolgten wir nicht weiter, da solche Meßstriefen bereits käuflich zu erwerben sind und es uns als zu wenig innovativ erschien. Die zweite Idee entwickelte sich aus Überlegungen, über magnetische Induktion eines Dauermagneten in einer Spule einen Strom zu induzieren, der der Bewegung entspräche und diesen zu messen. Es bestand die Hoffnung sogar Aussagen über die Intensität treffen zu können. Hieraus entwickelte die Gruppe die Idee, in den Brustgurt eine Spule oder einen Kondensator zu integrieren, des Induktivität/Kapazität sich auf Grund der Bewegung ändere. Diese Induktivität/Kapazität sollte nun teil eines Schwingkreises sein, der selber mit einer wesentlich besser zu handhabenderen Frequenz, z.B. 1000Hz, schwingt und nun bei jeder Bewegung verstimmt wird. Diese Verstimmung wollten wir auswerten. Alle Brustgurt-Überlegungen scheiterten schließlich daran, dass sich beim Versuchen herausstellte, dass die Umfangsänderung nur etwas um 1 cm beträgt und so nicht wirklich starke Veränderungen der elektrischen Größe zu erwarten waren. Hinzu kamen praktische Überlegungen der Handhabung und Vergleichbarkeit der Messergebnisse. Einen ganz anderen Weg wollten wir mit Messungen der Atemgase beschreiten, so wurde überlegt, zum Beispiel mit einem Feuchtigkeitssensor ein Ein- und Ausatmen festzustellen. Hierbei fürchteten wir eine zu große Trägheit. Weiter wollten wir an einer kleinen Scheibe die Änderung der Lichtdurchlässigkeit auf Grund des Seite 8 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Kondensats von Atemgasen messen. Dies scheiterte am hohen Materialaufwand und am komplizierten Sensor. Schließlich beschlossen wir eine Idee einer anderen Gruppe zu nutzen und die Wiederstandsänderung an einem Temperaturwiederstand der in die Atemluft gehalten wird aufzunehmen. Funktionsbeschreibung Als Atemsensor wird ein PT100 in SMD Bauweise verwandt. Der PT100 hat bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm, er reagiert sehr schnell und verändert den Wert mit ca. 0,3 Ohm pro 1°C (im Bereich von -30°C bis 70°C). Dieser ist in ein Plastikröhrchen integriert durch welches die Atmung erfolgen muß. Somit kann der Sensor unter der Nase angebracht werden. Aufbereitung Funktionsbeschreibung Die Sensor ist in einen Spannungsteiler integriert, welcher über eine Zener-Diode mit 3V konstant versorgt wird. Parallel existiert ein zweiter Spannungsteiler, welcher über ein Spindelpoti eine Referenzspannung erzeugt und somit die Lage des Messbereichs festlegt. Die Differenz zwischen diesen Spannungen wird mittels OP verstärkt. Die Verstärkung ist mit Hilfe eines Trimmpotis regelbar, womit gleichzeitig die Größe des Messbereichs justiert wird. Das entstandene Signal wird nun durch einen Hochpass geleitet um es zu differenzieren und danach das Steigen bzw. Fallen der Temperatur per Komperator zu ermitteln. Der Grenzwert des Komperators kann per Spindelpoti eingestellt werden und somit wird die Empfindlichkeit reguliert. Zusätzlich wird das Ausgabesignal noch durch einen Tiefpass geleitet um Störungen herauszufiltern. Die gesamte Schaltung wird mit ein paar 100nF Kondensatoren stabilisiert. Seite 9 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Schaltpläne Dieser Schaltplan ist im Anhang auch als Vergrößerung erhältlich. Atemsensor.sch Auswertung Problemstellung Absprache gemäß sollte die Teilgruppe der Auswertung von der Aufbereitung ein halbwegsrechteckförmiges Signal bekommen. Dieses Signal sollte bei jedem Einatmen eine ansteigende Flanke aufweisen. Aus dem Abstand zwischen zwei solcher Flanken sollte dann die Atemfrequenz des letzten Atemzuges ermittelt werden. Entwicklung Zu Anfang erstellte einer aus der Teilgruppe einen skizzenhaften Entwurf einer möglichen Schaltung. Dieser stimmte bereits weitestgehend mit unserem endgültigem Blockschaltbild überein und bestand im wesentlichen aus zwei TimerBausteinen und einem Integrator mit Hold-Glied. Während der nächsten Termine ließ sich der Rest der Teilgruppe dann den Entwurf Bauteil für Bauteil erklären. Bei der Besprechung der Schaltung wurden nach und nach immer wieder Bauteile ausgetauscht oder ersatzlos gestrichen, so dass wir bis zum Zeitpunkt des ersten Kontakts mit PSpice bereits auf 2/3 reduziert hatten. Seite 10 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Versuche die Schaltung mit PSpice zu simulieren scheiterten auf Grund der Größe und so konnten nur Ausschnitte (Timer-Bausteine, Integrator) betrachtet werden. Zum Zeitpunkt des Einkaufens der Bauteile waren wir uns unserer Sache schon recht sicher, bestand die Schaltung doch im wesentlichen aus Elementen, die im Tietze-Schenk ausführlich beschrieben wurden. Dennoch erlebten wir wundersames. Wir haben insgesamt viel Zeit darauf verwendet den Baustein 74123 korrekt zum Laufen zu bringen, wobei wir hier gleichermaßen vom Signalgenerator, Oszilloskop und unserer eigenen Unfähigkeit das Datenblatt richtig zu lesen genarrt wurden. Wichtig war, dass es für das KondensatorWiderstand-Verhältnis gewisse