Upload
phamdieu
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Escola Superior de Tecnologia
Instituto Politécnico de Setúbal
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Engenharia Electrónica e Computadores Ano lectivo de 2003/2004
Projecto Final de Curso (1º Ciclo)
Sistema Biométrico de Esforço
Físico Despendido por um Ciclista
Docente Orientador: Prof. António Abreu
Discentes: N.º 3555 – Ricardo Palma
N.º 3507 – Nuno Santos
Setúbal, 20 de Outubro de 2004.
2
Agradecimentos
Queríamos agradecer em primeiro lugar ao nosso orientador, Prof. António
Abreu, que sempre nos ajudou com as suas ideias e criatividade a encontrar soluções
para problemas que encontrámos ao longo do desenvolvimento deste projecto.
Reconhecemos e agradecemos o contributo do Dr. Rui Caria, que amavelmente
nos facultou os eléctrodos necessários para a aquisição do sinal cardíaco.
Por último, não podemos deixar de referir os nossos colegas de projecto final,
com os quais passámos bastantes horas de trabalho, não obstante a inter-ajuda e troca de
conhecimentos que houve. Também agradecemos ao excelente técnico de laboratório e
amigo Rui Pimenta, que por nossa causa muitas vezes fez horas extraordinárias não
remuneradas.
3
Dedicatória
Dedicamos este projecto às nossas famílias, porque sem o enorme esforço delas
de certeza absoluta não teríamos a oportunidade de escrever aqui estas palavras.
4
Curso: Engenharia de Electrónica e Computadores
Título do projecto: Sistema Biométrico de Esforço Físico Dispendido por um
Ciclista
Autores: Nuno Santos / nº 3507
Ricardo Palma / nº 3555
Orientador: Prof. António Abreu
Projecto concluído em 20 de Outubro de 2004
Resumo:
O objectivo deste projecto é desenvolver um sistema que permita avaliar o
esforço físico dispendido por um ciclista, a partir de informação obtida em tempo real,
de modo que este possa melhorar a sua condição física.
Palavras-Chave: Velocidade, Cadência, Inclinação, Batimento Cardíaco, Potência,
Microcontrolador, Sensor de efeito de Hall, Acelerómetro, Eléctrodo Cardíaco.
5
Title: Biometric System of cyclist’s physical effort
Abstract: The aim of this project is to develop a system capable of evaluating a
cyclist’s effort during his training, using real time data, in order to improve his
physical fitness.
Keywords: Speed, RPM, Tilt, Heart Beat, Power, Microcontroller, Hall Effect
Sensor, Accelerometer, Cardiac Electrode.
6
Índice
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... - 10 - 1.1 OBJECTIVO ..................................................................................................................................- 10 - 1.2 MOTIVAÇÃO ................................................................................................................................- 10 - 1.3 ESTRUTURA DO DOCUMENTO .....................................................................................................- 11 - 1.4 DESCRIÇÃO GLOBAL DO PROJECTO...........................................................................................- 12 -
2. SISTEMA DESENVOLVIDO........................................................................................................ - 17 - 2.1 DESCRIÇÃO DA ARQUITECTURA.................................................................................................- 17 - 2.2 O PORQUÊ DE MÚLTIPLOS MICROCONTROLADORES? .............................................................- 18 -
3. AQUISIÇÃO DE SINAIS ............................................................................................................... - 20 - 3.1 ODÓMETRO, VELOCIDADE INSTANTÂNEA E VELOCIDADE MÉDIA ...........................................- 20 -
3.1.1 O Efeito de Hall.................................................................................................................. - 20 - 3.1.2 Os Sensores de Efeito de Hall............................................................................................ - 22 - 3.1.3 O Sensor RS 307-446 ......................................................................................................... - 23 - 3.1.4 Medição das Grandezas ..................................................................................................... - 23 - 3.1.5 Odómetro ............................................................................................................................ - 26 - 3.1.6 Velocidade Instantânea...................................................................................................... - 27 - 3.1.7 Velocidade Média ............................................................................................................... - 27 -
3.2 CADÊNCIA DAS PEDALADAS........................................................................................................- 28 - 3.3 INCLINAÇÃO .............................................................................................................................- 29 -
3.3.1 Medição de Movimento Linear .......................................................................................... - 29 - 3.3.2 O Acelerómetro .................................................................................................................. - 30 - 3.3.3 O acelerómetro ADXL202.................................................................................................. - 31 - 3.3.4 A Medição da Inclinação ................................................................................................... - 32 -
3.4 BATIMENTO CARDÍACO ..............................................................................................................- 33 - 3.4.1 A Medição dos Batimentos Cardíacos ............................................................................... - 36 -
3.5 O ESFORÇO FÍSICO .....................................................................................................................- 40 - 3.5.1 O Cálculo de Calorias Gastas ............................................................................................ - 41 - 3.5.2 Aplicação da Fórmula no Projecto.................................................................................... - 43 -
4.1 VELOCIDADE INSTANTÂNEA, ODÓMETRO E VELOCIDADE MÉDIA ...........................................- 44 - 4.2 CADÊNCIA DAS PEDALADAS........................................................................................................- 46 - 4.3 INCLINAÇÃO ................................................................................................................................- 46 - 4.4 BATIMENTO CARDÍACO ..............................................................................................................- 47 -
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................................... - 49 - 6. REFERÊNCIAS .............................................................................................................................. - 51 - ANEXOS ...................................................................................................................................................53
7
Lista de Figuras
FIGURA 1.1 – FORMA COMO ESTÁ MONTADO O DISPOSITIVO QUE PERMITE MEDIR A VELOCIDADE INSTANTÂNEA, A VELOCIDADE MÉDIA E A DISTÂNCIA PERCORRIDA.. - 12 -
FIGURA 1.2 – COMPORTAMENTO DA SAÍDA DO SENSOR DE EFEITO DE HALL. .............. - 13 - FIGURA 1.3 - FORMA COMO ESTÁ COLOCADO O SENSOR QUE PERMITE ADQUIRIR A
CADÊNCIA DAS PEDALADAS. ................................................................................ - 14 - FIGURA 1.4 - A) BICICLETA QUE APRESENTA UM ÂNGULO NEGATIVO. B) BICICLETA QUE
APRESENTA UM ÂNGULO POSITIVO....................................................................... - 15 - FIGURA 1.5 – DISPOSIÇÃO DO LOCAL ONDE SÃO COLOCADOS OS ELÉCTRODOS............ - 16 - FIGURA 1.6 - REPRESENTAÇÃO DO SINAL CARDÍACO OBTIDO PELOS ELÉCTRODOS A) E O
MESMO SINAL APÓS O ACONDICIONAMENTO NECESSÁRIO PARA APLICAÇÃO AO MICROCONTROLADOR.......................................................................................... - 16 -
FIGURA 2.1 - ARQUITECTURA DO PROJECTO. .............................................................. - 17 - FIGURA 3.1 – REPRESENTAÇÃO TRIDIMENSIONAL DO EFEITO DE HALL ........................ - 21 - FIGURA 3.2 – REPRESENTAÇÃO DAS FORÇAS, CORRENTES E TENSÕES NUMA PLACA
SEMICONDUTORA E SUAS DIRECÇÕES .................................................................. - 21 - FIGURA 3.3 – CARACTERÍSTICA DE SAÍDA DE UM SENSOR DE EFEITO DE HALL TIPO
SWITCH.. .............................................................................................................. - 22 - FIGURA 3.4 – CARACTERÍSTICA DE SAÍDA DE UM SENSOR LINEAR DE EFEITO DE HALL - 23 - FIGURA 3.5 – CIRCUITO DE ACONDICIONAMENTO DO SINAL PROVENIENTE DO SENSOR DE
EFEITO DE HALL. ................................................................................................. - 24 - FIGURA 3.6 – JANELA DE HISTERESE DIMENSIONADA PARA A AQUISIÇÃO DO SINAL
PROVENIENTE DO SENSOR DE EFEITO DE HALL. ................................................... - 25 - FIGURA 3.7 – ILUSTRAÇÃO SIMPLES DO FUNCIONAMENTO DE UM ACELERÓMETRO ..... - 30 - FIGURA 3.8 – DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAL DO SENSOR .................................... - 31 - FIGURA 3.9 – JITTER QUE OCORRE NA SAÍDA DO ACELERÓMETRO. .............................. - 32 - FIGURA 3.10 – CONSTITUIÇÃO DE UM CORAÇÃO HUMANO .......................................... - 34 - FIGURA 3.11 – FORMA DE ONDA TÍPICA DE UM BATIMENTO CARDÍACO. ...................... - 35 - FIGURA 3.12 – ELÉCTRODO CARDÍACO........................................................................ - 36 - FIGURA 3.13 – CIRCUITO DE ACONDICIONAMENTO DO SINAL PROVENIENTE DO CORAÇÃO. -
37 - FIGURA 3.14 - JANELA DE HISTERESE DIMENSIONADA PARA O TRATAMENTO DO SINAL
PROVENIENTE DO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO. .................................... - 39 - FIGURA 4.1 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE COMO A VELOCIDADE INSTANTÂNEA FOI
MEDIDA. .............................................................................................................. - 44 - FIGURA 4.2 – ILUSTRAÇÃO DA FORMA COMO MEDIMOS A INCLINAÇÃO DA ESTRADA. . - 47 - FIGURA 4.3 – COMPARAÇÃO DOS VALORES DE PULSAÇÕES MEDIDAS ......................... - 48 -
8
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Relação exercício/calorias queimadas/gordura perdida……………. - 38 -
Tabela 4.1 – Valores de tempo obtidos no percurso de 3 metros, efectuados a 20km/h.
