Alarm dotyku tváre: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Dotyk tváre je jedným z najbežnejších spôsobov, akými sa infikujeme vírusmi, ako je Covid-19. Akademická štúdia z roku 2015 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25637115) zistila, že sa tváre dotýkame v priemere 23 -krát za hodinu. Rozhodol som sa navrhnúť lacné zariadenie s nízkym výkonom, ktoré by vás upozornilo vždy, keď sa chystáte dotknúť tváre. Tento hrubý prototyp by sa dal veľmi ľahko vylepšiť a hoci je nepravdepodobné, že by ste ho chceli nosiť celý deň, môže to byť dobrý spôsob, ako vás vycvičiť, aby ste obmedzili dotýkanie sa tváre, a tým obmedzili šírenie vírusu.

Väčšina foriem snímania pohybu používa akcelerometre alebo spracovanie obrazu. Tieto sú relatívne drahé, vyžadujú nepretržitý výkon a teda aj pomerne veľkú batériu. Chcel som vyrobiť zariadenie, ktoré spotrebuje energiu iba vtedy, keď ho správanie spustí, a ktoré by bolo možné vyrobiť doma za menej ako 10 dolárov.

Zariadenie má tri časti. Náhrdelník a dve malé gumičky na každom zápästí. Využíva princíp, že magnet pohybujúci sa v blízkosti cievky drôtu generuje v drôte elektrický prúd. Keď sa ruka pohybuje smerom k tvári, magnet na zápästí vytvára na cievke malé napätie. Toto je zosilnené a ak je vyššia ako určitá prahová hodnota, zapne malý bzučiak.

Zásoby

• 100 - 200 metrov solenoidového drôtu. Väčšina drôtov je príliš hrubá. Solenoidový drôt je izolovaný veľmi jemnou vrstvou laku, takže v cievke môžete urobiť veľa zákrut a pritom ju udržať relatívne malú a ľahkú. Použil som 34 AWG - čo je priemer asi 0,15 mm
• Káblové sťahovacie pásky alebo samostatná páska
• Jediný napájací zosilňovač s nízkym výkonom. Musí byť schopný pracovať na 3V. Použil som Microchip MCP601.
• 2 odpory (1M, 2K)
• 2K rezistor trimra
• 3 - 5 V piezoelektrický bzučiak
• Akýkoľvek základný npn tranzistor (použil som 2N3904)
• Nejaký veroboard
• CR2032 (alebo ľubovoľná 3V gombíková batéria)
• 2 malé silné magnety
• 2 hrubé gumičky alebo nejaký materiál na podporu kompresie (napríklad kompresné ponožky)

Krok 1: Naviňte cievku

Cievka musí byť jeden súvislý kus drôtu, takže bohužiaľ nemôže byť zavesená a uvoľnená ako náhrdelník. Preto je dôležité, aby priemer cievky bol dostatočne veľký na to, aby ste ju dostali cez hlavu. Svojho som navinul na kruhový formovač (kôš na papier) s priemerom asi 23 cm (9 palcov). Čím viac zákrut, tým lepšie. Stratil som počet, koľko som zarobil, ale testovaním elektrického odporu na konci si myslím, že som skončil s asi 150 otáčkami.

Jemne vyberte cievku z cievky a zaistite cievku sťahovacími páskami alebo páskou. Je dôležité nerozlomiť žiadny z jemných elektromagnetických vodičov, pretože opravu bude takmer nemožné. Keď máte cievku zaistenú, nájdite dva konce drôtu a odstráňte lak z posledných cm (posledného pol palca) z každého konca. Urobil som to roztavením laku spájkovačkou (pozri priložené video).

Kliknutím sem zobrazíte video o tom, ako odizolovať elektromagnetický drôt

Tieto konce je možné jemne prichytiť na dosku plošných spojov detektora. V prípade môjho prototypu som konce spájkoval na malý kúsok samostatného veroboardu so záhlavím zásuvky, aby som mohol použiť experiment a použiť prepojovacie káble na pripojenie k rôznym návrhom obvodov.

Krok 2: Zostavte obvod detektora

Schematický a konečný obvod sú uvedené vyššie.

