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DIY Muskel Sensor / EMG Schaltung für einen Microcontroller

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DIY Muskel Sensor / EMG Schaltung für einen Microcontroller

Messung der Muskelaktivierung über elektrische Potential, bezeichnet als Elektromyographie (EMG) hat für die medizinische Forschung und Diagnose von neuromuskulären Störungen verwendet traditionell. Mit dem Aufkommen immer schrumpfender, aber leistungsfähiger Mikrocontroller und integrierter Schaltungen haben EMG-Schaltkreise und Sensoren ihren Weg in Prothetik, Robotik und andere Steuerungssysteme gefunden. Dennoch bleiben EMG-Systeme teuer und meist außerhalb der Reichweite des modernen Hobbyisten.

Diese instructable wird Ihnen beibringen, wie Sie Ihre eigenen Muskel-Sensor / EMG-Schaltung in Ihr nächstes Projekt zu integrieren. Verwenden Sie es, um Videospiele, Roboterarme, Exoskelette usw. zu steuern.

Klicken Sie auf das Video unten für eine Demonstrationen, wie Sie auf und verwenden Sie Ihre EMG-Platine!

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Hinweis: Dieser Sensor ist nicht zur Verwendung bei der Diagnose von Krankheiten oder anderen Bedingungen oder bei der Heilung, Abschwächung oder Verhütung von Krankheiten bei einem Menschen oder anderen Tieren vorgesehen.

Über Advancer Technologies
Advancer Technologies ist ein Unternehmen , das sich auf die Entwicklung von innovativen Spiel-ändernden biomedizinischen und biomechanische Technologien und angewandte Wissenschaften. Darüber hinaus Advancer Technologies fördert alle Formen von Interesse und das Lernen in der biomedizinischen Technologien. Um Kultur zu helfen und zukünftige große Köpfe und Konzepte auf dem Gebiet zu erziehen, geben sie häufig informative Anweisungen über einige ihrer Technologien. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte www.AdvancerTechnologies.com .

Schritt 1: Materialien

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Klicken Sie an die Verbindungen, um zu gehen, wo Sie Einzelteile kaufen können / freie Proben bestellen.

Schaltkreise
3x TL072 IC Chip - Free Samples
1x INA106 IC Chip - Free Samples

Kabel und Elektroden
1x EMG Kabel (set of 3) ... Hinweis: Sie können die Krokodilklemmen direkt an die Elektroden optional verbinden.
3x EMG - Elektroden

Power
2x 9V Batterie
2x 9V - Batterie - Clips

Kondensatoren
• 2x 1,0 uF Tant
• 1x 0,01 uF Keramikscheiben
• 1x 1,0 uF Keramik - Disc

Widerstände
• 3x 150 kOhm 1%
• 2x 1 MOhm 1%
• 2x 80,6 kOhm 1%
• 6x 10 kOhm 1%
• 1x 100 kOhm Trimmer
• 1x 1 kOhm 1%

Verschiedenes
• 2x 1N4148 Diode
Jumper Drähte
• 3x Krokodilklemme Kabel

Optional
• 1x Oszilloskop
• 1x Multimeter

Schritt 2: STROMVERSORGUNG

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Um die Dinge aus, müssen Sie sowohl eine positive und negative Spannung Stromversorgung. Wir machen diese mit zwei 9V Batterien.

Jetzt weiß jeder, was eine positive Spannungsversorgung ist, (zB gemeinsame Batterie), aber wie gehst du über eine negative Spannung Stromversorgung?

Gemeinsame elektrische Regel Faustregel ist, wenn Sie zwei Batterien in Serie (zB positive Klemme der Batterie 1 angeschlossen an den Minuspol der Batterie 2) anschließen, dann messen Sie die Spannung von der negativen Klemme der Batterie 1 und die positive Klemme der Batterie 2, die Gemessene Spannung gleich der Summierung der Spannungen von Batterie 1 und Batterie 2 ist.

Für diese Schaltung wollen wir eine + 9V und eine -9V Stromversorgung. Wenn wir unsere zwei 9V Batterien in Reihe anschließen, erhalten wir eine Spg.Versorgungsteil von + 18V. Also, wie bekommen wir die -9V von diesen beiden?

