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Centro Universitário Positivo – Unicenp Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Fernando Capoia
Medição da porcentagem de gordura do corpo humano por bioimpedância
Curitiba 2006
Centro Universitário Positivo – Unicenp Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológica – NCET
Engenharia da Computação Fernando Capoia
Medição da porcentagem de gordura do corpo humano por bioimpedância
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. Maurício Perretto
Curitiba
2006
TERMO DE APROVAÇÃO
Fernando Capoia
Medição da porcentagem de gordura
do corpo humano por bioimpedância
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte
banca examinadora:
Prof. Mauricio Perretto (Orientador) Prof. Edson Pedro Ferlin Prof. Marcelo Mikosz Gonçalves
Curitiba, 11 de Dezembro de 2006
IV
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado à oportunidade de conquistar
um sonho e as pessoas que fizeram parte no desenvolvimento deste trabalho:
Meu pai Alvaro Antonio Capoia, minha mãe Nair Capoia, minha irmã Luana Paula
Capoia, meu irmão Carlos Eduardo Capoia, minha avó Maria Wrobel Mazurek minha
noiva Camila Rosana Moreira, pela compreensão e apoio nas horas difíceis, ao amigo
e orientador Prof. Maurício Perretto, que nos momentos de maior dificuldade ajudou-me
a encontrar as soluções para que esse projeto pudesse tornar-se realidade, ao Prof.
José Carlos da Cunha, ao Prof. Valfredo Pilla Jr., aos avós, tios, tias e primos pela
ajuda moral, e aos amigos que compartilharam as dificuldades e soluções durante o
desenvolvimento deste projeto.
V
SUMÁRIO
RESUMO ...................................................................................................................................... X
ABSTRACT.................................................................................................................................XI
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................ 1 1.1 Histórico ...................................................................................................................... 1 1.2 Objetivo....................................................................................................................... 1 1.3 Divisão do trabalho..................................................................................................... 1
2 ESTUDO TEÓRICO ................................................................................................................. 3 2.1 Métodos de Avaliação de Composição Corporal ....................................................... 3
2.1.1. Método da Medida Antropométrica .......................................................................... 3 2.1.2. Método de Absortometria Radiológica de Dupla Energia ........................................ 4 2.1.3. Método de Bioimpedância ........................................................................................ 5
2.2 Corrente Elétrica e Corpo Humano............................................................................ 6 2.3 Especificação do Hardware ........................................................................................ 6 2.4 Eletrodo Emissor......................................................................................................... 7 2.5 Corrente que Percorre o Corpo .................................................................................. 8 2.6 Eletrodo Receptor ....................................................................................................... 8 2.7 Tratamento do Sinal.................................................................................................... 8 2.8 Microcontrolador AT89S52 ........................................................................................ 9 2.9 Cronograma .............................................................................................................. 10 2.10 Custos........................................................................................................................ 10
3 PROJETO ............................................................................................................................. 11 3.1 Especificação de hardware ....................................................................................... 11
3.1.1 Oscilador ponte de Wien.......................................................................................... 11 3.1.2 Amplificador de Instrumentação .............................................................................. 12 3.1.3 Filtros Ativos............................................................................................................ 13 3.1.4 Filtro passa baixa...................................................................................................... 16 3.1.5 Filtro passa alta......................................................................................................... 18 3.1.6 Detector de Pico ....................................................................................................... 19 3.1.7 Conversor A/D ......................................................................................................... 20 3.1.8 Microcontrolador AT89S52 ..................................................................................... 20 3.1.9 Conversão serial para USB ...................................................................................... 21 3.1.10 Circuito de acionamento com Relê ........................................................................ 22 3.1.11 Fonte de Alimentação Simétrica ............................................................................ 22 3.1.12 Plataforma de desenvolvimento ............................................................................. 23
3.2 Sinais de Interface..................................................................................................... 23 3.2.1 Rótulo do Sinal (nome lógico do sinal).................................................................... 24
3.3 Lista de Materiais...................................................................................................... 27 3.3.1 Lista de componentes em geral................................................................................ 28 3.3.2 Materiais em geral que serão empregados (placas, conectores)............................... 29
4 PROJETO DO SOFTWARE ...................................................................................................... 30 4.1 Diagramas de Caso de Uso....................................................................................... 30 4.2 Diagramas de Classe / Seqüência ............................................................................. 30 4.3 Apresentação do protótipo do Software.................................................................... 31 4.4 Documentos (firmware)............................................................................................. 32
5 VALIDAÇÃO E TESTES ........................................................................................................ 34 5.1 Construção e Alterações ........................................................................................... 34 5.2 Testes......................................................................................................................... 38
6 CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 40 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................... 42 8 ANEXOS ...........................................................................ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
VI
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Tipos de compasso .................................................................................................... 4 Figura 2 – Diagrama em blocos do hardware.......................................................................... 7 Figura 3 - Diagrama em blocos do microcontrolador 89s52 ................................................. 9 Figura 4 - Forma de onda do oscilador ponte de wien......................................................... 12 Figura 5 - Diagrama interno do INA 129................................................................................. 13 Figura 6 - Seletividade............................................................................................................... 14 Figura 7 – Curvas da ordem de um filtro ................................................................................ 14 Figura 8 – Curva do filtro passa faixa teórico ........................................................................ 15 Figura 9 - Curva do filtro passa faixa prático ......................................................................... 16 Figura 10 – Curva do filtro passa baixa .................................................................................. 16 Figura 11 - Curva do filtro passa alta ...................................................................................... 18 Figura 12 – Valor de pico .......................................................................................................... 19 Figura 13 - Relê .......................................................................................................................... 22 Figura 14 - Sinal Senoidal......................................................................................................... 25 Figura 15 - Sinal de aquisição.................................................................................................. 26 Figura 16 - Sinal de pico ........................................................................................................... 26 Figura 17 - Sinal filtrado pelo FPF ........................................................................................... 27 Figura 18 - Alimentação da fonte simétrica............................................................................ 27 Figura 19 - Conectores do cabo USB ..................................................................................... 29 Figura 20 - Diagrama de casos de Uso .................................................................................. 30 Figura 21 – Diagrama de Classe ............................................................................................. 31 Figura 22 - Diagrama de seqüência ........................................................................................ 31 Figura 23 - Protótipo do software............................................................................................. 32 Figura 24 - Fluxograma do firmware do microcontrolador.................................................. 33 Figura 25 - Software alterado ................................................................................................... 36 Figura 26 - Foto do projeto ....................................................................................................... 37 Figura 27- Acomodação das placas ........................................................................................ 37
VII
LISTA DE Tabelas
Tabela 1 - Equações para predição da massa isenta de gordura........................................ 6 Tabela 2 – Cronograma............................................................................................................. 10 Tabela 3 – Custos ...................................................................................................................... 10 Tabela 4 - Valores práticos do FPF......................................................................................... 15 Tabela 5 - Parâmetros para cálculo do filtro Butterworth..................................................... 17 Tabela 6 - Representação dos sinais digitais no esquemático........................................... 23 Tabela 7 - Representação dos sinais analógicos no esquemático .................................... 24 Tabela 8 - Lista de Componentes............................................................................................ 28 Tabela 9 Tabela de índice de massa corporal....................................................................... 35 Tabela 10 - Testes com indivíduos.......................................................................................... 38 Tabela 11 - Tabela da Sociedade Latino Americana de Nutrição...................................... 39
VIII
LISTA DE SIGLAS
NCET - Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas UNICENP – Centro Universitário Positivo AO – Amplificador Operacional PC – Personal Computer A/D – Analógico Digital FPA – Filtro Passa Alta FPB – Filtro Passa Baixa CI – Circuito Integrado CA – Corrente Alternada USB – Porta serial DEXA - Absortometria radiológica de dupla energia
IX
LISTA DE SÍMBOLOS
? – ohm V – Volts I – Corrente GND – pino terra C – Capacitor R – resistor Hz – Hertz KHz – Kilo Hertz mV – Milivolts uV - Microvolts MIG – Massa Isenta de Gordura Kg – Quilogramas cm – Centímetros mA – miliAmpéres A – Ampéres
X
RESUMO
Esse trabalho busca medir a taxa de gordura do corpo humano, através de um
equipamento simples ligado em um microcomputador. O sistema usa quatro eletrodos,
dois colocados na mão, e dois colocados no pé do indivíduo que é analisado.