Grenzen gab, die wir nicht eingehalten hatten. Als wir dann feststellten, dass der Integrator nicht tat, wie ihm geheißen wurde, fanden sich schnell Anhänger einer neuen Idee: Wir tauschten den Integrator gegen einen Kondensator aus, bei dem wir davon ausgehen konnten, dass er sich im Bereich von 0-1,5V halbwegs linear aufladen würde. Dies entspricht unserem Vorhaben eine 1 zu integrieren, war nur wesentlich leichter zu realisieren. Nachdem wir noch die richtige Kapazität für unser Zwecke teils durch Berechnung teils durch Versuche gefunden hatten, funktionierte das Ganze auch. Mit den richtigen Messgeräten und Signalquellen konnten wir uns von einer Ideegemäßen Funktionsweise überzeugen. Abschließend musste noch eine Feinabstimmung vorgenommen werden, um das Gerät an den Messbereich anzupassen. Letzte Probleme bereitete uns die Ausgangsspannung auf 3V zu begrenzen. Auch hierbei hatten wir viele Ideen: OPV als Spannungsfolger mit 3V Betriebsspannung, Transistorschalter an einem Komperator oder eine Zener-Diode. Wir haben dann die Zener-Diode genommen, obwohl wir den Stromfluß durch den großen Widerstand etwas fürchteten. Blockschaltbild Blockschaltbild-Auswerter.xls/Blockschaltbild Funktionsbeschreibung Mit einem 74123 werden bei dem Eingangssignal die steigenden Flanken detektiert und ein Impuls von ca. 1-6ms Länge angeregt. Der invertierende Ausgang des ersten Seite 11 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Monoflops wird auf den Eingang des zweiten geleitet, um diesen ebenfalls zu einem Impuls von 2-12ms Länge anzuregen. Die Schaltzeiten sollen die nötigen Ent- und Umladezeiten der Kondensatoren nicht unterschreiten und eine Selbstentladung verhindern. Hierbei erfolgt eine Schaltzeitverschiebung, da sich beim Inverteiren steigende und fallende Flanken vertauschen und so der zweite Monoflop erst nach dem Impuls des ersten anspringt. Nun haben wir am ersten Monoflop einen und am zweiten einen um die Dauer des ersten verzögerten, etwas längeren Impuls. Mit diesen steuern wir zwei Analogschalter. Während der gesamten Betriebesdauer liegt der Integrationskondensator über einen einstellbaren 1MÙ-Widerstand an der positiven Betriebsspannung und lädt sich so auf. Das Potentiometer dient der Feinabstimmung der Ladezeit und soll helfen das Gerät auf ein passendes Messintervall einzustellen. Parallel zum Kondesator liegt der erste Analogschalter mit dem verzögertem Schaltimpuls. Wenn dieser schließt, wird der Kondensator über den 50ÙInnenwiderstand entladen. Durch regelmäßiges Entladen (Wenn geatmet wird), wird der Kondensator stets im linearen Bereich gehalten. Die Kapazität ist so gewählt, das ausreichend Zeit für tiefe Atemzüge bleibt. Im Messbereich ist die Spannung am Kondenstor proportional zur Atemzugdauer. Ebenfalls parallel zum Kondensator, über einen nicht invertierenden Verstärker entladungshemmend und durch den zweiten Analogschalter komplett getrennt liegt ein zweiter, größerer Kondensator zur Speicherung der Endspannung des Integrationskondensators. Für diesen Umladeschalter wird der nicht-verzögerte nichtinvertierte Schaltimpuls genutzt. Hinter dem Speicherkondensator folgt noch ein einfacher Spannungsfolger als Impedanzwandler und zum Schutz vor Entladungen. Abschließend wird noch über eine 3V-Zener-Diode und einen großen Widerstand sichergestellt, dass auch wirklich nie mehr als die vereinbarten 3V an die Anzeigegruppe geliefert werden. Seite 12 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Schaltpläne Signalverarbeitung Wir haben die einzelnen Bauelemente weitestgehend zu den selben Gruppen zusammengefasst, wie wir sie im obigen Blockschaltbild verwendet haben. Von diesem Schaltplan befindet sich eine Vergrößerung im Anhang. Signalverarbeitung.sch Seite 13 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Signalverarbeitung – altes Modell Das war der erste zwischenstand mit dem wir angefangen hatten zu arbeiten – sprich zu löten. Damals hatte wir noch versucht unser Ziel mit einem Integrator zu lösen und außerdem hatten wir die Monoflops falsch beschaltet. SignalverarbeitungALT.sch Seite 14 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Signalverarbeitung – Layout Da wir keine Zeit mehr hatten zu eageln, haben wir eine Art Layout mit PSpice erstellt, indem wir die Bauelemente so zusammengefasst haben wie sie tatsächlich hergestellt werden. Dazu haben wir uns Bilder von unseren IC’s gezeichnet und die entsprechenden Anschlüsse über die richtigen Pins geführt. SignalverarbeitungLayOut.sch Seite 15 von 16 Abschlußbericht zum BIOFEEDBACK – GERÄT Im Januar 2002 Atemfrequenz- und Hautleitwertmessung Signallaufpläne Die Signallaufpläne sind im Anhang in einem Blockschaltbild als Vergrößerung abgelegt. Blockschaltbild-Auswerter.xls/Signallauf Bauteile 01 01 01 01 02 02 01 02 01 01 01 01 Kondensator Kondensator Kondensator Kondensator Widerstand Widerstand Widerstand Dioden Zener-Diode 74S123N LM324N 74HC4066N 1,1 2,2 5 100 22 100 1 ìF ìF ìF ìF kÙ kÙ MÙ 3 V Seite 16 von 16