Es könnte helfen, darüber nachzudenken, was Spannung eigentlich bedeutet ... Spannung ist eine elektrische Potentialdifferenz. Das Schlüsselwort hier ist der Unterschied. Spannungen sind nur sinnvoll in Bezug auf den Bezugspunkt (oder häufiger als Masse bezeichnet). Eine Spannung ist das elektrische Potential zwischen diesem Referenzpunkt und dem Messpunkt. Sehen Sie die Antwort noch?

Wir erhalten in der Tat eine Spannung von + 18V, wenn wir den negativen Anschluss der Batterie 1 als Referenzpunkt benutzen ... aber was ist, wenn wir die Verbindung zwischen dem Pluspol der Batterie 1 und dem negativen Anschluss der Batterie 2 wählen? Wenn wir diesen Punkt als unsere Referenz oder Masse verwenden, dann ist Batterie 2 die positive Klemmenspannung + 9V und der negative Anschluss der Batterie 1 ist -9V!

Arbeiten mit dem Steckbrett, 9V - Batterien und Batterieklemmen, schließen Sie die Drähte Batterieclip , wie gezeigt. Doch für den Augenblick, trennen Sie den Pluspol der Batterie 2 und den Minuspol der Batterie 1. Es ist eine gute Übung , um immer Ihre Leistung während trennen Sie montieren eine Schaltung. Am Ende der Montage werden wir diese Drähte wieder anschließen, um den Stromkreis einzuschalten. (Sie könnten auch Schalter hinzufügen, dies zu tun)

Schritt 3: SIGNALAKQUISITION

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Als nächstes werden wir an der Signalerfassungsphase Ihrer EMG-Schaltung arbeiten, die wir verwenden werden, um die elektrischen Impulse des Körpers des Nervensystems zu messen, die verwendet werden, um Muskelfasern zu aktivieren.

Zuerst erhalten Sie Ihren INA106 IC-Chip (Chip A) und stecken Sie ihn in Ihr Steckbrett ein, wie oben dargestellt. Der INA106 ist ein Differenzverstärker, der die sehr kleinen Spannungsunterschiede zwischen den beiden Elektroden, die Sie auf Ihren Muskel legen, misst und verstärkt (G = 110).

Als nächstes greifen Sie zwei 1 M Ohm Widerstände, biegen Sie sie und dann stecken Sie sie in Ihrem Brot wie die beiden Beispiele gezeigt. Man sollte die Pins 5 und 6 verbinden und der andere sollte Pin 1 mit der Erdungsschiene Ihres Boards verbinden.

Sorgen Sie sich nicht um die anderen Stifte des INA106 für jetzt; Wir kommen zu denen später zurück.

Schritt 4: SIGNALKONDITIONIERUNG - Verstärkung

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In dieser Phase werden wir die sehr kleinen Signale nehmen, die in der SIGNAL ACQUISITION Phase gemessen und verstärkt werden.

Beginnen wir zunächst mit zwei Verstärkungsreihen; Der erste wird invertieren Verstärker mit einer Verstärkung von -15. Ein invertierender Verstärker macht genau das, was es klingt. Es verstärkt Ihr Signal, sondern auch invertiert. Sie können weitere Informationen über Verstärker Umkehren finden hier .

Wir werden zunächst einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von -15 erzeugen. Dazu benötigen wir einen der TL072-Chips (Chip B), einen 150 kOhm-Widerstand und einen 10 kOhm-Widerstand.

Platzieren Sie den Chip B, wie das Bild anzeigt. Verwenden Sie nun ein Jumperdraht und verbinden Sie den Pin 6 des Chips A zwei Zeilen hinter Pin 8 des Chips A. Greifen Sie einen der 10 kOhm-Widerstände und stecken Sie einen Pin ebenfalls in diese Reihe. Verbinden Sie den anderen Pin mit dem Pin 6 des Chips B. Biegen Sie einen Widerstand von 150 kOhm und verbinden Sie einen Pin mit dem Pin 6 von Chip B und den anderen mit Pin 7. Sie können die Verstärkung durch G = -R2 / R1 oder in diesem Fall G = berechnen -150 kOhm / 10 kOhm. (Siehe Bild 1)

Als nächstes werden wir einen Kondensator hinzufügen, um das Signal zu koppeln. Eine AC-Kopplung ist nützlich, um einen DC-Fehler-Offset in einem Signal zu entfernen. Lesen Sie mehr über AC und DC - Kopplung hier .

