WAAR S C H U W I N G!!!

Aan de totstandkoming van dit boekje hebben meegewerkt:

VOORAF De handleiding die nu voor je ligt is de bouwbeschrijving van de hartslagmeter; deze handleiding bevat alle informatie die nodig is om de hartslagmeter in elkaar te zetten. Er wordt geen aandacht besteed aan de uitleg van de werking van de hartslagmeter. Deze uitleg staat wel in de afdruk “Verklaring van de werking van de hartslagmeter” die je deze middag mee naar huis krijgt. Zo kun je thuis op je gemak nalezen hoe de hartslagmeter werkt.

•

Hans Bosch

•

Herman Ossevoort

•

Wim Leliveld

H.Ossevoort, november 2004

Adres:

WAAR S C H U W I N G ! ! ! Gebruik NOOIT een adapter of iets dergelijks in plaats van het batterijtje, ook al beweert je ‘handige’ BROER of ZUS dat het best kan. Het is namelijk LEVENSGEVAARLIJK, omdat je lichaam dan indirect met het lichtnet (stopcontact) verbonden wordt. Ook het aansluiten van meetapparatuur op de hartslagmeter, terwijl je er zelf mee verbonden bent, kan gevaarlijk zijn. Doe dat dus nooit !! en laat je handige familieleden er met hun handen afblijven. ‘Normaal’ gebruik van de hartslagmeter is overigens volstrekt ongevaarlijk. Het zal duidelijk zijn, dat batterij gevoede meetapparatuur wel gebruikt mag worden. Voor het bekijken van de vorm van het ruwe ECG signaal, op b.v. meetpunt 2 van de print, is een b.v. een batterij gevoede oscilloscoop toegestaan.

2

Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Elektrotechniek Leerstoel SPS (Signal Processing Systems)/ medische elektrotechniek E-hoog, vloer 3 Den Dolech 2 5612 AZ, Eindhoven Website: http://www.sps.ele.tue.nl

Voor inlichtingen kun je terecht bij: •

Herman Ossevoort, tel. 040-247 3292, email [email protected]

•

Hans Blom, tel. 040-247 3287, email [email protected]

•

Geert v. d. Boomen, tel. 040-2473570, email [email protected]

•

Harrie Kuipers, tel. 040-247 3547, email [email protected] 15

Geïntegreerde schakelingen

INLEIDING

U1=IC1 = U2=IC2 = U3=IC3 = U4=IC4 =

De hartslagmeter die je vandaag gaat bouwen heeft tot doel om de snelheid van de hartslag (hartfrequentie of “pols” ) op eenvoudige manier zichtbaar te maken. De “pols” wordt zichtbaar gemaakt op een klein afleesmetertje zoals je kunt aantreffen in een cassetterecorder of op een versterker. Op dit metertje kan het verloop van de “pols” goed worden afgelezen zodat de hartslagmeter bijvoorbeeld gebruikt kan worden om je conditie te meten. Immers hoe beter je conditie is, des te sneller loopt de “pols” terug na een geleverde inspanning. De hartslag waarbij de wijzer van de meter volledig uitslaat is ongeveer 200 slagen per minuut. De minimum waarde die gemeten kan worden is ongeveer 50 slagen per minuut. Het apparaat is verder voorzien van 3 lampjes, die ieder een eigen functie hebben: een groen lampje dat bij iedere hartslag even opflitst; een rood lampje dat gaat branden indien de hartslag die gemeten wordt beneden een bepaalde waarde komt en een tweede rood lampje dat gaat branden indien de gemeten hartslag boven een bepaalde waarde komt. Omdat het voor iedereen verschil maakt wat voor hem of haar een “ te lage” of “ te hoge” hartslag is moet je zelf de 2 waarden waarbij de rode lampjes gaan branden instellen. Zodoende kan de hartslag gebruikt worden als een (eenvoudig) alarmeringssysteem.

78L05 LM324 NE555 LM324

Spanningsregelaar Viervoudige operationele versterker Timer Viervoudige operationele versterker

Lampjes D1 =rode LED, D2 = groene LED, idem D3 = rode LED, idem De afgeplatte zijde van de LED’s komt overeen met streepjes van de Diodes D1, D2 en D3 op de print.