No programa inicial deve-se inserir os dados do indivíduo, como peso, altura,
idade, sexo e logo após, o sistema aplicará uma corrente de baixa intensidade no corpo
da pessoa analisada, a corrente circula pelo corpo do indivíduo e, é recebida,
amplificada e filtrada através de circuitos específicos. Esse sinal é passado por um
conversor analógico digital, e transformado em um sinal discreto. Passa por um
microcontrolador, que tem a função de enviar o sinal para o microcomputador através
da porta USB. O programa deve com essas informações calcular a taxa de gordura do
corpo humano através do método de bioimpedância.
O equipamento mostra a porcentagem de gordura do corpo humano e um
pequeno comentário sobre a taxa, que é mostrado no monitor do computador.
XI
ABSTRACT
The object this work is measure the tax of fat of the human body, through on
simple equipment in a microcomputer. The system uses four electrodes, two in the hand
and two in the feet of person that is analyzed. In the initial of program must be inserted
the data of person, as weight, height, age, sex and then, the system to apply a current
of low intensity in the body of the analyzed person.
The current is received, amplified and filtered through specify circuits. This signal
is passed for an analogical digital converter, transformed into a discrete signal, passes
for a microcontroler, that has function to send the signal for the microcomputer through
door USB that sends the data for the program to calculate the tax of fat of the human
body through method of bioimpedance.
The equipment shows the percentage of fat of the human body and small text to
the respect of the tax, then show in the monitor of the computer.
1
1 Introdução
1.1 Histórico
Os estudos realizados para a avaliação corporal, estão em alta, devido ao alto
crescimento de pessoas obesas, o que prejudica a saúde e diminui a expectativa de
vida de um indivíduo, por causa da falta de dieta alimentar.
O atual método de medição da gordura do corpo humano, por índice de massa
corporal, não possui precisão nos casos de o paciente ter uma grande massa de
gordura em comparação com o seu peso, o método da medida de dobras cutâneas,
onde se utiliza um adipômetro (espécie de compasso para medir as dobras cutâneas),
também é impreciso porque o avaliador deve ter muita prática para que as medidas
sejam efetuadas com sucesso. Já o método da bioimpedância é um método sensível
às variações do estado hídrico do avaliado, onde se pode obter de forma mais precisa
e eficiente o valor de gordura de determinado corpo.
1.2 Objetivo
O projeto consiste no desenvolvimento de um equipamento que consegue medir a
porcentagem da gordura do corpo através de uma corrente elétrica de baixa
intensidade e alta freqüência, que passa pelo corpo humano. Quanto maior a
quantidade de água contida em um corpo, mais facilmente a corrente elétrica fluirá,
sendo imperceptível ao ser humano. Os eletrodos responsáveis pela aquisição do sinal
serão posicionados no corpo de forma a fazer com que se tenha uma melhor aquisição
do sinal. O sistema deverá se comunicar com um PC para que os valores possam ser
mostrados no monitor.
1.3 Divisão do trabalho
No capitulo 2, seção 2.1, inicia-se um estudo teórico a respeito dos métodos de
avaliações corporais e os métodos mais utilizados enfatizando o método de
bioimpedância, e explicar como a corrente elétrica flui no corpo humano. Na seção 2.2,
é mostrado a especificação do hardware em diagrama em blocos e como cada bloco é
projetado. Na seção 2.3 apresenta-se a evolução do software, com os diagramas de
2
caso de uso e classe, e também o modelo da tela inicial do software, na seção 2.4,
tem-se o cronograma de atividades para o desenvolvimento do projeto e na seção 2.5,
os custos do projeto.
3
2 Estudo Teórico
2.1 Métodos de Avaliação de Composição Corporal
A análise da composição corporal pode ser feita por determinação direta, indireta
e duplamente indireta (GUEDES,1998). A determinação direta é feita de forma invasiva
ao corpo humano, ou seja deve-se fazer uma incisão no corpo, para que se descubra a
quantidade de gordura, esse método possui bastante precisão.
No método indireto utiliza-se de variáveis de domínio físico e químico não
analisando os pressupostos biológicos, desenvolvendo estimativas, para a avaliação da
taxa de gordura, são exemplos, a densitometria, hidrometria, ultra-sonografia,
ressonância magnética.
Já o procedimento duplamente indireto utiliza equações de regressão para
predizer variáveis que são utilizadas nos procedimentos indiretos, que podem estimar
os valores de composição corporal. Devido a estimar parâmetros essa técnica é mais
complexa porque usa medidas antropométricas e de marcadores radioisótopos, mas os
métodos de bioimpedância e a antropometria, também se enquadram nessa técnica.
2.1.1. Método da Medida Antropométrica
É um método que se utiliza de medidas externas das dimensões corporais, ou
seja, é medida a espessura das dobras cutâneas, que é onde a gordura fica localizada,
nos tecidos subcutâneos. Como a disposição da gordura no corpo não é uniforme,
deve-se tirar medidas de várias regiões do corpo a fim de ter uma avaliação mais
precisa. A exatidão e a precisão dependem do tipo de compasso utilizado e do ponto
anatômico a ser medido.
Na figura 1, é mostrados dois tipos de compasso utilizados na medida de dobras
cutâneas, acima é do tipo Lange (GUEDES, 1998), e abaixo é do tipo Harpenden.
4
Figura 1 - Tipos de compasso
Os avaliadores devem estar familiarizados com as técnicas de medida, para que
não ocorra variações nas medidas, como a exata posição a ser avaliada e ter
resultados idênticos e mais precisos. Os avaliadores se utilizam de um padrão de
avaliação, depois é retirado três medidas do mesmo local e faz-se a média para que
ocorra a minimização de erros, e através de fórmulas pré-definidas, utiliza-se dos
valores medidos do corpo do avaliado e uma equação de somatório para finalizar a
medida corporal do indivíduo.
2.1.2. Método de Absortometria Radiológica de Dupla Energia
Essa técnica de absortometria radiológica de dupla energia (DEXA), tem como
pressuposto de que cada tecido orgânico possui um determinado grau de absorção de
radiações, dependendo do comprimento de onda e do número atômico, então quando
feito o exame radiológico, tem-se a absorção diferencial de fótons de duas energias
diferentes e após um tratamento matemático consegue-se distinguir o conteúdo ósseo
dos demais tecidos (GUEDES, 1998).
A absortometria de dupla energia emite fótons muito mais rápidos que o fóton
único, por isso expõe o indivíduo a menor radiação, assim tendo a informação do
conteúdo de mineral ósseo, permite-se estabelecer estimativas quanto ao componente
de gordura e de massa isenta de gordura dos tecidos não-osseos.
Utilizando-se de um raio X como fonte de energia o indivíduo passa por um
“scanner” que faz a aquisição de informações e passa para um microcomputador que
permite fazer a análise de composição corporal por segmentos e mostrar a distribuição
anatômica de gordura.
5
2.1.3. Método de Bioimpedância
A oposição que há em um circuito elétrico para uma corrente alternada é chamada
de impedância, então para o corpo humano deve-se levar em consideração a
resistência dos tecidos e a reatância, que é a oposição da corrente elétrica causada
pela capacitância.
Assim tecidos que tem uma quantidade maior de água e menor de gordura
possuem menos resistência a corrente elétrica, e tecidos que possuem menor
quantidade de água e maior quantidade de gordura, tem maior resistência à passagem
de corrente elétrica.
Existem dois tipos de analisadores, os mono-frequênciais, que trabalham na faixa
de 50KHz e os multi-frequênciais (Peb, 2005), que usam até 512 freqüências entre
1kHz e 1MHz, ambos os equipamentos utilizam correntes alternadas senoidais (entre
300mA e 800mA) como grandeza de excitação. A corrente aplicada para esse projeto é
de baixa intensidade (0,8mA) e uma freqüência de 50KHz, que usa os tecidos como
condutores e membranas celulares como condensadores (GUEDES,1998).