Wenn Sie fortfahren, werden wir ein aktives Hochpaßfilter hinzufügen, um jeden DC-Offset und niedrigen Frequenzrauschen loszuwerden. Dazu benötigen Sie zwei Widerstände mit 150 kOhm und einen Kondensator von 0,01uF. Verwenden Sie einen Überbrückungsdraht und den 0.01 uF Kondensator, um die mittlere Gabel Ihres Brotes wie gezeigt zu überbrücken. (Ein Ende des Überbrückungsdrahtes sollte mit Pin 7 des Chips B verbunden sein). Der 150 kOhm-Widerstand verbindet den Kondensator, den Sie gerade an Pin 2 des Chips B platziert haben. Nun biegen Sie den 150 kOhm-Widerstand und schieben ihn in die Anschlüsse 1 und 2. (Siehe Bild 2)

Gehen Sie auch voran und verbinden Sie den Pin 4 von Pin B mit der -9V-Schiene, Pin 8 mit der + 9V-Schiene und den Pins 3 & 5 mit der GND-Schiene.

Schritt 5: SIGNALKONDITIONIERUNG - Rektifikation

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In dieser Phase werden wir das Signal mit Hilfe eines aktiven werden Gleichrichtung Vollweggleichrichter . Unser Gleichrichter nimmt den negativen Teil unseres Signals und schaltet ihn positiv, so dass das gesamte Signal in den positiven Spannungsbereich fällt. Wir verwenden dieses mit einem Tiefpaßfilter, um unser Wechselstromsignal in eine Gleichspannung zu drehen; Bereitet das Signal an einen Mikrocontroller weiter.

Sie benötigen fünf der 10 kOhm-Widerstände, sowohl 1N4148-Dioden als auch einen zweiten TL072-Chip. Warnung ... dies wird die schwierigste Phase zu montieren sein! Achten Sie genau auf die Bilder!

Zuerst einen TL072-Chip (Chip C) stecken und -9V-Schiene an Pin 4 anschließen, die + 9V-Schiene an Pin 8 und GND an Pin 3, wie im ersten Bild gezeigt.

Als nächstes legen Sie einen 10 kOhm Widerstand (wir nennen es Widerstand A) Anschluss Pin 1 des TL072 Chip aus der Verstärkung Phase und stecken Sie das andere Ende in die Zeile neben der 0,01uF Kondensator Zeile. Verwenden Sie ein Jumper-Draht, um diese Zeile mit Pin 2 des zweiten TL072-Chips zu verbinden. Der nächste Widerstand von 10 kOhm wird der Widerstand B genannt. Der erste Pin des Resistors B sollte in die Reihe gesteckt werden, wo der zweite Pin des Widerstands A eingesteckt ist und der andere Pin des Widerstandes B in die Reihe zwei nach unten gesteckt werden sollte. Ein weiterer 10-Ohm-Widerstand (Resistor C) -Pin sollte in die Reihe gesteckt werden, wo der zweite Widerstand des Widerstands A (wie der Widerstand B) angeschlossen ist, aber der andere Pin sollte in die nächste unmittelbare Reihe übergesteckt werden. (Siehe Bild # 2)

Jetzt die beiden 1N4148 Dioden aussteigen. Dioden sind polarisiert, so achten Sie darauf achten, welche Richtung Sie stecken sie in! Wir werden diese Dioden A und B aufrufen. Das positive Ende der Dioden A (Ende mit schwarzem Streifen) in den Pin 1 des Chips C stecken und das negative Ende in die Reihe des zweiten Pins des Widerstands C stecken. Die Diode B anstecken und das NEGATIVE-Ende in den Pin 1 des Chips c stecken und das POSITIVE-Ende in die Reihe des zweiten Pins des Widerstands B stecken. (Siehe Bild # 3)

Als nächstes verwenden Sie zwei Brückendrähte, um den mittleren Spalt für die Reihen des Widerstands C und B zu überbrücken. Verwenden Sie ein anderes Überbrückungsdraht, um die Reihe des Überbrückungsdrahtes an die Leitung des Widerstandes B an Pin 5 des Chips C anzuschließen. Benutzen Sie einen anderen Widerstand 10 kOhm, um die Reihe der Reihen des Überbrückungsdrahtes zu verbinden, der mit Widerstand des Widerstandes C an Stift 6 des Spanes C verbunden ist 10 kOhm Widerstand, um die Stifte 6 und 7 des Chip C zu verbinden (siehe Bild # 4).