…………………………………………………………………………………….. - 42 -
9
Lista de Acrónimos
BPM Batimentos Por Minuto
CM Campo Magnético
DC Duty Cycle
LCD Liquid Crystal Display
PPM Pedaladas Por Minuto
PWM Pulse With Modulation
µC Microcontrolador
Simbologia
a Aceleração [m/s2]
F Força exercida sobre um corpo [N]
m Massa de um corpo [kg]
R Resistência [Ω]
INTRODUÇÃO
- 10 -
1. Introdução
1.1 Objectivo
O objectivo deste projecto é desenvolver um sistema que permita monitorizar
parâmetros obtidos a partir de sinais provenientes da bicicleta e do seu atleta. Será assim
possível ao atleta conhecer variáveis que são importantes num trajecto por ele
percorrido, que deverão fornecer uma informação preferível e fiável para atingir uma
melhor condição física.
1.2 Motivação
Praticar desporto é uma das melhores formas de descontracção e de libertação do
stress da rotina diária. Aliás, o exercício físico é uma componente essencial para o
equilíbrio do nosso corpo e mente. Mas qual de nós ainda não sofreu uma lesão ou
sentiu dores a praticar exercício físico? Nem sempre a falta de técnica ou experiência a
praticar uma modalidade é a causa das lesões, elas ocorrem frequentemente devido ao
excesso de esforço.
A motivação para o desenvolvimento deste trabalho surge do interesse efectivo
que poderá ter a monitorização biométrica, em tempo real e posteriormente assistida por
computador, de uma competição desportiva que envolva o dispêndio de esforço físico.
Neste trabalho focamos única e exclusivamente o exercício efectuado numa bicicleta.
A medição do esforço é um desafio, pois teremos de proporcionar todas as
condições técnicas necessárias, desde a captação dos sinais, sua manipulação, e
posterior interpretação fisiológica.
É do conhecimento geral que sistemas biométricos, aplicáveis aos utilizadores de
bicicletas, já existem no mercado e de forma bem difundida. O nosso trabalho
diferencia-se desses sistemas na medida em que introduz variáveis até agora ignoradas,
como é o caso da inclinação da bicicleta, e de variáveis medidas em sistemas separados,
como é o caso do batimento cardíaco.
INTRODUÇÃO
- 11 -
Temos a consciência que muito mais poderá ser feito no sistema desenvolvido,
de forma a haver uma melhor e mais aprofundada monitorização, podendo este trabalho
ser o princípio de um sistema mais ambicioso.
1.3 Estrutura do Documento
Este documento tem como objectivo transmitir com facilidade e clareza,
enaltecendo os pontos mais importantes sem esquecer os pormenores, os aspectos
relativos ao desenvolvimento do sistema de medição de esforço físico.
No segundo capítulo é abordada a arquitectura do sistema, isto é, a descrição da
forma como o sistema está organizado.
A aquisição dos sinais necessários à realização das medições das grandezas é
descrita no capítulo 3, sendo também apresentado o fundamento teórico necessário.
O quinto capítulo refere os testes efectuados, corroborando-se, assim, os
pressupostos teóricos evocados nos capítulos anteriores.
As conclusões são apresentadas no capítulo 6.
O documento termina com a apresentação das referências bibliográficas a que
recorremos, seguindo-se uma secção de “anexos” onde estão presentes os datasheets
mais importantes, bem como a listagem do código dos programas utilizados nos
microcontroladores.
INTRODUÇÃO
- 12 -
1.4 Descrição Global do Projecto
O sistema é composto por 4 sensores que captam os sinais a tratar pelo hardware
existente. Os 4 sinais permitem saber directamente a velocidade instantânea, a cadência
de pedaladas, a inclinação e os batimentos cardíacos do utilizador do ciclo-ergómetro*.
A partir destas grandezas, calculam-se ainda os seus valores médios, pois a média, por
si só, já é uma forma de resumir o desempenho do ciclista.
O sinal que permite saber a velocidade instantânea, e por conseguinte a
velocidade média e a distância percorrida, é adquirido na roda dianteira da bicicleta,
através de um íman que induz um campo magnético num sensor de efeito de Hall. Ver
ilustração na figura 1.1.
Figura 1.1 – Ilustração da forma como está montado o dispositivo que permite medir a velocidade instantânea, a velocidade média e a distância percorrida.
* Um ciclo-ergómetro pode ser definido como a bicicleta à qual foram adaptados instrumentos que permitem medir o esforço físico realizado durante o processo de pedalar.
1
2
1- Íman. 2- Sensor de efeito de Hall.
INTRODUÇÃO
- 13 -
O sinal gerado pelo sensor de efeito de Hall é contínuo e constante quando não
está sobre a influência do íman, comutando para um nível de tensão diferente, também
ele contínuo, quando induzido pela passagem do íman.
Figura 1.2 – Ilustração do comportamento da saída do sensor de efeito de Hall. A velocidade instantânea será então calculada a partir do número de passagens
do íman por unidade de tempo, tendo em conta que duas passagens consecutivas do
íman correspondem a um perímetro da roda. Temos assim os elementos necessários
para calcular, para além da velocidade instantânea, a velocidade média e a distância
percorrida. As velocidades serão apresentadas em km/h e a distância percorrida em km.
A cadência das pedaladas é medida de uma forma semelhante à da velocidade
instantânea, ou seja, também é utilizado um íman que induz um campo magnético num
sensor de efeito de Hall. Para obtermos a cadência, o íman está fixo no braço da
pedaleira (haste que liga o centro da roda pedaleira ao suporte do pedal) e o sensor está
fixo ao quadro. Ver ilustração na figura 1.3.
INTRODUÇÃO
- 14 -
Figura 1.3 - Ilustração da forma como está colocado o sensor que permite adquirir a cadência das pedaladas.