Condensatoren C 1= C 2= C 3= C 4= C 5= C 6= C 7= C 8= C 9= C10 = C11 =

100 nF 100 nF 10 nF 100 nF 10 nF 100 nF 4,7 uF, tantaal 1,5 uF, tantaal 2,2 uF, tantaal 100 nF 100 nF

Diversen Print “ SPS ” M1 = VU-meter Batterij-clip 9 Volt 3 elektroden met aansluitdraden (2 rood, 1 zwart) Batterij 9 Volt Doorverbinding op de print (draadje)

14

DE BOUW VAN DE HARTSLAGMETER De hartslagmeter is een elektronische schakeling. Dat wil zeggen dat een aantal elektronische onderdelen met metalen draadjes met elkaar verbonden is en wel zodanig dat zij samen de hartslagmeter vormen. Om te voorkomen dat je zelf al deze draadjes aan moet sluiten is een print gemaakt. De print is een lichtgroen rechthoekig stuk kunststof van ongeveer 7 x14,5 cm., waarop aan de achterkant vele metalen spoortjes staan. Deze metalen spoortjes vormen de verbindingen tussen de elektronische onderdelen waarmee de hartslagmeter is opgebouwd. Omdat de verbindingen al op de print zitten hoeven we zelf alleen nog de elektronische onderdelen op de print te zetten. Dit gebeurt door de aansluitdraden van de onderdelen aan de voorzijde door de bijbehorende gaten in de print te steken. De aansluitingen van de onderdelen worden vervolgens aan de achterkant van de print op de metalen spoortjes vast gesoldeerd. Het solderen is te vergelijken met lassen en zorgt ervoor dat de onderdelen op hun plaats blijven zitten en bovendien contact maken met de metalen spoortjes. Je moet zelf het apparaat afbouwen door de onderdelen op de print te solderen. Om te voorkomen dat je per ongeluk een onderdeel op de verkeerde plaats zou solderen vind je in figuur 1 twee afbeeldingen van de print. 3

ONDERDELENLIJST Weerstanden

Figuur 1a (spiegelbeeld)

Figuur 1b Figuur 1. De achterkant (figuur 1a) en de voorkant (figuur 1b) van de print van de hartslagmeter

4

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 Rl6 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28

= 100.000 Ω = 22.000 Ω = 10.000 Ω = 100.000 Ω = 22.000 Ω = 10.000 Ω = 10.000 Ω = 22.000 Ω = 100.000 Ω = 2.200 Ω = 22.000 Ω = 100.000 Ω = 100.000 Ω = 464.000 Ω = 2.200.000 Ω = 150.000 Ω = 330.000 Ω = 680.000 Ω = 220 Ω = 22.000 Ω = 470.000 Ω = 22.000 Ω = 360.000 Ω = 820.000 Ω = 82.000 Ω = 10.000 Ω = 560 Ω = 560 Ω

Kleurringen

1e 2e 3e bruin zwart zwart rood rood zwart bruin zwart zwart bruin zwart zwart rood rood zwart bruin zwart zwart bruin zwart zwart rood rood zwart bruin zwart zwart rood rood zwart rood rood zwart bruin zwart zwart bruin zwart zwart geel blauw geel rood rood zwart bruin groen zwart oranje oranje zwart blauw grijs zwart rood rood zwart instelpotentiometer instelpotentiometer instelpotentiometer oranje blauw zwart grijs rood zwart grijs rood zwart bruin zwart zwart groen blauw zwart groen blauw zwart

4e oranje rood rood oranje rood rood rood rood oranje bruin rood oranje oranje oranje geel oranje oranje oranje zwart

brede ring 5e bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin bruin

oranje oranje rood rood zwart zwart

bruin bruin bruin bruin bruin bruin

13

zitten. Schakel de hartslagmeter weer in door de batterij weer aan te sluiten. Het kan nu nodig zijn dat je opnieuw een (andere) stand van R21 moet zoeken om de hartslagmeter correct te laten werken. Indien het niet lukt om het groene lampje te laten opflitsen bij iedere hartslag moet je de twee rode elektroden even van pols verwisselen en opnieuw de juiste stand van R21 zoeken met een schroevendraaier. Wanneer je dat, indien nodig, gedaan hebt of even hebt laten doen meet de hartslagmeter nu jouw hartslag.