Puh ... das ist für die Berichtigung Phase! Dann ist die Filterphase.

Schritt 6: SIGNALKONDITIONIERUNG - Glättung + Verstärkung

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In dieser letzten Phase der Schaltungsbaugruppe verwenden wir ein aktives Tiefpaßfilter, um die Buckel unseres Signals herauszufiltern, um ein glattes Signal für unseren Mikrocontroller zu erzeugen.

Sie benötigen den letzten TL072-Chip (Chip D), die beiden 80,8 kOhm-Widerstände, den 100 kOhm-Trimmer, den 1 kOhm-Widerstand und den 1,0 uF-Keramikscheibenkondensator.

Zuerst Stecker D anstecken und + 9V an Pin 8, -9V an Pin 4 und GND an Pin 3 & 5 (Bild # 1) anschließen.

Jetzt greifen Sie einen der 80,6 kOhm-Widerstände und schließen Sie ein Ende an Chip C's Pin 7 an. Schließen Sie das andere Ende an Chip D 's Pin 6 an. Als nächstes greifen die anderen 80,6 kOhm Widerstand verwenden Sie es Chip D' s Pin 6 und 7 anschließen Sache für den 1,0 uF Kondensator. (Bild # 2)

Das ist das Ende der Filterschaltung. Da dies jedoch ein aktives Filter ist, gibt es einen Nebeneffekt der Invertierung des Signals. Wir müssen das Signal noch einmal umkehren (und haben die Fähigkeit, es zu verstärken, wenn es gewünscht wird) unter Verwendung einer anderen invertierenden Verstärkerschaltung mit einem Trimmer, der als ein variabler Widerstand konfiguriert ist.

Verwenden Sie ein Jumper-Kabel, das mit dem Chip D's Pin 7 verbunden ist, und dem 1-kOhm-Widerstand, um den mittleren Abstand der Platine zu überbrücken. Verwenden Sie ein anderes Brückenkabel und schließen Sie den 1 kOhm-Widerstand an den Chip D's Pin 2 an. Anschließend legen Sie den Trimmer eine Zeile über die mitgelieferten Pins und einen Jumper-Draht, der zwei der Pins wie abgebildet verbindet. Schließlich legen Sie die letzten beiden Drahtbrücken wie angegeben fest. (Bild # 3)

Mit einem Schraubendreher und Drehen des Trimmers können Sie die Verstärkung Ihres Signals anpassen, um unterschiedliche Signalstärken verschiedener Muskelgruppen zu berücksichtigen. Beginnen Sie mit ihm ziemlich niedrig und gehen von dort (~ 20 kOhm).

Schritt 7: Schaltungsüberprüfung

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(Optional) Wenn Sie ein Oszilloskop und einen Wellengenerator praktisch haben, wäre jetzt ein guter Zeitpunkt, um durch die Schaltung und testen Sie jede Phase.

Wenn Sie nicht über ein Oszilloskop handy, gehen Sie zurück und überprüfen Sie Ihre Schaltung Verbindungen Schritt für Schritt, um sicherzustellen, dass Sie Ort jeder Komponente korrekt. Achten Sie genau auf die Stromanschlüsse und Anschlüsse Ihrer Chips. Wenn Sie diese falsch, könnten Sie brennen Sie Ihre Chips!

Schritt 8: Elektrodenkabel

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Als nächstes müssen Sie einige Änderungen an den EMG-Elektrodenkabel vornehmen, da ich nicht in der Lage gewesen bin, einen Verkäufer zu finden, der das Kabel-Stil DIN-Stecker weiblichen Kompliment verkauft. (Falls jemand einen Vorschlag hat, lass es mich wissen!)

Grab eine Schere, Drahtschneider, Abisolierzange, Taschenmesser, etc .... Grundsätzlich etwas scharf und Streifen um ein 1/4 "des Endes des DIN-Stecker auf alle drei Kabel (das Stecker Ende nicht das Snap-End ).