Para a análise, verifica-se a diferença de corrente que percorre o corpo humano e
assim se consegue descobrir os valores de impedância do corpo, conhecendo o
comprimento do condutor (estatura) e impedância, calcula-se o volume do condutor.
Para não haver prejuízo para a qualidade das informações, deve-se tomar os
seguintes cuidados:
• Manter-se em jejum pelo menos nas 4 horas que antecedem o teste;
• Não realizar atividades físicas extenuantes nas 24 horas anteriores ao teste;
• Urinar pelo menos 30 minutos antes do teste;
• Não ingerir bebidas alcoólicas nas 48 horas anteriores ao teste;
• Não utilizar medicamentos diuréticos nos 7 dias que antecedem o teste.
• Permanecer, pelo menos, 5 a 10 minutos deitado em decúbito dorsal, em total
repouso antes da execução do teste (GUEDES, 1998).
A qualidade das informações que são medidas podem ser prejudicadas devido ao
nível de desidratação de um indivíduo ou a temperatura ambiente.
Para a utilização desse método, deve-se levar em consideração a idade dos
avaliados, a altura e o peso, já a medida de resistência é adquirida através da medida
do equipamento. A massa isenta de gordura (MIG) é dada em quilogramas (Kg), a
estatura em centímetros (cm), peso corporal em quilogramas (Kg) e a resistência em
6
ohms (O) (GUEDES, 1998), então na tabela 1, estão algumas equações utilizadas e a
relação de idade dos avaliados.
Tabela 1 - Equações para predição da massa isenta de gordura
Idade Equação de Regressão Referência
20-40 Anos Mulheres
49,5)(295,0)(475,0 2 ??? PesoaresistênciestaturaMIG
Lohman
17-62 Anos
595,14)(068,0)(232,0)(021,0)(0011,0 2
?????
idadepesoaresistênciestaturaMIG
Segal
20-40 Anos Homens
49,5)(338,0)(485,0 2 ??? PesoaresistênciestaturaMIG
Lohman
17-62 Anos
668,22)(168,0)(305,0)(044,0)(0013,0 2
?????
idadepesoaresistênciestaturaMIG
Segal
2.2 Corrente Elétrica e Corpo Humano
A corrente elétrica que passa pelo corpo em um determinado nível é chamada de
choque elétrico, o pior choque é aquele que passa pelo tórax, pois pode afetar o
coração ou a respiração (Titoli, 2004). O valor mínimo de corrente perceptível por uma
pessoa, é de 1mA. Com valor de 10mA, a pessoa perde o controle dos músculos, e
entre 10mA à 3A é um valor mortal. A resistência elétrica da pele é grande quando a
pele está seca. Porém com a pele úmida, a resistência cai e pode-se levar um choque
considerável. A freqüência em que o corpo humano é mais sensível, é de 60Hz, e a
medida que a freqüência aumenta são menos sentidas pelo corpo humano.
A resistência elétrica do corpo varia de pessoa para pessoa, e quando o corpo
humano é intercalado em um circuito elétrico, passa a ser percorrido por corrente
elétrica de intensidade de acordo com a lei de ohm (Dalcantara, 2005).
2.3 Especificação do Hardware
O hardware é apresentado segundo o diagrama em blocos da figura 2, que mostra
os componentes básicos para o desenvolvimento do projeto.
7
Eletrodo Eletrodo Emissor Receptor
Aquisição do sinal
Amplificador Instrumentação
Filtros
Gerador Freqüência Microcontrolador Conversor A/D
USB PC
Figura 2 – Diagrama em blocos do hardware
2.4 Eletrodo Emissor
Os eletrodos são os transdutores utilizados para a conversão de íons em elétrons
e são a interface do corpo humano e a máquina, podem ser de dois tipos, os invasivos
(de agulha) e não-invasivos (de superfície) (Webster, 1998).
O eletrodo utilizado é o descartável, não invasivo, sua principal função é fazer a
inserção do sinal no corpo humano, transformar corrente elétrica em corrente iônica,
para que o sinal passe pelos tecidos internos e sofra uma atenuação, onde a
quantidade de gordura e tecidos do corpo humano interage com o sinal e para que este
possa ser analisado.
8
2.5 Corrente que Percorre o Corpo
A corrente elétrica que percorre o corpo é de baixa intensidade (1,7mA),
imperceptível ao indivíduo que está sendo avaliado, é um sinal analógico senoidal, que
é inserido no corpo através de um eletrodo. Como o sinal de entrada é conhecido, o
sinal de informação que é procurado, é o sinal de atenuação que passa pelo corpo,
pois massa que contém mais gordura, sofre uma atenuação de sinal maior, e
consequentemente massa com menor gordura, sofre menor atenuação de sinal. A
aquisição desse valor é feita por outro eletrodo, depois de o sinal ser tratado é enviado
para o microcomputador e calculado.
2.6 Eletrodo Receptor
O eletrodo receptor é o mesmo que o eletrodo emissor, mas sua função é fazer a
recepção do sinal do corpo humano, transformar corrente iônica em corrente elétrica,
para que esse sinal possa ser amplificado e analisado segundo a sua taxa de
atenuação.
2.7 Tratamento do Sinal
Na recepção do sinal, é usado um amplificador de instrumentação, que fornece
uma saída baseado na diferença das duas entradas. Em instrumentação biomédica é
amplamente utilizado devido a baixíssimas amplitudes do sinal e muito ruído, também é
possível controlar o ganho do sinal através de um potenciômetro (Boylestad, 2004),
tem em suas características a alta impedância de entrada, alto ganho e alta rejeição de
ruídos em modo comum, dois exemplos de amplificador de instrumentação é o INA128
e o INA129.
Logo após o filtro passa faixa, tem o objetivo de filtrar os ruídos e fazer com que
somente o sinal de 50KHz tenha a passagem livre, para a aquisição e análise do sinal.
No conversor A/D faz-se a mudança do sinal analógico, que é um sinal com
infinitos valores, para um sinal amostrado com no mínimo duas vezes o máximo valor
de freqüência do sinal analisado, que é e transformado para números binários para que
o microcomputador compreenda.
9
2.8 Microcontrolador AT89S52
O AT89S52 é um microcontrolador de 8-bits e alto desempenho, possui uma da
memória flash programável interna de 8K bytes. O dispositivo é programável e
compatível com as instruções 80C51. A memória flash permite que seja reprogramável,
é um microcontrolador poderoso que fornece soluções elevadas e flexíveis de baixo
custo (Atmel, 2006). O AT89S52 fornece as seguintes características: 8K bytes de
memória flash, 256 bytes da RAM, 32 linhas de E/S, temporizador de watchdog timer,
dois ponteiros de dados, três temporizadores ou contadores de 16-bits. Na figura 3,
observa-se o diagrama em blocos interno do microcontrolador.
Figura 3 - Diagrama em blocos do microcontrolador 89s52
Como se pode ver, é um microcontrolador de bastante versatilidade e por esse
motivo foi o escolhido para esse projeto.
10
2.9 Cronograma
O cronograma do projeto está definido conforme a tabela 2, onde mostra de forma
abreviada, todas as etapas do processo para a conclusão do projeto.
Tabela 2 – Cronograma
2.10 Custos
A apresentação dos custos é calculada de forma que se tenha um valor
aproximado do projeto, do equipamento e software, onde os valores de custo de hora,
de mão de obra sejam especificados de acordo com a tabela 3.
Tabela 3 – Custos
Descrição Custo em reais (R$)
Microsoft Windows XP professional 1.747,00
Microsoft Office 2003 2010,00
Borland C++ Builder 6 professional 2.490,00
Componentes Eletrônicos 250,00
Cabos e conectores 80,00
Horas trabalhadas (500h) 6.000,00
Total 10.696,00
11
3 Projeto
Neste capítulo, o desenvolvimento do sistema proposto é discutido passo a passo
de acordo com cada módulo projetado no diagrama em blocos mostrado anteriormente,
as ferramentas e cálculos utilizados são descritos conforme o desenvolvimento do
projeto, a separação dos módulos é feita para facilitar o projeto e, também, no seu
entendimento. O software é discutido logo após o desenvolvimento do hardware.