GEBRUIK VAN DE HARTSLAGMETER THUIS Je kunt de hartslagmeter ook thuis gebruiken, maar er zijn een paar punten waar je op moet letten. Op de eerste plaats zul je thuis waarschijnlijk geen elektrodecrème hebben. In plaats daarvan kun je watten gebruiken, die je drenkt in zout water. Op de plaats waar de elektroden moeten komen ontvet je de huid een beetje, bijvoorbeeld met wat alcohol. Je legt de watten op de huid en daarop de elektrode. Het geheel zet je vast met leukoplast of iets dergelijks. Verder moet je eraan denken dat je de batterij moet losmaken als je de hartslagmeter niet gebruikt. Dat is de enige manier om de hartslagmeter uit te schakelen. Maak je de batterij niet los, dan zal die zeer snel leeg zijn. Werkt de hartslagmeter niet meer, dan is waarschijnlijk de batterij leeg. Je kunt hem dan eenvoudig door een andere vervangen.

Figuur 1a laat zien hoe alle metalen spoortjes op de achterkant van de print lopen. Dit beeld krijg je van de voorkant af door de print heen zou kijken. Figuur 1b toont de voorkant van de print en laat zien op welke plaats ieder onderdeel bevestigd moet worden. In deze figuur vind je bij ieder onderdeel ook een nummer. Het nummer van ieder onderdeel is terug te vinden in de onderdelenlijst en daar staat achter ieder nummer vermeld wat de waarde van dat betreffende onderdeel is. De onderdelenlijst vind je achterin de handleiding. Met behulp van figuur 1 en de onderdelenlijst kun je dus bepalen welk onderdeel waar moet komen en welke waarde dit onderdeel moet hebben. Op de print bevinden zich de volgende typen onderdelen: geïntegreerde schakelingen (“chips”), weerstanden, condensatoren en de drie lampjes die in de inleiding genoemd zijn. In figuur 2 zijn deze onderdelen weergegeven in de vorm zoals ze gebruikt worden in de hartslagmeter.

Figuur 2. Afbeeldingen van de onderdelen die voor de hartslagmeter gebruikt worden. Het metertje waarop de hartslag moet worden afgelezen wordt niet op de print bevestigd maar wordt met losse draadjes aan de print vast gemaakt. Dit geldt eveneens voor de batterijclip en de elektroden waarmee de hartslag van je lichaam wordt opgenomen. De onderdelen die in de onderdelenlijst (zie achterin de handleiding) zijn aangegeven, ga je zelf op de print solderen.

12

5

DE ONDERDELEN De afkortingen ( R14, C7, etc.) die gebruikt worden om onderdelen aan te geven duiden het type onderdeel aan. Zo staat R voor een weerstand (Engels: Resistor) en duidt C een condensator aan. Het nummer dat na de letter volgt komt overeen met het nummer van dat onderdeel in de onderdelenlijst. Voorbeeld: C7 is de condensator met nummer 7. Om zijn waarde te vinden kijk je in de onderdelenlijst onder het kopje “ condensatoren” en daar staat bij nummer 7 de waarde van deze condensator. Je vindt dat C7 een waarde heeft van 4,7µF (spreek uit: micro-Farad) heeft. Farad is de eenheid waarin de waarde van een condensator wordt uitgedrukt. Het voorvoegsel “micro” betekent “een miljoenste deel”. 4,7µF is dus 0,0000047 Farad. Bij het opzoeken van de waarde van een weerstand ga je net zo te werk. De eenheid waarin de waarde van een weerstand wordt uitgedrukt is de Ohm (spreek uit: oom) en wordt geschreven als Ω. De manier waarop de waarde van een onderdeel wordt aangegeven verschilt per soort onderdeel. De waarde van b.v. een koolweerstand geeft men op de weerstand aan met een systeem van kleurstreepjes. Door de kleurstreepjes in de goede volgorde af te lezen weet je wat de waarde is van de weerstand die voor je ligt. Het kleurstreepjessysteem werkt als volgt (zie tabel 1). Aan een van beide zijden van een weerstand bevindt zich een brede bruine ring. Leg de weerstand zodanig voor je neer dat deze ring zich aan de rechterkant bevindt, en bekijk dan de ringen van links naar rechts. Voor één weerstand in de tabel is de juiste volgorde geel-paars-zwart-bruin. Met behulp van tabel l kun je nu de waarde van de weerstand achterhalen. De brede bruine ring dient alleen om de weerstand op de juiste manier neer te leggen en om de kwaliteit van de weerstand aan te geven.