Deste modo, com um sinal idêntico ao representado na figura 1.2, iremos poder
calcular a cadência das pedaladas, sendo a unidade pedaladas por minuto (ppm).
A inclinação da bicicleta é, neste sistema, medida através de um acelerómetro.
Este sensor está colocado debaixo do selim, assente num suporte que permite a
estabilidade do mesmo e que filtre a trepidação provocada pela estrada na medida do
possível. O inclinómetro ao estar solidário com os movimentos da bicicleta permite
determinar a inclinação a que esta está sujeita.
2 1
1- Íman. 2- Sensor de efeito de Hall.
INTRODUÇÃO
- 15 -
Figura 1.4 - a) Bicicleta que apresenta um ângulo negativo. b) Bicicleta que apresenta um ângulo positivo.
O sinal de saída do sensor de inclinação é do tipo PWM (Pulse With
Modulation), em que o Duty Cycle varia de acordo com a inclinação da bicicleta. Deste
modo, iremos saber qual é o ângulo que a bicicleta faz com o plano horizontal.
Os batimentos cardíacos são adquiridos através do sensor cardíaco, que na
realidade é constituído por 3 eléctrodos que em conjunto captam os sinais eléctricos do
coração. São três eléctrodos devido ao facto de ser necessário um pólo positivo
(cátodo), um pólo negativo (ânodo) e uma referência, para se poder distinguir os
impulsos eléctricos provenientes do coração, em detrimento de outras fontes de
perturbação bioeléctrica, nomeadamente a electricidade estática. Os eléctrodos são
fixados em torno da caixa toráxica do atleta. A configuração dos eléctrodos presente na
figura 1.5 é a utilizada no sistema, porque é a melhor forma de captar a zona da onda
cardíaca denominada por complexo QRS, que irá determinar o batimento cardíaco.
Após o acondicionamento do sinal cardíaco vamos obter um impulso
rectangular, que permite calcular a frequência cardíaca do mesmo modo utilizado para a
velocidade instantânea, isto é, mede-se o tempo entre dois batimentos cardíacos e
extrapola-se para 1 minuto, obtendo-se assim o número de batimentos por minuto
(bpm).
a) b)
1
1
1- Inclinómetro
INTRODUÇÃO
- 16 -
Figura 1.5 – Disposição do local onde são colocados os eléctrodos.
a) Batimento cardíaco.
b) Sinal a aplicar ao microcontrolador, a partir do qual se calcula a quantidade de
batimentos por minuto.
Figura 1.6 - Representação do sinal cardíaco obtido pelos eléctrodos a) e o mesmo sinal
após o acondicionamento necessário para aplicação ao microcontrolador.
SISTEMA DESENVOLVIDO
- 17 -
2. Sistema Desenvolvido
2.1 Descrição da Arquitectura
O nosso sistema usa diversos microcontroladores da família 8051, da Intel.
Concretamente, a unidade principal, ou núcleo do sistema, é um microcontrolador
DS89C420 (doravante apelidado mestre) que faz o processamento dos sinais e dados
facultados pelos microcontroladores escravos. Devido ao facto de existirem algumas
limitações, que serão tratadas mais adiante, utilizaram-se 3 microcontroladores escravos
AT89S8252. Para melhor elucidação, a figura seguinte ilustra a
organização/arquitectura do hardware do projecto.
Figura 2.1 - Representação esquemática da arquitectura do projecto.
SISTEMA DESENVOLVIDO
- 18 -
A aquisição de sinais foi a primeira etapa do desenvolvimento deste sistema. Os
sinais são tratados por hardware específico, nomeadamente sensores e pequenos
circuitos de acondicionamento do sinal, que posteriormente irão entrar nos
microcontroladores escravos. Estes microcontroladores, escravo 1, escravo 2 e escravo
3, efectuam os cálculos, sendo no primeiro tratada a velocidade instantânea e a
velocidade média, no segundo são processados o batimento cardíaco e a cadência das
pedaladas, e no último, a odómetria e a inclinação.
O processo de aquisição e processamento do sinal dos sensores é feito
constantemente por cada um dos microcontroladores escravo, independentemente dessa
informação ser ou não pedida pelo mestre.
O microcontrolador mestre tem a função de um multiplexer inteligente, isto é,
em determinados instantes de tempo ele consulta um dos microcontroladores escravo,
fazendo o processamento necessário e específico a cada uma das grandezas medidas. A
informação é afixada num LCD (Liquid Crystal Display) pelo mestre. O “botão de
controlo”, representado na figura 2.1, permite ao atleta navegar entre menus, onde vai
encontrar a velocidade instantânea, velocidade média, distância percorrida, cadência das
pedaladas, inclinação e gasto de calorias/potência.
2.2 O Porquê de Múltiplos Microcontroladores?
Após a apresentação da arquitectura surge a seguinte questão: porquê utilizar 4
microcontroladores num sistema que se pretende portátil? A reposta é simples, seria
uma tarefa árdua utilizar menos microcontroladores com as mesmas características† para
obter os mesmos resultados. Passamos desde já a fundamentar a nossa resposta. A
existência de apenas duas interrupções externas em cada microcontrolador é um
elemento limitador. Para além deste facto, a necessidade do cálculo de diversas
grandezas em vírgula flutuante consome muita da memória de dados existentes nesses
dispositivos. Por último, mas não menos importante, é o facto de vários sinais poderem
chegar ao microcontrolador simultaneamente. Nestas alturas críticas, se fossem
atendidos todos os pedidos de interrupção, mesmo que hierarquizados por prioridades,
† Estamos a reportar-nos aos componentes existentes no nosso laboratório, nomeadamente o microcontrolador AT89S8252.
SISTEMA DESENVOLVIDO
- 19 -
alguns valores poderiam ser calculados com atraso relativamente ao que seria
espectável, podendo mesmo alguma informação perder-se.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 20 -
3. Aquisição de Sinais
3.1 Odómetro, Velocidade Instantânea e Velocidade Média
Para medirmos a velocidade instantânea, para além das grandezas que derivam
desta, pareceu-nos melhor opção utilizar um sensor que funcionasse por efeito de Hall.
Assim, diferenciamo-nos dos sistemas existentes no mercado que utilizam uma ampola
reed‡ ou reed switch, pois este tipo de dispositivo acaba por ser mais sensível a
possíveis quedas do ciclista, para além de ter contactos mecânicos que com o tempo se
vão degradando. Deste modo, o sensor de efeito de Hall, por ser um dispositivo
monolítico, apresenta uma robustez superior, para além da sua dimensão ocupar uma
área de aproximadamente de 30mm2.
3.1.1 O Efeito de Hall
O funcionamento do sensor de efeito de Hall está baseado no princípio físico do
mesmo nome, descoberto por Edwin H. Hall em 1879. O princípio de Hall diz-nos que
é gerada uma tensão transversal à direcção do fluxo de corrente num condutor, ou
semicondutor, se um campo magnético for aplicado perpendicularmente ao condutor,
como ilustrado na figura 3.1.
‡ Este tipo de dispositivo tem, tipicamente, 2 condutores metálicos paralelos que se unem quando estão sobre influência de um campo magnético.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 21 -
Figura 3.1 – Representação tridimensional do efeito de Hall aplicada a uma placa
semicondutora, onde a tensão de Hall é gerada pelo efeito de um campo magnético
externo, perpendicular à direcção do fluxo da corrente [15].
Poderá surgir agora a questão como é que se calcula da tensão de Hall (VH).
Figura 3.2 – Representação das forças, correntes e tensões numa placa semicondutora e suas direcções [2].
