Sistema Biométrico de Esforço Físico Despendido por um...

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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 -

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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 -

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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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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


- 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

=


- 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.


- 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.


- 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


- 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.


- 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.


- 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].


- 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


- 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


- 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].


- 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.


- 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.


- 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-


- 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 =+=


- 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


- 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]


- 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


- 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.


- 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

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