Na zosilnenie veľmi malého napätia generovaného na cievke používam operačný zosilňovač v neinvertujúcej konfigurácii. Zisk tohto zosilňovača je pomer odporov R1 a R2. Musí byť dostatočne vysoký, aby detekoval magnet, keď sa pohybuje približne 10 cm od okraja cievky relatívne pomaly (asi 20-30 cm/s), ale ak ho urobíte príliš citlivým, môže byť nestabilný a bzučiak bude znieť nepretržite.. Pretože optimálny počet bude závisieť od skutočnej cievky, ktorú vytvoríte, a použitého magnetu, odporúčam vám vytvoriť obvod s variabilným odporom, ktorý je možné nastaviť na ľubovoľnú hodnotu až do 2 K. V mojom prototype som zistil, že hodnota približne 1,5 kB funguje dobre.

Pretože cievka bude tiež zachytávať rozptýlené rádiové vlny rôznych frekvencií, zahrnul som kondenzátor cez R1. Funguje to ako dolnopriepustný filter. Pri akýchkoľvek frekvenciách vyšších ako niekoľko hertzov je reaktancia tohto kondenzátora oveľa menšia ako hodnota R1, a tak zosilnenie klesá.

Pretože je zisk taký vysoký, výstup operačného zosilňovača bude skutočne iba „zapnutý“(3V) alebo „vypnutý“(0V). Spočiatku, pretože MCP601 môže produkovať 20 mA, som si myslel, že by mohol byť schopný poháňať piezoelektrický bzučiak priamo (na ich fungovanie je potrebných iba niekoľko mA). Zistil som však, že operačný zosilňovač mal problémy s priamym ovládaním, pravdepodobne kvôli kapacite bzučiaka. Vyriešil som to tak, že som výstup výstupu priviedol cez odpor do tranzistora npn, ktorý funguje ako prepínač. R3 je zvolený tak, aby sa ubezpečil, že tranzistor je úplne zapnutý, keď je výstup z operačného zosilňovača 3V. Aby sa v ideálnom prípade minimalizovala spotreba energie, mala by byť taká vysoká, ako to len dokážete, a pritom zaistiť, aby bol tranzistor zapnutý. Vybral som 5K, aby som zaistil, že tento obvod bude fungovať s takmer akýmkoľvek populárnym npn tranzistorom.

Posledná vec, ktorú potrebujete, je batéria. Bol som schopný úspešne spustiť svoj prototyp s 3V gombíkovou batériou - ale bola ešte citlivejšia a efektívnejšia pri mierne vyššom napätí, a preto ak nájdete malú li -poly batériu (3,7 V), odporúčam ju použiť.

Krok 3: Vytvorte si náramky

Ak nosíte magnet blízko každej ruky, zdvihnutie ruky smerom k tvári spustí bzučiak. Rozhodol som sa vytvoriť dva pásy na zápästie z elastického podporného ponožkového materiálu a použil som ich na to, aby som mal na zápästí dva malé magnety. Môžete tiež experimentovať s magnetickým prsteňom na jednom prste každej ruky.

Indukovaný prúd prúdi v jednom smere okolo cievky, keď magnet vstupuje do oblasti cievky, a v opačnom smere, keď odchádza. Pretože obvod prototypu je zámerne jednoduchý, bzučiak spustí iba jeden smer prúdu. Bude to bzučať buď vtedy, keď sa ruka priblíži k náhrdelníku, alebo keď sa vzdiali. Očividne chceme, aby to na ceste tvárou bzučalo, a polaritu preklopením magnetu môžeme zmeniť polaritu. Skúste teda, s akým smerom okolo zaznie bzučiak, keď sa ruka priblíži k tvári, a označte magnet, aby ste si pamätali, že ho nosíte správne.

Krok 4: Test

Veľkosť indukovaného prúdu súvisí s tým, ako rýchlo sa magnetické pole v blízkosti cievky mení. Je teda jednoduchšie zachytiť rýchle pohyby v blízkosti cievky než pomalé pohyby ďaleko od nej. S trochou pokusov a omylov som mohol zaistiť spoľahlivú prácu, keď som magnetom pohyboval rýchlosťou asi 30 cm/s (1 ft/s) na vzdialenosť 15 cm (6 palcov). Trochu viac tuningu by to zlepšilo o faktor dva alebo tri.

V tejto chvíli je všetko trochu surové, pretože prototyp používa súčiastky „cez dieru“, ale všetku elektroniku je možné ľahko zmrštiť pomocou komponentov pre povrchovú montáž a obmedzujúcou veľkosťou je iba batéria.