stand is van R21 waarbij het groene lampje gaat opflitsen. Als het groene lampje gelijkmatig opflitst dan blijf je verder van R21 af ! Bij de huidige stand van de wijzer zet je de waarde van de hartslag die je zojuist hebt ingesteld op de ECG-simulator (dat is dus 100). Hetzelfde doe je voor een aantal andere waarden van de hartslag: je stelt een waarde in op de ECG-simulator en schrijft die ingestelde waarde bij de stand die de wijzer op dat moment inneemt. Als je begrepen hebt hoe je het ijken van de hartslagmeter moet uitvoeren kun je hieraan beginnen. De tweede fase van het ijken van de hartslagmeter betreft het instellen van de grenzen van de hartslag waarbij het apparaat een alarm moet geven, zoals vermeld in de inleiding. Deze grenzen moet je voor jezelf vaststellen op waarden die je voor jezelf te laag en te hoog vindt. Stel nu de ECG-simulator in op de hartslag die je voor jezelf te hoog vindt. Daarna draai je met een schroevendraaier aan R20 totdat het rode lampje met nummer D1 net brandt; daarna blijf je van R20 af. Voor het instellen van de alarmgrens voor een te lage hartslag ga je net zo te werk. Stel op de ECG-simulator de hartslag in die je voor jezelf te laag vindt. Draai vervolgens aan R22 totdat het rode lampje met nummer D3 net brandt; daarna blijf je ook van R22 af. Beide alarmgrenzen heb je nu ingesteld. Wanneer tijdens gebruik van de hartslagmeter je hartslag beneden of boven de zojuist door jezelf ingestelde waarden komt zal het overeenkomstige lampje gaan branden. Dat is lampje nummer D1 voor een te hoge hartslag en lampje nummer D3 voor een te lage hartslag. Als je deze handelingen hebt verricht dan ben je klaar met het ijken van de hartslagmeter. Je kunt de hartslagmeter nu weer uitschakelen door de batterij los te maken.

GEBRUIK Als je de hartslagmeter hebt geijkt is het apparaat klaar voor gebruik en kun je hem op jezelf aansluiten. Om de hartslagmeter op jezelf te kunnen aansluiten moet je eerst de elektroden, die dienen om de hartslag van je lichaam op te nemen, op je lichaam bevestigen. De elektroden zijn kleine roestvrij stalen plaatjes, die aan een zwarte of rode draad zijn bevestigd. Om te zorgen dat de elektroden een goed elektrisch contact met de huid maken doe je er wat elektrodecrème op. Vervolgens plak je ze met leukoplast op de juiste plaats op je huid vast. De plekken waar je de elektroden op moet plakken zijn de volgende: de elektrode die met een zwarte draad is verbonden met het punt REF op de print plak je op je rechteronderbeen; de elektrode (rood) verbonden met R plak je op je rechterpols; de elektrode (rood) verbonden met L op je linkerpols Nu is het noodzakelijk dat je ergens op een ontspannen manier gaat zitten. Als je namelijk een paar spieren gespannen houdt (bijvoorbeeld omdat je staande je hartslag wilt meten) zullen deze spieren het signaal van het hart verstoren en wordt het onmogelijk om de hartslag te meten. Vraag daarom even iemands hulp om de hieronder beschreven handelingen te verrichten, zodat je zelf stil kunt blijven

6

11

op de print moet solderen vind je in afzonderlijke bakjes waarin ze allemaal gesorteerd liggen met de waarden erbij geschreven. Toch is het belangrijk dat je de waarde ervan controleert voordat je het onderdeel op de print vast soldeert omdat het altijd mogelijk is dat een onderdeel in een verkeerd bakje is terecht gekomen. Bovendien is het moeilijk een eenmaal vastgesoldeerd onderdeel weer los te krijgen. Als je alles wat tot dusverre beschreven is begrepen hebt, kun je nu je print af gaan bouwen. Kijk hierbij goed in figuur 1 en de onderdelenlijst om te weten waar ieder onderdeel moet komen en wat de waarde van dat onderdeel is. Bij de onderdelenlijst is de kleurcode weergegeven waarmee je de weerstanden moet controleren die je uit de bakjes gepakt hebt. Let er goed op dat je de condensatoren op de juiste manier op de print soldeert!