Als nächstes Clip ein Alligator-Kabel zu jedem der Drähte. Wir verwenden diese, um die Elektrodenkabel mit unserem Steckbrett zu verbinden. Sie könnten tun, wie ich getan habe und Streifen des Drahtes und dann auf Anschlussstifte löten, aber es ist nicht notwendig und die Krokodilklemmen wird gut.

Schritt 9: Oberflächenelektroden

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Für die Elektrodenplatzierung benötigen Sie drei Oberflächenelektroden.

Nachdem Sie bestimmt haben, welche Muskelgruppe Sie ansprechen möchten (z. B. ich verwende meinen rechten Bizeps) und putzen die Haut gründlich, legen Sie eine Elektrode auf Ihre Haut über die Mitte der Länge des gewünschten Muskels. Nennen wir dies die Mitte Muskel-Elektrode.

Als nächstes legen Sie eine zweite Elektrode an einem Ende des Muskels. Wir nennen dies die Endmuskel-Elektrode.

Zuletzt stellen Sie die dritte Elektrode auf einen knöchernen Teil Ihres Körpers in der Nähe der Muskelgruppe. Wir nennen dies die Bezugselektrode. Zum Beispiel, für den Bizeps, Ich bin die Platzierung der Referenzelektrode auf dem knöchernen Ende meines Unterarms in der Nähe meiner Ellbogen.

Verwenden Sie die Schnappverbindungen der Elektrodenkabel, schnappen Sie jedes Kabel zu jeder Elektrode. Merken Sie sich, welches Farbkabel an welcher Elektrode befestigt ist.

Schritt 10: Anschließen von Elektrodenkabeln

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Jetzt können Sie Ihre Elektrodenkabel an Ihren Stromkreis anschließen. Denken Sie daran, die Pins auf Chip A, die wir beiseite legen bis später?

Verbinden Sie die Referenzelektrode mit der GND-Schiene Ihrer Schaltung.
Verbinden Sie die mittlere Muskellelektrode mit dem Pin 2 des Chips
Verbinden Sie die Endelektrode mit dem Pin 3 des Steckers

Schließlich müssen wir einen zusätzlichen Schaltungsschutz über Kondensatoren hinzufügen. Tanthium-Kondensatoren sind polarisiert wie die Dioden, die wir früher verwendet haben. Diese sind leichter zu erkennen, was der positive Pin und der negative Pin ist, da man immer mit einem Pluszeichen gekennzeichnet ist. Schließen Sie ein 1.0 uF tant. Kondensator zwischen der + 9V-Schiene und der GND-Schiene, wobei das positive Ende mit der + 9V-Schiene verbunden ist. Schließen Sie den anderen 1,0 uF-Kondensator an die -9V- und GND-Schienen an, wobei das positive Ende mit der GND-Schiene verbunden ist.

Jetzt können Sie Ihren Strom einschalten!

Schritt 11: Anschließen an einen Microcontroller

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Bevor Sie den Stromkreis an Ihren Mikrocontroller anschließen, sollten Sie den Stromkreis einschalten, indem Sie den zuvor angeschlossenen Batteriekabel anschließen und die Ausgangsspannung mit einem Multimeter überprüfen, um sicherzustellen, dass die Toleranzen des Analogeingangs Ihres Mikrocontrollers liegen. Verbinden Sie dazu die negative Multimeter-Sonde mit der GND-Schiene und verbinden Sie die positive Sonde mit dem Pin 1 des Chips D. Stellen Sie sicher, dass die gemessene Spannung kleiner ist als die max.

Wenn Sie diese Prüfung durchgeführt haben und alles, was gut aussieht, verwenden Sie Jumperdrähte, um Pin 1 des Chips D mit einem analogen Eingangspin Ihres Mikrocontrollers und Ihrer GND-Schiene mit dem GND-Anschluss Ihres Mikrocontrollers zu verbinden.

Herzlichen Glückwunsch!

Schritt 12: Arduino Demo

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Für diese Demo haben wir einen Arduino Duemilanove Mikrocontroller verwendet, der an einen PC mit Processing Visualisierungssoftware angeschlossen ist.

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Schritt 13: EMG Schaltplan

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