3.1 Especificação de hardware O projeto consiste em um gerador de forma de onda senoidal, um receptor para a
aquisição desse sinal e um controle para organizar as etapas de medição e
comunicação serial, controladas pelo microcontrolador.
3.1.1 Oscilador ponte de Wien
O oscilador escolhido para o projeto deve gerar um sinal senoidal de alta
freqüência, para que se possa injetá-lo no corpo humano, assim a melhor escolha foi o
oscilador ponte de wien apresentado na figura 5.1 (em anexo).
Os osciladores são circuitos cuja função é produzir um sinal alternado a partir de
uma fonte de tensão contínua, não necessitando de sinal de entrada externo. Então
para que o circuito comece a oscilar, basta alimentá-lo a uma fonte de tensão. Existem
dois tipos de osciladores, como os harmônicos que produzem sinais senoidais e os
não-harmônicos que não produzem sinais senoidais (Pertence, 2003).
O oscilador com ponte de Wien, é um oscilador harmônico e também o mais
popular dos osciladores, devido a ter ótima performance e a senoidal ser praticamente
perfeita, dentre outros tipos de osciladores como o de Armstrong, Colpttis, e Hartley.
O oscilador utilizado no projeto foi o com ponte de wien mostrado na figura 8, que
se utiliza na realimentação positiva de uma ponte de wien, e na realimentação negativa
é feito o controle ou limitação de amplitude do sinal de saída para que não ocorra a
saturação, distorcendo o sinal senoidal que se deseja. O controle é feito por dois
diodos em antiparalelo, chamado de controle automático de ganho, onde se obtém uma
situação estável de oscilação quando 3?vivo
, para que não ocorra a saturação do sinal.
12
Para o cálculo da freqüência é utilizada a seguinte fórmula: RC
f?21
? , onde se
arbitra um valor para o capacitor e calcula-se o resistor, assim quando o valor é
calculado, sempre serão encontrados valores quebrados nos cálculos, onde se deve
buscar uma aproximação no valor dos componentes para que a freqüência esteja o
mais próxima da desejada, e se for preciso fazer associações série e paralelo. A forma
de onda do oscilador ponte de Wien pode ser vista na figura 4.
Figura 4 - Forma de onda do oscilador ponte de wien
3.1.2 Amplificador de Instrumentação
Para a aquisição da freqüência que passa pelo corpo do indivíduo, é necessário a
utilização de um amplificador diferencial que é um circuito que possui a saída baseada
na diferença entre duas entradas. O amplificador de instrumentação utilizado no projeto
foi o INA 129, mostrado na figura 5, e é construído por três amplificadores operacionais
que possui as seguintes características:
- Resistência de entrada extremamente alta; - Resistência de saída menor que a dos AOPs comuns;
- CMRR (commom mode rejection rate) de l20dB;
- Ganho entre 1 a 1000.
13
Figura 5 - Diagrama interno do INA 129
A vantagem de ter uma alta impedância de entrada é de a corrente que flui nos
terminais de entrada ser praticamente nula, isso evita que a corrente nos eletrodos seja
alta diminuindo ruídos no sinal adquirido. Outra vantagem é o CMRR (Taxa de rejeição
de modo comum), é uma medida que mostra o quanto o dispositivo consegue atenuar
tensões iguais que estão nas entradas diferenciais do amplificador, isso é importante
para que o ruído possa ser atenuado e separado do sinal que se pretende medir.
O ganho do amplificador foi calculado com a seguinte fórmula: RgKG 4,491??
(Texas,2006) onde se obteve um ganho de 1x que de acordo com a tabela do
datasheet, não é preciso a utilização de um resistor entre os pinos 1 e 8 para que o
amplificador de instrumentação tenha esse ganho.
3.1.3 Filtros Ativos
A definição formal para todos os filtros é: Um filtro é um quadripolo capaz de
atenuar determinadas freqüências do espectro do sinal de entrada e permitir a
passagem das demais (Pertence, 2003).
Existem inúmeras estruturas de implementação para filtros ativos, mas a que foi
utilizada no projeto, foi a de realimentação múltipla (MFB). Todas as estruturas de
implementação incluindo a MFB possuem vantagens quanto, a estabilidade, baixa
impedância de saída, facilidade de ajuste de ganho e de freqüência, entre outras.
A estrutura MFB apresenta ganho invertido, e não tem nenhum efeito prejudicial
no desempenho desse tipo de filtro.
14
A seletividade de um filtro significa a habilidade de um circuito em distinguir, num
dado espectro de freqüências, uma dada freqüência em relação às demais, como é
possível visualizar na figura 6.
Figura 6 - Seletividade
A ordem de um filtro em termos matemáticos, e por definição, é o número de
pólos existentes na função de transferência do mesmo, e em termos físicos pode-se
dizer que é dada pelo número de redes de atraso presentes em sua estrutura. Então
quanto maior for a ordem de um filtro, mais a sua resposta se aproximará das curvas
ideais como mostra a figura 7.
Figura 7 – Curvas da ordem de um filtro
Observando-se a figura 7, verifica-se que a resposta do filtro se aproxima da curva
ideal, à medida que o n aumenta (Pertence, 2003).
A resposta Butterworth é também denominada de resposta plana, devido a não
possuir nenhuma ondulação (ripple), ou seja não possuir variação monotônica
15
decrescente. A taxa de atenuação para um filtro Butterworth de segunda ordem é de
40db/década, ou seja o quanto o filtro deve atenuar em uma década.
Para a implementação de um filtro passa faixa, deve-se fazer uma associação de
um filtro passa baixa com um filtro passa alta em cascata, onde a ordem do filtro é
calculada somando-se cada ordem separadamente, então para o projeto foi utilizado
um filtro passa baixa de segunda ordem e um filtro passa alta de segunda ordem, que
resulta em um filtro passa faixa de quarta ordem, como mostra a figura 8.
Figura 8 – Curva do filtro passa faixa teórico
Na prática, depois de calculado e realizado os testes preliminares, com a entrada
senoidal de 1Vpp, obteve-se os seguintes resultados de acordo com a tabela 4.
Tabela 4 - Valores práticos do FPF
frequência Vo
1k 0,1 10k 0,13 20k 0,24 30k 0,41 35k 0,49 36k 0,54 46k 0,61 48k 0,61 50k 0,61 52k 0,61 54k 0,61 56k 0,6 60k 0,57 70k 0,5 75k 0,47 80k 0,44 90k 0,38 100k 0,33
O gerador de onda senoidal ponte de Wien gera uma senóide de 53KHz, que é o
sinal de entrada no corpo humano, então para o projeto os resultados estão dentro do
16
padrão de cálculos, já que o filtro passa faixa consegue recuperar com o máximo valor,
sem atenuação, a frequência de 53KHz e filtrando todas as outras. A figura 9, mostra a
faixa de passagem das freqüências do filtro passa faixa, onde os valores de passagem
se enquadram na faixa de 45KHz e 55KHz.
FPF
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1k 20k
35k
46k
50k
54k
60k
75k
90k
frequencia
Vp
Figura 9 - Curva do filtro passa faixa prático
3.1.4 Filtro passa baixa
No projeto foi utilizado um filtro passa baixa de segunda ordem, onde é permitida
somente a passagem de freqüências abaixo de uma freqüência determinada chamada
de freqüência de corte, e todas as outras freqüências serão atenuadas. A curva ideal
conforme a figura 10, é a curva em que a partir de uma determinada freqüência não
existe mais sinal, mas a curva real mostra que a partir de uma determinada freqüência,
o sinal é atenuado conforme a freqüência vai aumentando.
Figura 10 – Curva do filtro passa baixa
17
Para o cálculo do projeto do filtro passa baixa utilizou-se um ganho K = 1,
freqüência de corte fc = 55KHz. Através da tabela de parâmetros utilizada para calcular
o filtro butterworth até oitava ordem, conforme mostra a tabela 5, foram encontrados os
valores de a = 1,414214 e b =1 para que o filtro utilizado fosse de segunda ordem.