Assume-se um condutor (representado pela secção rectangular na figura 3.2),
colocado num campo magnético, representado por B (perpendicular ao plano xz). O
condutor é percorrido por uma corrente eléctrica (I) imposta.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 22 -
Uma vez que as cargas se encontram sujeitas à força FB, estas irão deslocar-se
para a parte superior do condutor. No entanto, a concentração de cargas positivas na
face superior (e negativas na face inferior), origina um campo eléctrico EH, com a
direcção do eixo dos zz, de sentido contrário a FB. A este campo eléctrico corresponderá
uma diferença de potencial VH entre as faces superior e inferior do condutor, onde
VH=EHd.
3.1.2 Os Sensores de Efeito de Hall
No mercado existem dois principais tipos de sensores de efeito de Hall: os
sensores lineares e os tipo switch.
Os sensores tipo switch têm integrado internamente um comparador com valores
de threshold predefinidos, o que irá produzir uma janela de histerese no funcionamento
do mesmo, visto que esses valores de threshold são disjuntos na tensão de saída e na
intensidade do campo magnético.
Figura 3.3 – Característica de saída de um sensor de efeito de Hall tipo switch. A saída é invertida no que respeita aos níveis de intensidade do campo magnético [15].
BON – Intensidade do campo magnético (CM) que “desliga” a saída. BOFF – Intensidade do CM que “liga” a saída. BHYS – Dimensão em Tesla da janela de histerese.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 23 -
Os sensores lineares geram uma saída analógica que é proporcional ao fluxo
magnético aplicado sobre o condutor ou semicondutor. A característica de saída é
definida pelos parâmetros VOQ (tensão quiescente de saída) e a sensibilidade ao campo
magnético, isto é, o declive da recta presente na figura 3.4.
Figura 3.4 – Característica de saída de um sensor linear de efeito de Hall [15].
3.1.3 O Sensor RS 307-446
O sensor que utilizámos é o RS 307-446, que é um sensor de efeito de Hall
linear, construído em material semicondutor. Na prática, este sensor linear comportar-
se-á como um switch, porque apenas é necessário distinguir 2 momentos distintos:
quando o íman passa pelo sensor e quando o íman não passa pelo sensor.
3.1.4 Medição das Grandezas
VOQ – Tensão quiescente de saída. B – Intensidade do campo magnético em Tesla.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 24 -
Nesta secção vamos expor como calculámos a distância percorrida, a velocidade
instantânea e a velocidade média da bicicleta.
Para que fosse feito o acondicionamento do sinal proveniente do sensor de efeito
de Hall, foi necessário usar um circuito bastante útil, circuito esse chamado de
comparador não inversor com histerese.
Uma vez que os sinais que estavam disponíveis na saída do sensor continham
algum ruído, foi preciso usar o circuito presente na figura 3.5, de forma a eliminar o
ruído. Posteriormente, a saída deste comparador entra directamente no
microcontrolador. Apresentamos em seguida os cálculos referentes ao dimensionamento
da janela de histerese.
Figura 3.5 – Circuito de acondicionamento do sinal proveniente do sensor de efeito de
Hall.
A saída do sensor de efeito de Hall varia entre uma tensão mínima de 700mV
(quando não está sensibilizado pelo íman) e máxima de 2,15V (quando está
sensibilizado pelo íman).
Assim,
2,15-0,7=1,45V
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 25 -
Como pretendemos uma janela de histerese em que os níveis de transição sejam
¼ da diferença acima calculada então:
A tensão de transição para o nível lógico baixo (VTL) é dada por:
VVTL 0625,17,03625,0 =+=
A tensão de transição para o nível lógico alto (VTH) é dada por:
VVTH 787,17,015,2 =−=
Figura 3.6 – Janela de histerese dimensionada para a aquisição do sinal proveniente do sensor de efeito de Hall.
Sendo Vr a tensão do centro da janela de histerese,
Vr=1,4245V
VTL=1,062V VTH=1,787V
5V
0V
V3625,0445,1
=
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 26 -
0725,04245,150622,12
1
2
1
2
21
2
1
2
21
=⇔+−=
++−=
+=
+
RR
RR
RRR
VrefRR
LV
RRRVrefVr
TL
( ) VVrefVrefRR
VrefR
RRVrefVr 328,14245,110725,04245,11
2
1
2
21 =⇔=+×⇔=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+×⇔
+=
Assumindo R2=100KΩ,
Ω=⇔=⇒ KRRR
250,70725,0 12
1
3.1.5 Odómetro
Em primeiro lugar há que medir o perímetro da roda da bicicleta, incluindo o
pneu, tão rigorosamente quanto possível. A forma mais recomendável para fazer esta
medida será com o auxílio de uma fita métrica maleável, que permita circundar toda a
roda, com o ciclista montado normalmente na bicicleta.
Conhecendo o perímetro sabemos que a roda da bicicleta, ao descrever uma
volta completa, percorreu uma distância igual ao valor do perímetro. Deste modo,
sabendo que o perímetro da roda é 2,198m, podemos afirmar que cada vez que o íman
passa pelo sensor (ver figura 1.1), a bicicleta percorreu 2,198m. A cada passagem do
íman pelo sensor é gerada uma interrupção no microcontrolador, cujo atendimento
incrementa um perímetro na variável que lhe está atribuída. A variável distância é
calculada no microcontrolador escravo 3, estando disponível sempre que o mestre a
peça.
Sendo o perímetro 2,198m, podemos afirmar que esta é a precisão do odómetro.
Não nos parece conveniente mostrar ao atleta a distância percorrida em múltiplos de
2,198m. Assim, decidimos que o valor que é mostrado ao atleta será múltiplo de 10m.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 27 -
3.1.6 Velocidade Instantânea
Para calcularmos a velocidade instantânea, o sinal proveniente do sensor de
efeito de Hall é colocado na entrada de um temporizador do microcontrolador escravo
1. Quando o íman passa pelo sensor, a contagem no temporizador é iniciada, parando na
próxima passagem do íman. O valor que ficou guardado no registo de contagem é
utilizado para o cálculo. Sabendo o tempo que o perímetro foi percorrido, podemos
calcular a velocidade instantânea e simultaneamente efectuar uma mudança de escala
com vista a apresentar o valor da velocidade em km/h. Resumindo:
vi (km/h)= (0,002198 *3600) / x
(x - tempo entre duas passagens do sensor, em segundos)
3.1.7 Velocidade Média
Juntámos ao nosso sistema um temporizador externo (o 555 da Fairchild), a
funcionar como astável, para nos proporcionar um relógio que permite calcular a
velocidade média da bicicleta. O relógio dá a possibilidade de uma variável do
microcontrolador ser incrementada a cada impulso, o que se torna útil pois esta variável
terá a informação do tempo total desde o início da prova. Cada impulso do relógio
(fixado em 2 segundos) gera uma interrupção no microcontrolador escravo 1, o que
permite o incremento da variável denominada “crono”. Ciclicamente, em períodos de 3
segundos, é efectuado o cálculo da velocidade média e mostrada ao atleta, sendo o
cálculo executado no microcontrolador escravo 1 e posteriormente afixado pelo mestre.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 28 -
3.2 Cadência das Pedaladas
O princípio para se obter a cadência das pedaladas é semelhante ao utilizado
para medir a velocidade instantânea, visto que ambos recorrem ao mesmo tipo de
sensor, o sensor de efeito de Hall RS 307-446.
Ligámos o sinal que provém do circuito de acondicionamento de sinal (circuito
idêntico ao referido na secção 3.1.5) do sensor de efeito de Hall à entrada do contador
do microcontrolador escravo 2. A partir daqui passados 3 segundos o registo do
contador contem quantas passagens existiram, isto é, quantas vezes o pedal passou pelo
sensor, o que equivale às pedaladas completas efectuadas. Seguidamente fazemos a
seguinte extrapolação, admitindo que foram dadas 5 pedaladas:
pedaladasx
sxs
100
6035
=
→→
Isto é, se em 3 segundos foram dadas 5 pedaladas, então quererá dizer que num
minuto serão dadas 100 pedaladas.