AFREGELING EN IJKING Wanneer je alle onderdelen op de print hebt gesoldeerd is je hartslagmeter klaar. Om er zeker van te zijn dat je alles goed hebt gedaan ga je het apparaat eerst testen met behulp van een apparaat dat een spanning afgeeft die er precies zo uitziet als de spanning die het menselijke hart afgeeft. Zo n apparaat wordt een ECG-simulator genoemd. Het testen met behulp van de ECG-simulator stelt je in staat om de hartslagmeter op zijn goede werking te controleren zonder dat je de elektroden op je lichaam aan hoeft te sluiten. Zodoende kun je eenvoudiger een eventuele fout herstellen dan wanneer je drie draden aan je vast hebt zitten. Wanneer de hartslagmeter correct werkt als de ECG-simulator er op aangesloten is moet je het afleesmetertje gaan ijken. Dat houdt in dat je op het metertje getallen gaat schrijven zodanig dat de naald van de meter de juiste hartslag aangeeft. Lees voordat je iets op de afleesmeter schrijft eerst de volgende alinea in zijn geheel door zodat je weet waar je op verdacht moet zijn. Het ijken van de hartslagmeter gaat als volgt in zijn werk. Op de eerste plaats moet de hartslagmeter met de ECG-simulator verbonden worden en wel op de volgende manier. De zwarte draad (REF) die aan de hartslagmeter bevestigd is wordt verbonden met de stekker van de ECG-simulator waar F (voor “foot”) bij geschreven staat. De twee rode draden (R en L, voor “rechts” en “links”) worden verbonden met de stekkers waar een letter R resp. L bij staat. Zo aangesloten is het voor de hartslagmeter alsof hij is verbonden met een persoon en zal hij werken. Schakel de hartslagmeter in door er de batterij op aan te sluiten. Stel op de ECG-simulator een hartslag in van 100 slagen per minuut door de betreffende knop op die waarde te zetten. Vervolgens moet je met een kleine schroevendraaier aan R21 draaien totdat het groene lampje regelmatig en kort opflitst. Indien het niet mogelijk blijkt om het groene lampje op te laten flitsen moet je de twee rode draden verwisselen. Dit opflitsen moet nu ongeveer 2 keer per seconde gebeuren omdat je een hartslag van 100 slagen per minuut hebt ingesteld. Het kan zijn dat je even moet proberen wat de juiste 10

kleur zilver goud zwart bruin rood oranje geel groen blauw paars grijs wit

1e ring

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2e ring

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

3e ring

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4e ring (xΩ)

5e ring (tolerantie)

0,01 0,1 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M

10% 5% 1% 2% 0,5% 0,25% 0,1%

Tabel 1. Kleurcode systeem voor weerstanden De kleurvolgorde geel-paars-zwart-bruin van de weerstand in de tabel komt nu overeen met een waarde van 4700 Ω, wat wordt verkregen door systematisch de kleur te vervangen door het bijbehorende getal. Het x Ω geeft een vermenigvuldiging aan. Je krijgt dus achtereenvolgens de cijfers 4 7 0 en dit getal 470 dus) moet nog vermenigvuldigd worden met 10. Zo ontstaat de waarde van de weerstand: 4700 Ω. Ga dit voor jezelf na. 7