Tabela 5 - Parâmetros para cálculo do filtro Butterworth
n A b 2 1,41421 1 3 1,00000 1 - 1
4 0,76537 1 1,84776 1
5 0,61803 1 1,61803 1 - 1
6 0,51764 1 1,41421 1 1,93185 1
7 0,44504 1 1,24698 1 1,80194 1 - 1
8 0,39018 1 1,11114 1 1,66294 1 1,96157 1
Após a escolha de um valor comercial para o capacitor C2 = 150pF, próximo a
10/fc (fc em Hertz e C2 em microfarad), pode-se determinar então o máximo valor
comercial para C1 = 330pF, de acordo com a equação 4.1 que segue:
)1(422
1 ?? KbCaC (4-1)
Assim, foram calculados os valores de R1 = 4,7KO , R2 = 4,7KO, e R3 = 12KO,
com valores os mais próximos possíveis de valores comerciais, através das equações
4.2, 4.3, 4.4 e 4.5 que seguem:
12 RRK ?? (4-2)
18
? ? cKCbCCaaC
KR
?)1(4
)1(2
2122
22
2???
?? (4-3)
KRR 21 ? (4-4)
2
2213 1 RCbCR c?? (4-5)
3.1.5 Filtro passa alta
Em um filtro passa alta somente as freqüências acima da freqüência de corte não
serão atenuadas, no projeto é utilizado um filtro de segunda ordem para que se tenha
um filtro mais seletivo, nota-se na figura 11, que o valor ideal da frequência de corte o
sinal passa sem atenuação, e para o valor real a atenuação vai diminuindo a medida
que a frequência vai aumentando.
Figura 11 - Curva do filtro passa alta
Para o cálculo do filtro passa alta utilizou-se do ganho do filtro K = 1, a frequência
de corte fc = 45KHz, e os mesmos valores retirados da tabela de parâmetros de a =
1,414214 e b =1 para que o filtro utilizado fosse de segunda ordem.
Após a escolha de um valor comercial para o capacitor C1 = 330pF, próximo a
10/fc (fc em Hertz e C1 em microfarad) pode-se determinar, o valor comercial para C2
= 330pF, e acordo com a equação 4.6.
21 CCK ?? (4.6)
19
O cálculo dos resistores R1 = 4,7KO e R2 = 22KO, foram feitos através das
equações 4.7 e 4.8, então os valores dos resistores levando em consideração os
valores comerciais encontrou-se o circuito próximo da frequência de corte esperada.
cCCaR ?)2( 211 ?? (4.7)
cCaCbCCR ?21212 )2( ?? (4.8)
3.1.6 Detector de Pico
A função do detector de pico é manter a tensão de entrada, para isso segue-se a
tensão de entrada até que a tensão de pico seja alcançada, esse valor é mantido ou
detectado até que outro valor maior apareça, conforme mostra a figura 12.
Figura 12 – Valor de pico
Como se pode ver a figura 5.6 (em anexo), há duas regiões distintas de operação,
na primeira quando a tensão de entrada for positiva, o diodo conduz e a operação é
linear com o capacitor carregando o pico da tensão de entrada, e a segunda é quando
a tensão de entrada for negativa e o capacitor manterá o pico devido a ter um
amplificador operacional configurado como um buffer, mantendo o valor de pico devido
a sua alta impedância de entrada e o baixo consumo de corrente.
No projeto, é necessário esse circuito para que o microcontrolador possa receber
o maior sinal que passa pelo corpo do indivíduo analisado, mas como podem ocorrer
variações de pessoa para pessoa, o detector de pico deve fazer quatro leituras,
definidas somente para esse projeto. Como o detector de pico mantém a carga por um
tempo grande, foi adicionado um transistor controlado pelo microcontrolador que tem
por finalidade zerar o capacitor, preparando o circuito para a leitura de outro sinal de
entrada com o valor de pico diferente.
20
3.1.7 Conversor A/D
Os conversores analógicos digitais são usados para transformar sinais analógicos
em sinais digitais, para que o microcontrolador compreenda os sinais. Em um sistema
de instrumentação, existe uma grande probabilidade do sinal ser recebido pelo
computador. Este sinal geralmente proveniente de um amplificador, representa o valor
de algum fenômeno analógico que foi convertido para sinais elétricos através de
transdutores. No projeto foi utilizado o conversor ADC0804, que converte uma amostra
analógica entre 0 e 5V, em um valor binário de 8 bits.
Como no projeto, é preciso somente do pico dos sinais alternados que são de
53KHz, sendo que o sinal já está positivo e com o máximo valor de 5V, então o sinal
que sai do detector de pico vai para a entrada do conversor A/D, então o sinal é
decodificado para um número binário, que é transferido para o microcontrolador.
Para que o ADC fique no modo de conversão contínua, sem o controle de início e
final da conversão A/D, a entrada CS deve ser aterrada e a entrada WR conectada à
saída INTR. Esses dois pontos devem ter um pulso que leve o sinal para o nível de 0
lógico, para o reinício do ciclo. Então foram conectados esses pontos a um circuito RC,
para dispensar o pulso inicial. Dessa forma quando o circuito está desligado, o
capacitor se descarrega completamente através de correntes de fuga, no momento em
que o circuito é ligado durante um curto período de tempo, a tensão no capacitor
também é nula, pois ainda não houve tempo para o mesmo se descarregar,
disponibilizando o pulso negativo necessário ao início de operação do ADC.
3.1.8 Microcontrolador AT89S52
O CI AT89S52 possui uma memória flash interna de 8K bytes onde é inserido um
firmware de controle, de comunicação e aquisição dos valores de pico para serem
enviados ao PC.
O microcontrolador possui um circuito de oscilação que gera o clock para a
definição de sua velocidade, que é de aproximadamente 11MHz. O circuito de reset é
formado por uma chave push botton e um circuito RC, no caso de haver algum tipo de
travamento, e que o circuito precise ser reiniciado.
21
O projeto funciona, quando é enviado um sinal do PC, que gera uma interrupção
no microcontrolador, assim o AT89S52 faz um reset no capacitor do detector de pico
para que o sinal medido seja o máximo sinal recebido, depois aciona o relê para que o
sinal passe pelo corpo humano, espera um tempo de alguns segundos para ser
detectado, recebe um valor binário convertido pelo conversor A/D e armazena em um
registrador interno. O firmware de controle faz uma comparação por quatro vezes e
armazena somente o maior valor em um registrador, logo após esse valor é enviado
para o PC via USB, onde o software calcula o valor da taxa de gordura do corpo
humano.
3.1.9 Conversão serial para USB
O projeto utiliza-se da porta USB devido à popularidade e facilidade de utilização
desse tipo de comunicação, também pela alimentação ser pelo próprio barramento
plug-and-play e hot-swap.
A versão utilizada do barramento USB é 1.1 que suporta dois modos de
transferência, o modo full speed, com velocidade de 12Mbits/s e o modo low speed,
com velocidade de 1,5 Mbits/s, a vantagem deste é de ser muito menos susceptível a
interferências eletromagnéticas.
A USB só permite um host por barramento, onde o host é responsável por
gerenciar todas as transações de cada dispositivo do barramento, utilizando um
protocolo baseado em tokens.
A topologia do barramento USB é baseada no sistema estrela, como nas redes
Ethernet, essa comunicação foi desenvolvida para diminuir a quantidade de cabos que
saem da cpu, o sistema estrela utiliza um cabo para cada dispositivo, onde passa a
alimentação e comunicação, e no caso de falha de um dos dispositivos, pode-se
desativar sem interferir nos demais, que podem ser conectados em uma quantidade de
127 dispositivos.
A USB (Universal Seria Bus), possui 4 fios, um par de alimentação (+5V e GND) e
outro par de sinais de dados baseada no sistema de comunicação NRZI (Non Return to
Zero Invert), o qual envia dados com um sinal de sincronização (Texas, 2006).
A conexão plug-and-play, faz a carga dinâmica dos drivers, quando o usuário
conecta um dispositivo à porta USB, e basta retirar o cabo, que o dispositivo irá
descarregar o driver da memória automaticamente.
22
No projeto é utilizado o TUSB3410 da texas, devido à facilidade de conversão
serial e de conexão, pois o TUSB, é reconhecido como um dispositivo externo e o seu
driver é solicitado. Pode-se fazer o download do driver no site da texas, onde será
adicionada uma porta serial COMx na lista dos dispositivos do Windows e assim fazer a
comunicação com o periférico (Texas, 2006).