Não seguimos o processo utilizado para calcular a velocidade instantânea, ou
seja, medir o tempo entre duas passagens do íman pelo sensor e extrapolar para 1
minuto (o que trás resultados instantâneos mais precisos) devido a dois factores: o
microcontrolador utilizado não tem nenhum temporizador disponível e o facto de ser
uma grandeza de natureza diferente, logo a abordagem também é distinta. Um atleta
pode num instante estar a pedalar com toda a sua força e no instante seguinte pode parar
abruptamente de pedalar sem que nada lhe aconteça, o mesmo já não acontece com uma
velocidade, porque algo de mau aconteceria se num momento estivesse com uma
velocidade de 40km/h e no instante seguinte tivesse 0km/h! Admitindo que o atleta a
certa altura não pedala com uma cadência certa, isto é, se em 2 segundos dá 4 pedaladas
e no segundo seguinte apenas uma, se mostrássemos instantaneamente o valor da
cadência de pedalas, este facto provocaria uma discrepância de valores pouco elegante
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 29 -
para ser apresentada ao atleta. Esta é a nossa opinião como projectistas do sistema,
tendo em conta a possibilidade de mostrar a cadência instantaneamente.
3.3 Inclinação
Para medir a inclinação da bicicleta em relação a um plano horizontal,
utilizámos um acelerómetro, que tem uma relação linear entre a força da gravidade e a
inclinação.
3.3.1 Medição de Movimento Linear
A segunda lei de Newton diz que a aceleração linear de um corpo rígido é
resultado das forças que actuam sobre ele, isto é, um força F actuando num corpo com
massa m provoca a aceleração do corpo relativo ao espaço inercial. Esta aceleração é
dada por:
F=ma
onde:
m[kg]
a[m/s2]
F[N]
Esta lei não é muito fácil de aplicar em situações reais. Como exemplo, se
pretendêssemos calcular a aceleração de um automóvel teríamos de saber a sua massa,
bem como a força que lhe está aplicada. A massa do automóvel é simples de obter, no
entanto, a força aplicada já não o é. Posto este problema, os acelerómetros são uma
solução fácil para determinar a aceleração, não sendo necessário determinar a força.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 30 -
3.3.2 O Acelerómetro
O acelerómetro é um dispositivo que permite medir acelerações. No mercado
existem duas grandes famílias de acelerómetros: os de estado sólido e os mecânicos. A
tecnologia dos acelerómetros mecânicos está já bastante desenvolvida, permitindo que
estes dispositivos disponham de vários graus de desempenho. Os acelerómetros de
estado sólido são tecnologicamente mais recentes, podendo ser acelerómetros
piezoeléctricos, acelerómetros SAW (Surface Acoustic Wave), e acelerómetros
embebidos no silício através de técnicas MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems).
De uma forma simplista, um acelerómetro contém uma massa de prova ligada a
uma caixa através de duas molas, tal como se ilustra na seguinte figura.
Figura 3.7 – Ilustração simples do funcionamento de um acelerómetro [16].
Para clarificar o que está representado na figura, podemos dizer que quando a
caixa do sensor é sujeita a uma aceleração ao longo do seu eixo de sensibilidade, a
massa de prova tende a resistir à alteração no movimento devido à inércia. Como
resultado, a massa desloca-se em relação ao corpo do sensor no sentido oposto ao da
força. A força exercida na massa será suportada pela tensão na mola e a extensão desta
fornece uma medida da força aplicada e, sabendo a massa, da aceleração provocada.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 31 -
3.3.3 O acelerómetro ADXL202
O sensor usado é o ADXL202 da Analog Devices, que consiste num
acelerómetro de dois eixos (x e y, perpendiculares entre si), fabricado com tecnologia
micro-maquinada (MEMS). Este dispositivo concentra internamente uma parte
mecânica e uma parte electrónica. O sensor permite a escolha de dois modos de
funcionamento, tendo um saída em tensão, e o outro saída em PWM (Pulse With
modulation). Escolhemos a saída digital PWM visto que permite libertar o projecto de
circuitos analógicos de acondicionamento e conversão de sinal, reduzindo assim custos
de desenvolvimento, sendo ligado directamente a um porto de um microcontrolador.
Este acelerómetro mede a resultante das forças que lhe são aplicadas segundo os
eixos x e y (perpendiculares entre si). Um ângulo de 0º corresponde, teoricamente, a um
Duty Cycle de 50%. Um ângulo de ±90º corresponde a uma leitura de ±1g (1g≈9,81
m/s2), que corresponde à força da gravidade.
Figura 3.8 – Diagrama de blocos funcional do sensor [14].
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 32 -
3.3.4 A Medição da Inclinação
Como na prática 0º não correspondem exactamente a 50% de Duty Cycle,
tivemos de medir durante quanto tempo estaria T1 no valor lógico “1” (T1 corresponde
ao valor do Duty Cycle apresentado na figura 3.8) de modo a calibrarmos o sensor para
0º. De seguida medimos a duração de T1 para um ângulo de 20º, que prevemos ser a
inclinação máxima que a bicicleta pode ter.
Se chamarmos T3 à zona da saída que corresponde ao valor lógico “0”, podemos
dizer que T2=T1+T3. Visto que a saída tem um período constante (f=1kHz), vamos ter
um problema de jitter na fronteira entre T1 e T3, devido à sensibilidade do sensor às
vibrações mecânicas.
Figura 3.9 – Imagem representativa do jitter que ocorre na saída do acelerómetro.
A saída digital do sensor é ligada à entrada do temporizador do
microcontrolador escravo 3, medindo-se assim a Duty Cycle do sinal. Sendo assim,
quando o microcontrolador detecta o nível lógico “1”, o temporizador inicia a
contagem, cessando esta quando o nível lógico deixar de ser “1”. No registo deste
temporizador iremos ter o valor do tempo medido. Como referido anteriormente, este
sensor pode apresentar demasiado jitter, causado por vibrações mecânicas e por ruído
digital introduzido pela fonte de alimentação. Devido a este facto, a medição deixa de
jitter
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 33 -
ser verdadeira, pois a diferença entre o mínimo e o máximo de T1 pode ser razoável.
Mostrando agora os valores que estão envolvidos no nosso sistema:
ssµµ
438º20396º0
⇔⇔
Sendo ∆ a diferença entre o tempo de 0 a 20º, então,
sµ42396438 =−=∆
O jitter medido no sensor que usámos é aproximadamente 3µs, o que
corresponde a 7,14% da gama dinâmica que deliberámos.
Para evitarmos erros graves de medição, contornamos a presença do jitter com
uma média aritmética efectuada sobre diversas medições efectuadas. Como a bicicleta
está sujeita a grandes vibrações mecânicas provocadas pelas irregularidades da estrada e
devido ao facto do nosso sensor ser bastante sensível, optámos por fazer a média de
1000 medições, pois só assim se conseguem filtrar com alguma qualidade o erro
provocado pelas vibrações mecânicas e pelo jitter. O atendimento da interrupção que
permite ler o valor que ficou no temporizador, de cada vez que é feita uma medição,
gasta 173µs, logo as 1000 medições vão gastar 173ms. Não consideramos importante
este atraso, visto que este valor é mostrado ao atleta de 3 em e 3 segundos. Achamos
ainda que mostrar o valor com uma taxa de refrescamento mais rápida não trás nenhuma
vantagem, visto 3 segundos ser um valor bastante razoável quando se anda de bicicleta
onde a velocidade média raramente supera os 50km/h.