Bij condensatoren wordt de waarde in cijfers op de condensatoren aangegeven. Hierbij wordt vaak een soortgelijke notering gebruikt als bij de weerstanden. Op de condensator staat bijvoorbeeld “103k”. De “k” doet verder niet ter zake. Het derde cijfer staat voor een vermenigvuldiging, net als de vierde kleurband bij de weerstanden. “3” staat dus voor een vermenigvuldiging met 1000. De waarde wordt uitgedrukt in pico-Farad (pF), een miljoenste van een miljoenste Farad. De cijfers 1 0 3 staan dus voor 10.000 pF, of 10 nF (nF is de afkorting voor nano-Farad, een duizendste van een miljoenste Farad). De cijfers 1 0 4 staan dus voor 100 nF. Ga zelf na dat op iedere condensator zijn waarde geschreven staat. De stand waarin je de weerstanden op de print gaat solderen doet niet ter zake. Het maakt dus niet uit waar de brede bruine ring zich bevindt als de weerstand op de print zit. Anders is dit bij de condensatoren. Bij sommige condensatoren in figuur l b (C7, C8, C9) is namelijk een plusteken (+) getekend. Ook op die condensatoren zelf is een draadje met een plusteken aangegeven. Het is noodzakelijk dat die condensatoren in precies dezelfde stand op de print worden gesoldeerd als aangegeven in figuur l b (de voorkant van de print). In figuur 2 vind je weergegeven wat de positieve en negatieve zijde is van dat type condensator. Een juiste aansluiting van positieve en negatieve zijde is ook noodzakelijk voor het afleesmetertje en de batterij. Op de achterzijde van de meter is aangegeven welke aansluiting de positieve is en welke de negatieve. Deze twee aansluitingen moeten verbonden worden met de overeenkomstige aansluitingen op de voorzijde van de print zoals aangegeven in figuur 1b. De positieve en negatieve zijde van de batterij is aangegeven met een + en ─ teken op de zijkant van de batterij. De positieve zijde van de batterij moet verbonden worden met de rode aansluitdraad en de negatieve zijde van de batterij met de zwarte aansluitdraad. Deze aansluiting gaat vanzelf goed als je de drukknoopbevestiging op de juiste wijze op de batterij drukt. Let hier zorgvuldig op want indien de batterij verkeerd wordt aangesloten werkt de hartslagmeter niet.

8

HET SOLDEREN Voordat je de print af gaat bouwen door er de nog ontbrekende onderdelen op vast te solderen volgt eerst nog een uitleg over het solderen zelf. Nadat je deze uitleg gelezen hebt ga je eerst een paar keer proefsolderen om de handelingen onder de knie te krijgen. Dit oefenen doe je met een stukje afvalprint en wat waardeloze onderdelen. Door het oefenen met solderen voorkom je dat je door onervarenheid je print en/of onderdelen zou beschadigen. Bekijk bij de uitleg van het solderen ook figuur 3.

Figuur 3. Het vast solderen van een onderdeel op de print. Het vastsolderen van een onderdeel begint ermee het betreffende onderdeel op de juiste plaats door de gaatjes in de print te steken. De plaats waar een onderdeel moet komen vind je in figuur l b. Daarna buig je de aansluitdraadjes van het onderdeel aan de onderkant van de print om zodat het onderdeel er niet uit kan vallen wanneer je de print op de kop legt om aan de achterkant het onderdeel vast te solderen. Het solderen gaat nu als volgt. Je drukt de punt van de soldeerbout op het metalen rondje aan de achterkant van de print, precies op de plaats waar het aansluitdraadje doorheen steekt. De punt van de soldeerbout moet zowel het rondje als het aansluitdraadje verhitten. Nu druk je de punt van het draadje soldeertin tegen de verhitte plek. Het soldeer smelt en zal vervloeien met het aansluitdraadje van het onderdeel en het metalen rondje op de achterkant van de print. Pas als je dit vervloeien hebt waargenomen, trek je de soldeerbout en het ongesmolten soldeertin weg en laat je de zojuist gesoldeerde verbinding afkoelen. Tijdens dit afkoelen, dat hoogstens een paar seconden duurt, mag niets bewegen daar anders de verbinding los kan gaan of van slechte kwaliteit kan worden. Tenslotte knip je de nog uitstekende aansluitdraadjes van het onderdeel af en dan is de soldeerverbinding klaar. Deze handelingen herhaal je voor ieder onderdeel dat je op de print moet solderen. De onderdelen die je 9