3.1.10 Circuito de acionamento com Relê
Para controlar o sinal que é transmitido para o interior do corpo humano, foi
projetado um circuito de disparo para o sinal, um relê de 5V é acionado por um sinal do
microcontrolador somente no momento em que o sinal será inserido no corpo do
paciente.
O relê possui uma bobina, e os contatos normalmente fechado (NF), que no
estado de repouso está configurado para que passe corrente, e normalmente aberto
(NA), que em estado de repouso funciona como uma chave aberta para a passagem de
corrente. Quando a bobina é energizada no seu valor nominal de tensão, no caso do
projeto 5V, os contatos são acionados e invertem de posição, o que era normalmente
fechado, fica normalmente aberto e vice versa. Na figura 13, mostra a configuração de
um relê e seus contatos internos.
Figura 13 - Relê
3.1.11 Fonte de Alimentação Simétrica
Os amplificadores operacionais utilizados no projeto precisam ser alimentados por
uma fonte simétrica de tensão para que o sinal possa ser medido e tratado. O projeto
da fonte simétrica foi providenciado para que a utilização do projeto como um todo,
pudesse ser de fácil manuseio e em qualquer local. O projeto foi feito a partir de um
transformador de 800mA, com 6V de saída no secundário, que possui corrente
suficiente para a alimentação do circuito. A utilização dos circuitos integrados 7805 e
23
7905 foram de grande importância, porque são controladores de tensão fixa e também
devido à praticidade de uso, esses controladores geram uma tensão de +5V e -5V
respectivamente. Os capacitores utilizados foram os recomendados pelo fabricante dos
controladores de tensão (Motorola,2006).
3.1.12 Plataforma de desenvolvimento
A plataforma de desenvolvimento esta relacionada com as ferramentas utilizadas
e os equipamentos durante todo o desenvolvimento do projeto, tendo todo o hardware
e software desenvolvido pelas seguintes ferramentas:
- Computador Pentium 1,5GHz, 512 Ram;
- Sistema Operacional Microsoft Windows;
- Microsoft Office 2003;
- Borland C++ Builder 6.0;
- Orcad Realease 10.5;
- Filterpro;
- Osciloscópio;
- Fonte Simétrica;
- Gerador de Funções;
- Multímetro.
3.2 Sinais de Interface O controle do projeto é feito por sinais digitais, que possuem valores fixos entre
0V, que significa o “0” lógico e o 5V, que representa o “1” lógico, conforme é mostrado
de acordo com a tabela 6.
Tabela 6 - Representação dos sinais digitais no esquemático Anexo Rótulo Tipo de
Barramento Lógica de Operação
Função
5.3saída, 5.2entrada
LSinal Controle 0/1 Aciona Relê de liberação do sinal
5.3saída, 5.2entrada
Spe Controle 0/1 Aciona Relê do pe
5.3saída, 5.2entrada
Scorrente Controle 0/1 Aciona Relê de corrente
5.3saída, 5.2entrada
Smao Controle 0/1 Aciona Relê da mao
24
5.3saída, 5.6entrada
Zcap Controle 0/1 Zera o Detector de pico
5.3entrada, 5.7saída
D0..D7 Dados 0/1 Valor do sinal em 8 bits
5.3saída, 5.10entrada
SIN Dados 0/1 Sinal serial de transmissão
5.3entrada, 5.10saída
SOUT Dados 0/1 Sinal serial de recepção
O projeto também possui alguns sinais analógicos, devido a todo o sinal que entra
e sai do corpo humano ser tratado de forma analógica e são representados pela tabela
7.
Tabela 7 - Representação dos sinais analógicos no esquemático Anexo Rótulo Tipo Amplitude Função 5.1saída, 5.2entrada
Ssen Dado 0-5V Gera o sinal senoidal
5.9 saída Eletrodo Tx1 Eletrodo Tx2
Dado 0-5V Envia o sinal para o corpo através do eletrodo
5.4saída, 5.5entrada
Ampin Dado 0-5V Sinal que sai do amplificador de instrumentação
5.9 saída SRshunt Dado 0-5V Sinal para verificação da corrente
5.6entrada, 5.2saída
Fdetec Dado 0-5V Sinal que entra no detector
5.6saída, 5.7entrada
SPico Dado 0-5V Máximo valor de pico do sinal
5.8 +Vcc Alimentação 5V Valor de 5V da fonte 5.8 -Vcc Alimentação -5V Valor de -5V da fonte 5.4entrada Eletrodo Rx1
Eletrodo Rx2 Dado 0-5V Recebe o sinal que sai do
corpo pelo eletrodo
3.2.1 Rótulo do Sinal (nome lógico do sinal)
Os sinais possuem nomes, e cada um deles possui uma função no projeto que é
de grande importância para que haja o entendimento de como funciona os circuitos,
conforme mostra a seguinte descrição:
SIN – Serial In, utilizado para a transmissão de dados do microcontrolador para o
conversor serial USB.
SOUT – Serial Out, Utilizado para a recepção dos dados que vem do PC passa
pelo conversor serial USB e vai para o microcontrolador.
25
LSinal – Disparo do Sinal, utilizado pelo microcontrolador para acionar o relê, para
o sinal que entra no corpo seja utilizado somente no momento da aquisição. Para atuar
nesse controle deve-se elevar o sinal de 0 para 5V.
Spe – Sinal que libera o rele para aquisição do sinal de saída do corpo.
Scorrente – Sinal que passa pelo resistor de shunt e vai para detectar a corrente
que passa pelo corpo humano.
Smao – Sinal que entra no corpo humano através da mão.
Zcap – sinal lógico liberado pelo microcontrolador para que se possa zerar o
capacitor do detector de pico
ZPico – Zera Pico, utilizado pelo microcontrolador para que o sinal de pico
detectado seja zerado para uma nova aquisição de sinal. Para o acionamento desse
controle deve-se elevar o nível de sinal de 0 para 5V.
D0..D7 – Sinal de dados, é gerado pelo conversor A/D, onde entra um sinal
analógico do detector de pico, então é transformado em um sinal digital de 8bits.
Ssen – Sinal Senoidal, é o sinal gerado pelo oscilador para que este seja inserido
no corpo humano. O sinal gerado é mostrado na figura 14 .
Figura 14 - Sinal Senoidal
Eletrodo Txx – Eletrodo de Transmissão, é a interface com o corpo humano onde
o sinal passa do circuito para o corpo. O sinal do eletrodo é o mesmo visto
anteriormente na figura 14.
Ampin – Amplificador de Instrumentação, sinal atenuado pelo corpo e passa para
os filtros, mostrado na figura 15.
26
Figura 15 - Sinal de aquisição
SPico – Sinal de Pico, máximo valor de sinal que passa pelo corpo, somente o
valor de pico é detectado, como mostra a figura 16.
Figura 16 - Sinal de pico
Fdetec – Filter detect, sinal selecionado de 50KHz que não foi atenuado pelo filtro,
as outras freqüências são rejeitadas no filtro passa faixa, possui também os sinais de
corrente, sinal do pé e o sinal de entrada no corpo que é o sinal que vai para a mão
esse sinal é mostrado na figura 17.
27
Figura 17 - Sinal filtrado pelo FPF
+Vcc – Sinal da fonte simétrica de 5V que alimenta o circuito, como mostra a
figura 18.
Figura 18 - Alimentação da fonte simétrica
-Vcc – Sinal da fonte simétrica de -5V que alimenta o circuito, também mostrado
na figura 18.
Eletrodo Rxx – Eletrodo de recepção, sinal que passou pelo corpo do indivíduo
avaliado e que é recebido novamente pelo circuito.
3.3 Lista de Materiais Essa lista tem grande utilidade para que a visualização da quantidade e tipo de
peças sejam bem simples para a compra, e com isso seja algo bastante prático não
28
havendo problemas com falta de componentes na parte em que o circuito deve ser
montado para testes, evitando assim perdas de tempo.
3.3.1 Lista de componentes em geral
Na lista de componentes, tem-se os componentes e suas quantidades, as peças
utilizadas no projeto são mostradas de acordo com a tabela 8.