3.4 Batimento Cardíaco
O batimento, ou contracção, do coração é produzido por um tecido situado na
aurícula direita que possui propriedades específicas, pois é uma zona que actua como
um pacemaker eléctrico natural. O pacemaker, uma espécie de vela de ignição, dispara
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 34 -
impulsos eléctricos que provocam a contracção das fibras musculares de ambas as
aurículas. Esta contracção bombeia, por sua vez, o sangue simultaneamente para diante
(da aurícula para o ventrículo respectivo) e para trás (para os vasos, originando a
pulsação destes). Escassos milissegundos após o disparo do pacemaker, que se situa na
aurícula direita, os estímulos eléctricos progridem através de um sistema de condução
especializado, que logo a seguir é formado por células musculares más condutoras. A
esse nível a progressão dos estímulos eléctricos conhece um atraso de um décimo de
segundo, após o que vai excitar os músculos dos ventrículos, que por sua vez,
comprimem o sangue intraventricular, aumentando a respectiva pressão. É esta pressão
ventricular que fecha as válvulas aurículo-ventriculares e abre as válvulas das câmaras
de saída ventriculares para a artéria pulmonar (que conduz o sangue aos pulmões) e para
a artéria aorta (que conduz ao resto do corpo).
Figura 3.10 – Representação esquemática da constituição de um coração humano [8].
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 35 -
O ritmo a que o coração do atleta bate é algo que se torna imperativo medir, pois
permite melhorar os cálculos do esforço físico. No entanto, quando nos referimos ao
batimento cardíaco, estamo-nos a reportar às pulsações e não à caracterização
paramétrica do batimento, como acontece nos electrocardiogramas. Por isso, colocamos
os eléctrodos como está disposto na figura 1.5 e usámos o circuito de acondicionamento
do sinal que se apresenta na figura 3.12, de modo a obtermos uma forma de onda como
a que está representada na figura seguinte.
Figura 3.11 – Forma de onda típica de um batimento cardíaco.
Dado que o sinal cardíaco é periódico e apresenta sempre a mesma estrutura,
podemos escolher qualquer zona das assinaladas na figura para calcular o ritmo do
batimento. Como é óbvio, a zona que fornece mais facilidade de reconhecimento é
denominada QRS. Podemos adiantar que esta variação eléctrica no tempo se deve à
despolarização do músculo ventricular no instante seguinte à sístole.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 36 -
3.4.1 A Medição dos Batimentos Cardíacos
Como já foi no capítulo 1, o nosso sistema adquire os sinais provenientes do
coração através de eléctrodos. Os eléctrodos cardíacos que usámos são simples
condutores metálicos rodeados de material aderente (para se fixarem no corpo humano),
contendo uma substância tipo gel para uma melhor condutividade entre a superfície
corporal e o eléctrodo.
Figura 3.12 – Eléctrodo cardíaco.
No entanto, o sinal recebido pelos eléctrodos tem de ser tratado, ou seja,
acondicionado. Devido a este facto, utilizámos o circuito da figura seguinte.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 37 -
Figura 3.13 – Circuito de acondicionamento do sinal proveniente do coração.
O circuito de aquisição do batimento cardíaco é um amplificador de
instrumentação ao qual se acrescentaram protecções para o ciclista, e um integrador que
tem como principal objectivo aumentar o ganho de sinais de baixa frequência.
Para a protecção do ciclista foram introduzidos díodos nas entradas do
amplificador de instrumentação. Ao serem introduzidos estes díodos teremos uma
tensão máxima entre eléctrodos de 0,7V. Esta tensão é muito maior que o sinal
proveniente do coração, pelo que não irá ter nenhum efeito na performance do circuito.
Foram também introduzidas resistências nas entradas do amplificador para que desta
maneira se reduza o risco de choque eléctrico. Caso o amplificador falhe e crie um
curto-circuito entre as entradas (eléctrodos) e a fonte de alimentação, a resistência extra
fornecerá a segunda linha de defesa.
Uma vez que era necessário construir um circuito de aquisição de sinal do
batimento cardíaco bastante seguro e de fácil de execução, optámos pelo uso de uma
bateria de 9V que é relativamente segura. É devido a isso que se pode ver no circuito a
referência a um Vdd/2. Basicamente, este Vdd/2 é obtido através de um amplificador
configurado como buffer, fornecendo assim uma tensão constante de 4,5V.
In-
In+
Body
In-
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 38 -
Ligações relevantes do circuito dão:
• As entradas do amplificador são IN- e IN+. Estes são os pontos onde se
ligam dois eléctrodos.
• BODY é uma entrada que é conectada a qualquer ponto do corpo, através
de um eléctrodo. Basicamente, esta ligação serve como feedback para
que o corpo do ciclista fique polarizado em volta do modo comum
correcto.
• Vdd é o lado + da bateria de 9V.
• Gnd é o lado – da bateria de 9V.
• Vout é a saída do amplificador de instrumentação.
Devido ao facto da saída do amplificador de instrumentação não ser compatível
com os sinais tratados pelo microcontrolador, foi necessário acoplar à saída do
amplificador um circuito semelhante ao utilizado pelo sensor de efeito de Hall (ver
figura 3.5). No entanto, os valores envolvidos são diferentes, por isso de seguida
mostramos os cálculos efectuados.
Como a saída do amplificador de instrumentação varia entre uma tensão mínima
de 800mV e uma máxima de 4,3V, assim,
4,3-0,8=3,5V
V875,045,3=
A tensão VTL é dada por
VVTL 675,18,0875,0 =+=
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 39 -
e a tensão VTH é dada por
VVTH 425,3875,03,4 =−=
Figura 3.14 - Janela de histerese dimensionada para o tratamento do sinal proveniente
do amplificador de instrumentação.
175,055,25675,12
1
2
1
2
21
2
1
2
21
=⇔+−=
++−=
+=
+
RR
RR
RRR
VrefRR
LV
RRRVrefVr
TL
( ) VVrefVrefRR
VrefR
RRVrefVr 17,255,21175,055,21
2
1
2
21 =⇔=+×⇔=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+×⇔
+=
Vr=2,55V
VTL=1,675V VTH=3,425V
5V
0V
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 40 -
Assumindo R2=10KΩ,
Ω=⇔=⇒ KRRR
75,1175,0 12
1
O processo de medição dos batimentos cardíacos é semelhante ao efectuado na
medição da velocidade instantânea, isto é, medimos o tempo que separa dois batimentos
consecutivos, sendo esse tempo extrapolado para 1 minuto. Sendo assim, se a diferença
de tempo entre 2 batimentos consecutivos for 0,8s então,
1 batimento -> 0,8s
x batimentos ->60s
x=75
Isto é, teremos 75 batimentos por minuto.
3.5 O Esforço Físico
A medição do esforço físico é algo que é difícil de determinar, visto que não há
uma forma exacta, sem erros e consensual de a calcular. Deste modo a forma que
iremos usar fornece somente uma estimativa do dispêndio do esforço físico, medido em
calorias. Naturalmente quanto maior for o nível de intensidade do esforço realizado,
maior será o dispêndio energético e, consequentemente, o número de calorias
consumidas pelo organismo.
Na realidade o que são calorias? Por definição, uma caloria é a quantidade de
calor necessária para elevar a temperatura de 1 quilograma de água para 1 grau
centígrado. Aproximadamente, a queima de um grama de proteína pura liberta 4 kcal, a
queima de uma grama de carbo-hidratos liberta 4 kcal e a queima de uma grama de
gordura liberta 9 kcal.[17]
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 41 -
Calorias são então uma maneira de expressar a energia necessária para fazer o
corpo mexer. Quando fazemos exercício, o nosso organismo precisa de um
"combustível" para se movimentar, e esse esforço é medido em calorias.