Tabela 8 - Lista de Componentes
Quantidade Componente
1 INA128 1 INA129 1 UA78M33CKC 1 LM 741 1 ADC0804 1 AT89S52 1 7805 1 7905 1 Trafo 6V+6V 1 TUSB3410 2 XTAL 11,05MHz 4 1N4007 1 Cap 10uF 1 Cap 100nF 2 Cap 150pF 2 Cap 4,7nF 2 Cap 1uF 3 Cap 1nF 3 Cap 330pF 4 Cap 33pF 4 LF 351 1 Res 22K 3 Res 4K7 1 Res 1K5 1 Res 12K 1 Res 4K7 2 Res 33R 2 Res 620R 2 Res 100K 3 Res 2K2 6 Res 10K 6 Res 15K 6 1N4148 4 BC548
29
3.3.2 Materiais em geral que serão empregados (placas, conectores)
O projeto foi descrito para que a comunicação entre o computador e o circuito
fosse através da porta USB. O componente chave, foi o Tusb3110, que faz conversão
serial para USB e USB para serial. Seu funcionamento depende da instalação do driver
no computador que será utilizado para o teste, onde se utiliza o conversor como se
fosse uma porta serial. A figura 19, mostra os conectores do cabo USB que é utilizado
no projeto.
Figura 19 - Conectores do cabo USB
30
4 Projeto do Software
4.1 Diagramas de Caso de Uso
No diagrama de casos de uso, da figura 20, fornece a descrição da visão externa
do sistema e suas interações com o mundo exterior, representa uma visão de alto nível
da funcionalidade mediante o recebimento de uma requisição, assim pode-se ver a
atuação do avaliador (ator), interagindo com o sistema. Ou seja, o conjunto de ações
que o avaliador toma para que se possa interagir com o sistema. Também mostra a
atuação do equipamento (ator) que somente faz a aquisição do sinal, da impedância do
corpo quanto o avaliador interage com o sistema.
Inserir Peso
Inserir Altura
Sistema
Avaliador
Calcular
Mostrar Avaliação
Inserir Idade
Ler Reatância
Equipamento
Figura 20 - Diagrama de casos de Uso
4.2 Diagramas de Classe / Seqüência
No diagrama de classe da figura 21, é mostrado na classe cCalculo, que é
responsável pelo cálculo da taxa de gordura, recebe as informações da classe Bioi, que
contém as informações essenciais para o cálculo, tais como peso, altura, idade e o
dado de impedância. Através da classe cSerial, é feito a comunicação com o
computador.
31
+InserirPesoAlturaSexo() : float
+Peso : float+Altura : float+Idade : int+Sexo : int
Bioi
+Calcula() : float+MostraAvaliação() : string
+Resultado : string+Calculo : float
cCalculo
11
+RecebeSinal () : float+EnviaSinal() : int
+SinalRecebido : float+SinalEnviado : float
cSerial
1 1
Figura 21 – Diagrama de Classe
No diagrama de seqüência da figura 22, é possível visualizar a troca de
mensagens feitas com as classes e chamadas de métodos feitas no sistema.
BioiAvaliador
InserirPeso (Peso)
InserirAltura (Altura )
Calcular()
MostraAvaliação ( )
InserirIdade (Idade)
cSerial cCalculo
EnviaSinal ()
InsereSexo ()
RecebeSinal()
Figura 22 - Diagrama de seqüência
4.3 Apresentação do protótipo do Software
Para um indivíduo conhecer sua taxa de gordura, o avaliador deve medir o
paciente. A altura com uma fita métrica, o peso com uma balança, e perguntar ao
avaliado sua idade, para que seja inserido os dados no programa, como mostra a figura
32
23, e o software, calcula a taxa de gordura do corpo humano para esse avaliado. Um
pequeno comentário sobre a avaliação será mostrado ao final, para que se possa ter
uma noção da avaliação.
Figura 23 - Protótipo do software
4.4 Documentos (firmware) O firmware é um pequeno software feito em linguagem C que controla o
microcontrolador, recebe um caracter a do software feito em C++ no computador, e faz
uma rotina que zera o capacitor do detector de pico para que o sinal seja uma nova
medida a cada vez que se inicia a medida, fornecendo assim uma melhor aquisição do
sinal que entra e sai do corpo humano. Aciona o relê para que o sinal seja inserido no
corpo, e chegue no detector de pico, fazendo a aquisição do sinal que entra no corpo
através da mão, logo em seguida faz a aquisição do sinal que sai do corpo através do
pé e, também, da corrente que passa pelo corpo do avaliado, enviando esse sinal para
o computador via serial, na medida em que são feitas aquisições, para que o software
do PC possa calcular o valor da taxa de gordura. O fluxograma da figura 24 mostra o
funcionamento deste firmware.
33
Zera Capacitor de pico
Ativa sinal no corpo
Faz aquisição do valor de corrente
É o caracter a?
Faz aquisição do valor do pé
Faz aquisição do valor da mão
Envia valor para a serial (PC)
N
S
Fim
Início
Envia valor para a serial (PC)
Envia valor para a serial (PC)
Envia mensagem de erro caracter b
Envia valor para a serial (PC)
Figura 24 - Fluxograma do firmware do microcontrolador
34
5 Validação e Testes
Aqui temos a finalização do projeto, os ajustes necessários para o funcionamento
e os testes com indivíduos de diferentes taxas de gordura. Mostra como o equipamento
foi construído e como as medidas da taxa de gordura estão coerentes.
5.1 Construção e Alterações Para o projeto do esquemático do equipamento, utilizou-se o software “Orcad
10.5” e o mesmo software foi utilizado para a construção do Layout da placa que foi
projetada para ser de dupla face, porque em uma única face teria uma dimensão muito
grande.
Na construção da placa de circuito impresso, o projeto do layout foi impresso em
papel de impressão para fotos, mas a impressão deve ser feita em uma impressora a
laser, por causa do toner, que faz a transferência da impressão para a placa com mais
definição. Para que o processo de transferência ocorra, deve-se fixar a impressão em
uma placa de fenolite no lado do cobre e através de uma prensa que é aquecida em
torno de 200 graus centígrados é feito a transferência do circuito para o cobre, depois
deve-se mergulhar a placa em uma solução de percloreto de ferro, onde a parte que
não está com o desenho do layout é corroída, finalizando o processo de confecção do
circuito impresso.
O multiplexador CI 4066, que é uma chave analógica, possui um valor de
impedância de alguns ohms nos seus terminais que estão chaveados, onde poderia ser
utilizado para o controle dos sinais que precisam ser aquisicionados, como os sinais
tratados no projeto são de pequena intensidade, a solução adotada foi a utilização de
relês, que ao fecharem seus contatos possuem o equivalente a uma chave com zero
ohms de impedância, sendo possível fazer o controle dos sinais sem perder sinal.
Foi utilizada a porta P2 do microcontrolador para o controle dos sinais, o motivo
da mudança da porta P1 para P2, para o controle, foi devido o microcontrolador ter os
pinos de saída em pull-up em P1 e não conseguir ter corrente suficiente para ativar o
controle dos sinais. A porta P2 foi utilizada com sucesso, depois de colocar resistores
em sua saída e alimentá-los com Vcc, onde o sinal ficou mais forte devido ao aumento
de corrente, então o controle da aquisição dos sinais foi feito com sucesso.
Para a fonte simétrica projetada, também confeccionou-se uma placa de circuito
impresso que diminuiu ruídos e o tamanho.
35
No conversor A/D ADC0804, os pinos 5 e 3 que estão ligados juntos, é necessário
um pulso negativo para que a conversão de sinal analógico para digital seja feita, então
para a resolução desse problema, foi projetado um circuito com um transistor, onde sua
base é ligada ao reset do microcontrolador que tem um pulso negativo toda vez que se
liga o equipamento, assim é garantido um pulso negativo para o inicio da conversão.
Para se ter um padrão e saber como está a composição corporal do individuo
analisado tem-se um exemplo da composição molecular de um homem de 70 Kg onde
possui a seguinte configuração: 43,3% da massa corporal é à massa extracelular, e
56,6% de matéria intracelular. O corpo de um jovem adulto tem aproximadamente 60%
de água, 15-20% gordura, em torno de 15% proteína e um pouco mais de 5%
corresponde aos componentes minerais como o cálcio dos ossos. Quanto a faixa
percentual de gordura recomendável para adultos jovens, são para homens 8-15% e
16-23% para as mulheres: É considerado risco para a saúde quando o homem atinge
percentual de gordura igual ou superior a 25% e a mulher 32% (NAHAS, 1999).
Foi proposto colocar o cálculo do IMC (índice de massa corporal), e foi aplicada, já
que no projeto deve-se colocar o valor da altura (metros) e peso (Kilogramas), exemplo
de 1,80m e 86Kg, que segue um padrão internacional para calcular a obesidade de
acordo com a fórmula 5.1.
2AlturaPeso
IMC ? (5.1)
De acordo com a tabela 9 pode-se verificar o IMC de acordo com o padrão
internacional (Abeso, 2006).
Tabela 9 Tabela de índice de massa corporal
Categoria IMC
Abaixo do peso Abaixo de 18,5
Peso normal 18,5 – 24,9
Sobrepeso 25,0 – 29,9
Obesidade Grau I 30,0 – 34,9
Obesidade Grau I 35,0 – 39,9
Obesidade Grau I 40,0 e acima
O software mudou um pouco para comportar o valor de IMC e ficou de acordo
com a figura 25.
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Figura 25 - Software alterado
Como o microcontrolador utilizado não consegue fazer a conversão de números
de ponto flutuante, e sim somente de números inteiros, este problema foi solucionado
por um ajuste de software, que faz a divisão do valor aquisicionado por uma constante,
descoberta através de medidas utilizando-se do osciloscópio. Mediu-se o sinal da mão
com o osciloscópio e para aproximar o software de valores reais como do osciloscópio,
foi realizado uma divisão por “27” do valor de aquisição do equipamento. Para a
corrente que se gera através da passagem pelo resistor de shunt, e logo após pelo
corpo do avaliado, teve seu valor dividido por “26000”, pois assim pode-se ter um valor
de corrente bem próxima a que foi medida por um amperímetro que foi utilizado para
medir a passagem de corrente pelo corpo do indivíduo, e por fim foi feito uma divisão
por “26” o valor da tensão que saía do pé do avaliado. Então os valores de aquisição
foram próximos de valores medidos com um osciloscópio e um amperímetro. A foto do
projeto finalizado é mostrada de acordo com a figura 26.
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Figura 26 - Foto do projeto
A acomodação das placas internamente na caixa ficou como mostra a figura 27.
Figura 27- Acomodação das placas
Para a calibração foi utilizado um resistor de 470 ohms colocado entre os bornes
vermelhos do equipamento, e os bornes pretos foram colocados em curto, que simula a
resistência de uma pessoa, assim foi medida a corrente e as variações de tensão de
entrada e saída do resistor que simula o corpo humano, para que o equipamento fosse
calibrado.
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5.2 Testes
O teste foi gerado a partir de medidas em indivíduos que possuem diferentes
pesos, para que o equipamento possa ser testado e validar se realmente o
equipamento está calibrado e com medidas válidas, a tabela 10 mostra a medida em
alguns indivíduos.
Tabela 10 - Testes com indivíduos
Peso(Kg) Altura(Cm) Idade(Anos) Sexo Tx Gordura(%)
Deitado
Tx Gordura(%)
Pé
IMC
117 185 55 M 33 42 34,18
62 162 25 F 22 31 23,62
63 170 25 F 25 30 21,79
95 193 24 M 34 45 25,50
54 165 30 F 26 37 19,83
69 178 30 M 24 34 21,77
As aquisições foram efetuadas em decúbito dorsal (deitadas) onde se observou
um valor que seria o mais próximo do procurado, logo depois foi feita a aquisição em
pé para verificar o que ocorria, e para surpresa o valor aquisicionado mudava para uma
taxa de gordura superior a encontrada da primeira vez, foi verificado que a qualidade
das informações, pode ser alterada se não tomar os seguintes cuidados:
• Manter-se em jejum pelo menos nas 4 horas que antecedem o teste;
• Não realizar atividades físicas extenuantes nas 24 horas anteriores ao teste;
• Urinar pelo menos 30 minutos antes do teste;
• Não ingerir bebidas alcoólicas nas 48 horas anteriores ao teste;
• Não utilizar medicamentos diuréticos nos 7 dias que antecedem o teste.
• Permanecer, pelo menos, 5 a 10 minutos deitado em decúbito dorsal, em total
repouso antes da execução do teste.
Para se ter um nível de comparação é utilizado a tabela da Sociedade Latino
Americana de nutrição que mostra os valores da porcentagem de gordura corporal
através do método de bioimpedância (BIA) conforme mostra a tabela 11.
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Tabela 11 - Tabela da Sociedade Latino Americana de Nutrição
Então a variação da taxa de gordura é de 24,3 mais ou menos 8,4%, ou seja,
valores entre 15,9 e 32,7 que comprovam os valores medidos pelo equipamento
desenvolvido.
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6 Conclusões
Conclui-se que os problemas de saúde abrangem boa parte da população, devido
a uma taxa de gordura elevada. Este projeto procura desenvolver um equipamento que
mede a composição corporal de cada indivíduo, e procura ser de fácil manuseio para
que pessoas que não tenham familiaridade com softwares e computadores possam
fazer as medidas. O custo do equipamento procura ser de fácil acesso para que boa
parte da população possa usufruir do equipamento.
Com o desenvolvimento do trabalho pode-se perceber que o estudo em uma área
que não pertencia a engenharia, ajudou a entender um pouco mais de outras áreas e
que elas podem servir para implementar qualquer projeto.
Um problema enfrentado foi de o firmware não ser compilado para .hex, o que
demorou 4 semanas, para a resolução do problema foi feito a troca do compilador.
Outro software que teve que ser aprendido em 2 semanas foi o orcad para o uso do
layout para a confecção da placa de circuito impresso, onde finalmente a corrosão da
placa foi um sucesso. O microcontrolador estava usando a porta p0, mas devido a
dificuldade de acionamento dos relês a porta utilizada foi a p2. Um passo do trabalho
que foi bastante satisfatório, foi o de testes com indivíduos porque o equipamento já
estava funcionando e a proposta do trabalho estava sendo concluída.
Para que o equipamento se torne comercial, deve-se levar em consideração
melhorias, como a redução da placa utilizando componentes SMD, onde o
equipamento poderia se tornar mais portátil. O uso de baterias é essencial para que se
possa fazer medidas em qualquer lugar, o hardware deve ser refinado pois os valores
de aquisição são de números inteiros, devido a isso foi perdido informações, e a
solução encontrada para uma possível melhoria seria usar um microcontrolador que
tivesse um conversor A/D interno e que fizesse a conversão para ponto flutuante.
Os resultados dos avaliados sofreram alterações devido ao tipo do eletrodo
utilizado e o eletrodo com gel tornou-se dez vezes mais sensível que o eletrodo sem
gel, outra variação foi de os avaliados não seguirem as regras para a aquisição dos
parâmetros corporais, como de manter-se em jejum e não praticar exercícios físicos,
então os valores não podem ser levados em consideração, devido ao rigor das regras.
Outra facilidade para mostrar o resultado da avaliação dos parâmetros corporais
seria a inserção de um display de cristal líquido onde facilitaria a visualização e não
precisaria do uso de um PC para executar o software.
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Poucos indivíduos foram avaliados nesse projeto devido a falta de eletrodos e
ainda não foi possível seguir todas as regras para a aquisição dos valores de
composição corporal, mas com a avaliação desses indivíduos, foi possível verificar que
estavam próximos aos valores de taxa de gordura esperados de acordo com a tabela
latino americana de nutrição que mostra valores da taxa de gordura através do método
de bioimpedância.
O principal objetivo é abranger um determinado número de pessoas para que
tenham uma vida mais saudável e possam controlar seu peso com um equipamento
fácil de usar e manusear, pois a qualidade de vida para as pessoas com taxa de
gordura correta é maior que as pessoas que possuem a taxa elevada.
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7 Referências Bibliográficas
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Sites
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