A queima de calorias significa gastar ou dispender energia acumulada no corpo,
seja na forma de gordura, carbo-hidratos ou proteínas. É possível saber a quantidade de
gordura gasta num exercício. Cada caloria perdida equivale a 0,129 gramas de gordura.
Assim, sabendo a quantidade de calorias gastas num exercício, basta multiplicar esse
valor por 0,129 para sabermos a quantidade de gordura perdida.
A tabela seguinte mostra alguns exemplos de calorias queimadas versus perda de
gordura em função do tipo de exercício e sua duração [17].
Exercício Calorias queimadas Gordura perdida
45 minutos de ginástica
aeróbica
605 calorias
78g de gordura
30 minutos de bicicleta
154 calorias
20g de gordura
45 minutos de
hidroginástica
460 calorias
59g de gordura
Tabela 3.1 – Relação exercício - calorias queimadas - gordura perdida [17].
3.5.1 O Cálculo de Calorias Gastas
Existem diversas fórmulas para calcular o dispêndio de calorias. A fórmula que
se apresenta seguidamente, entre muitas encontradas, não foi aplicada no projecto uma
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 42 -
vez que utiliza variáveis desconhecidas, como por exemplo a resistência que as rodas da
bicicleta oferecem ao movimento (atrito entre rodas e chão) e o efeito que o vento
provoca na deslocação do conjunto ciclista-bicicleta.
Note-se que a fórmula só é válida para inclinações nulas ou positivas (inc ≥ 0)
força§ = (rrm +inc)*mt +ra*vel2
potência=força*velocidade
energia = potência*tempo [calorias]
onde:
rrm - resistência das rodas ao movimento
inc - inclinação
mt - massa total do ciclista mais bicicleta
ra - resistência do ar
vel - velocidade
Esta fórmula não tem em consideração o estado de forma física do atleta, que,
aliás, é uma variável difícil de medir.
Alternativamente, a equação usamos no projecto tem como variáveis o número
de batimentos por minuto, o peso do ciclista e bicicleta, e o tempo do trajecto em
minutos, variáveis estas que são medidas pelo nosso sistema, excepto o peso. De cada
vez que for mostrado o valor das calorias gastas, temos sempre a indicação que
gastámos x cal desde o início do exercício.
Apresentamos em seguida a equação usada.
§ De salientar que força pode ser em função de e não força igual a.
AQUISIÇÃO DE SINAIS
- 43 -
[Calorias] Energia= (1 + 0.0276 * (batimentos p/ minuto – 100)) * (3.5 + 0.0887 *
((peso do ciclista + bicicleta) – 40))* tempo do percurso
Para medir a potência de esforço dispendido, há que dividir a energia gasta por
unidade de tempo. Assim, assumindo que o tempo de percurso é de sempre 1 minuto, a
fórmula anterior permite calcular a potência em cal/min.
3.5.2 Aplicação da Fórmula no Projecto
Uma vez que os recursos dos microcontroladores escravos, se encontram
esgotados, decidiu-se pela utilização do microcontrolador mestre para efectuar o cálculo
do gasto energético. Deste modo, o microcontrolador escravo 2 calcula o número de
batimentos por minuto e envia esse valor para o microcontrolador mestre. Este por sua
vez aplica-o na fórmula anterior escrevendo o resultado em seguida.
TESTES
- 44 -
4. Testes
4.1 Velocidade Instantânea, Odómetro e Velocidade Média
Para aferir a veracidade da medição da velocidade instantânea, escolhemos uma
estrada plana de alcatrão e fixámos dois objectos ao longo dessa estrada, com uma
distância entre si de 3 metros. Pedalámos com a mesma cadência, de modo a manter
uma velocidade constante. Ao passar pelo primeiro objecto foi disparado um
cronómetro, sendo parado ao passar pelo segundo objecto.
Figura 4.1 – Representação esquemática de como a velocidade instantânea foi medida.
Como a velocidade é aproximadamente constante, admitimos que a velocidade
média é idêntica à velocidade instantânea, pois decerto que num curto espaço não
deverão haver muitas alterações na velocidade instantânea.
Percorremos 9 vezes o percurso de 3 metros, com a velocidade de 20 km/h
(velocidade dada pelo LCD do sistema) e obtivemos os seguintes tempos:
TESTES
- 45 -
Tabela 4.1 – Valores de tempo obtidos no percurso de 3 metros, efectuados a 20km/h.
A média dos tempos para percorrer os 3 metros é 5,61s que transformados em
km/h dão 20,19. Este valor não é muito discrepante daquele fornecido pelo nosso
sistema. Com efeito, a sensibilidade humana ao iniciar e parar o cronómetro poderá
também ter influência no resultado.
Para confirmarmos a medição do odómetro conduzimos a bicicleta em linha
recta. A experiência consiste em medir a distância percorrida, usando uma fita métrica,
após o odómetro indicar 20 metros. Note-se que o nosso odómetro mede múltiplos de
10 metros. A medida que efectuámos foi de 20.04 metros. Há a salientar que houve o
cuidado de posicionar a roda, com o íman imediatamente à frente do sensor de efeito de
Hall, garantindo que a primeira passagem do íman pelo sensor só iria acontecer
passados 2,198m do início do percurso.
A velocidade média foi testada de uma forma semelhante à usada no teste da
velocidade instantânea, no entanto o percurso foi alargado para cerca de 100 metros.
Iniciámos o percurso já com a bicicleta em andamento, pedalando de uma forma
inconstante de maneira a termos velocidades instantâneas diferentes no LCD.
Demorámos 12,14s para percorrer os 100 metros, o que dá aproximadamente
29,66km/h. O sistema mostrou-nos uma velocidade média de 28km/h. O desvio deste
valor relativamente ao calculado pode dever-se ao facto de a medição dos 100 metros
1ª vez 5,57s
2ª vez 5,48s
3ª vez 5,60s
4ª vez 5,50s
5ª vez 5,62s
6ª vez 5,57s
7ª vez 5,56s
8ª vez 5,55s
9ª vez 5,60s
TESTES
- 46 -
não ter sido feita da forma mais rigorosa possível e os desvios de uma linha recta
imaginária que possam ter acontecido.
4.2 Cadência das Pedaladas
A correcção da medida da cadência de pedaladas impressas no LCD também foi
confirmada na prática, isto é, contámos várias vezes as pedaladas efectuadas,
extrapolámos para 1 minuto e obtivemos o mesmo resultado que estava no LCD.
Ao efectuar este teste encontrámos uma situação em que o resultado das
pedaladas pode não corresponder à verdade. Isto acontece quando em posição de
descanso (mas com a bicicleta em andamento), o ciclista deixa o pedal que possui o
íman perto do sensor. Deste modo, pequenas oscilações, por exemplo as introduzidas
pelas irregularidades da estrada, fazem com que o sensor interprete diversas passagens
do íman, deturpando assim os valores que são exibidos no display.
4.3 Inclinação
O sensor de inclinação foi sem dúvida o mais testado, isto porque ao longo do
desenvolvimento do sistema foi o que nos deu mais trabalho em afinações devido a ser
bastante sensível. No entanto, após contornarmos o problema da sensibilidade com a
ajuda do software do microcontrolador, podemos dizer que conseguimos obter
resultados positivos.
Escolhemos uma estrada lisa com inclinação ligeira mas constante. Para
medirmos a inclinação da estrada, utilizámos um nível de bolha de ar, que nos dá
horizontal, medindo em seguida a altura que separava a extremidade do nível e o chão,
como se poderá ver na figura seguinte.
TESTES
- 47 -
Figura 4.2 – Ilustração da forma como medimos a inclinação da estrada.
Sabendo o comprimento do nível e a altura que o separa do chão (na
extremidade oposta ao local onde o nível assenta no chão), aplicámos directamente o
teorema de Pitágoras e encontrámos o ângulo de inclinação da estrada.
A estrada que escolhemos tinha 4º de inclinação e de todas as vezes que
percorremos uma pequena distância, o sistema indicava-nos 4º ou 4,5º em ambos os
sentidos, isto é, a subir e a descer. O alcatrão da estrada era liso, praticamente sem
irregularidades.
Colocando a bicicleta parada na horizontal, a leitura fornecida é 0º. No entanto,
em movimento (em estradas de alcatrão liso), apresenta variações de meio grau. Sendo
assim, podemos concluir que o nosso sistema de medição de inclinação tem um erro
máximo de +0,5º quando a bicicleta desliza em superfícies lisas. Obviamente, este valor
poderá ser maior se a estrada contiver irregularidades no piso.
4.4 Batimento Cardíaco
Para testarmos a veracidade da medição dos batimentos cardíacos utilizámos
duas formas distintas: uma através da contagem manual de pulsações, e a outra através
de um aparelho automático de contagem de pulsações.
TESTES
- 48 -
No primeiro teste, contámos as nossas pulsações (num estado de relaxamento)
durante 15 segundos e extrapolávamos para 1 minuto. Neste caso, as pulsações medidas
pelos nossos dedos e medidas pelo sistema tinham uma ligeira discrepância, na ordem
das 3 pulsações.
No segundo teste, confrontámos a medição feita pelo nosso sistema e a medição
feita por um aparelho de medição de tensão arterial e pulsações da marca Omron,
modelo M4. Neste caso, quase não haviam discrepâncias. No entanto alguma
discrepância acontecia por vezes, provavelmente devido à introdução de ruído nos cabos
não blindados** que usámos para ligar os eléctrodos.
Figura 4.3 – Comparação dos valores de pulsações medidas na mesma pessoa e em simultâneo, entre o sistema desenvolvido e um aparelho comercial.
Posteriormente, para melhorar a certeza que nenhum batimento era perdido,
colocámos à entrada do microcontrolador apropriado, um osciloscópio. Voltámos a
medir manualmente as pulsações e certificámo-nos que a cada batimento sentido,
seguia-se um no porto do microcontrolador.
** Estes testes foram feitos antes do aperfeiçoamento geral do sistema, tendo agora cabos blindados.
CONCLUSÕES
- 49 -
5. Conclusões
Durante a execução deste projecto, nem sempre foi pacífico o desenvolvimento
do processo de monitorização em simultâneo de todos os sinais. De início pensou-se
que a utilização de um microcontrolador seria suficiente, no entanto, à medida que se
adicionavam sinais muitos problemas irrompiam. Deste modo, adicionando
microcontrolador certas dificuldades eram ultrapassadas, enquanto outras permaneciam,
obrigando-nos a adicionar mais microcontroladores até à quantidade de 4. A
arquitectura presente resultou então de um processo de desenvolvimento iterativo, em
que os recursos disponíveis se adequaram às necessidades.
A quantidade e diversidade de sinais necessários ao nosso sistema foram
igualmente factores que determinaram a complexidade do desenvolvimento deste
projecto. Isto não seria um factor negativo caso não direccionássemos o sistema para
algo que minimizasse o erro das medições, com o objectivo de o tornar totalmente
verdadeiro e fiável. Não é difícil compreender que basta perder um batimento cardíaco
para que uma frequência de 160 batimentos se torne erradamente em 80. Analogamente
o mesmo acontece para as outras medições, nomeadamente a velocidade instantânea.
Foi assim entregue uma atenção especial às medições, à forma como elas são feitas e
posteriormente o modo como foram tratadas, de modo a dar ao atleta informações o
mais próximas possível da realidade.
Sendo este sistema destinado a ser utilizado numa bicicleta, foi sempre nosso
objectivo contornar os problemas que advêm da sua portabilidade. Por exemplo, a nível
dos circuitos de amplificação para o acondicionamento do sinal cardíaco, a utilização de
amplificadores operacionais (ampop) foi uma necessidade real. Como é sabido,
tipicamente, este tipo de dispositivos opera com tensões simétricas, em valores
normalmente entre os 12V e os 15V. Ao dimensionarmos este circuito para funcionar
com uma pilha de 9V, tivemos de ter em atenção a escolha de componentes,
nomeadamente os ampops, de maneira a não usar tensões de alimentação como as atrás
referidas, mas sim a tensão de pilhas vulgares de 9V, não tendo sido tarefa fácil.
É visível que o sistema não apresenta, em termos de dimensão, os requisitos que
seriam desejáveis para o podermos instalar na bicicleta de uma forma harmoniosa. Mas
este não é o sistema considerado final, pronto para ser comercializado. Futuramente,
poder-se-iam procurar tipos de encapsulamento mais pequenos para os
CONCLUSÕES
- 50 -
microcontroladores, ou numa perspectiva mais despesista, mas provavelmente mais
eficaz e eficiente, a concentração de todos os microcontroladores num único DSP
(Digital Signal Processor). Desta forma resolvíamos então o “problema” da dimensão
do projecto. Por outro lado, a possibilidade deste sistema comunicar com um
computador quer em tempo real (numa bicicleta estática) quer através de informações
gravadas num suporte de memória, como por exemplo os cartões SD (Sand Disk), que
permitia monitorizar um trajecto percorrido pelo atleta e compará-lo com o mesmo
trajecto percorrido noutro dia.
Embora nos sentimos satisfeitos com o sistema que desenvolvemos, temos a
consciência que o sistema poderá evoluir mais, onde a integração das grandezas
medidas seria certamente uma aposta ganha.
REFERÊNCIAS
- 51 -
6. Referências
[1] António Abreu, “A Série MCS51 de Microcontroladores de Oito Bits da Intel”,
Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1997.
[2] Gustavo Silva, “Instrumentação I – Notas da Disciplina”, Escola Superior de
Tecnologia de Setúbal, 2002.
[3] Adel Sedra e Kenneth Smith, “Microelectronic Circuits, 4th Edition”, Oxford Press,
1998.
[4] Vários, “Macro Assembler and Utilities for 8051 and Variants”, Keil Software,
User’s Guide 2000.
[5] Vários, “Using the ADXl202 accelerometer With BX-24”, Basic Express BX-24 Application Note 2002.
[6] Barbara Ainsworth, “Compendium of Physical Activities: Classification Of Energy
Costs Of Human Physical Activities”, ACSM 1993.
[7] Richard Aston, “Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement”,
Prentice Hall, 1990.
[8] Vários, “ABC do Corpo Humano”, Reader’s Digest, 1987.
[9] Vários, “O Livro da Saúde”, Reader’s Digest, 1976.
[10] “Hall Effect Mesurements”, http://www.eeel.nist.gov/812/hall.html
[11] “Hall Effect”, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/hall.html
[12] “Electrocardiogram (ECG, EKG) Library”,
http://www.ecglibrary.com/ecghome.html
REFERÊNCIAS
- 52 -
[13] “Medline Plus”, http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/003868.htm
[14] “Analog Devices”, http://www.analog.com
[15] “Micronas: Hall Effect”, http://www.micronas.com
[16] “Efunda”, http://www.efunda.com/formulae/vibrations/sdof_eg_accelerometer.cfm
[17] “Lincx – Serviços de Saúde”, http://www.lincx.com.br/lincx/saude_a_z/alimentos/calorias.asp
REFERÊNCIAS
53
ANEXOS
1ª Parte Código Fonte dos Microcontroladores
2ª Parte Datasheets Relevantes
3ª Parte Esquemático dos Circuitos