Monitorização do Comportamento dos Sensores ...intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/40509.pdf · Jaime Henrique Silva Gonçalves ... Agradeço a todos que leram e propuseram

Monitorização do Comportamento dos Sensores

Piezoeléctricos e Piezorresistivos para próteses,

Via Wireless para um computador

Jaime Henrique Silva Gonçalves Nº40509

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Dissertação submetida à universidade do Minho para a obtenção

do grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e

Computadores

Outubro 2009

Dissertação realizada sob a orientação

científica do, doutor José Gerardo Vieira da

Rocha, Professor Auxiliar do Departamento

de Electrónica Industrial da Universidade do

Minho, e doutor João Pedro Santos H. A.

Alpuim, Professor Auxiliar do Departamento

de Física da Universidade do Minho

“Meu Caro Senhor, […] Há uma coisa que gostaria de perguntar-lhe. Quando um

matemático que estuda fenómenos físicos chega às conclusões, não

lhe será possível exprimi-las, na sua totalidade, em linguagem

corrente com a clareza e o carácter definido que as fórmulas

matemáticas permitem? Se assim for, seria decerto muito do nosso

agrado que o fizesse – traduzi-las dos seus hieróglifos, de modo que

possamos porventura estudá-las por meio da experiência.”

Royal Institution

13 de Novembro de 1987

Carta de Faraday para James Clerk Maxwell

v

vi

Agradecimentos

Os meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas que directamente ou

indirectamente estiveram envolvidas neste projecto e à consequente escrita desta

dissertação. Apenas serão mencionados alguns nomes, mas nunca esquecendo a

importância de cada um em cada momento.

Ao Doutor José Gerardo Vieira da Rocha agradeço a sua sempre

disponibilidade e rigor científico demonstrado. As suas sugestões oportunas

disponibilizadas no decorrer desta dissertação. Sem ele a mesma não seria possível.

Ao Doutor João Pedro Santos H. A. Alpuim pela ajuda do departamento de

Física numa componente deste trabalho, bem como todo o material que foi concedido.

Ao Doutor Senentxu Lanceros-Mendez do Departamento de Física, pelas

sugestões sempre úteis, para a realização deste trabalho.

Aos Professores do Departamento de Electrónica Industrial e Computadores,

pelo seu empenho e dedicação ao longo desta “caminhada”.

Ao Pessoal das Oficinas que sempre foi prestável e motivador, não só no

decorrer desta dissertação mas ao longo de todo o curso.

Agradeço aos meus amigos e colegas de curso. Poderia utilizar uma grande

quantidade de adjectivos, mas seriam poucos para os descrever. Aqui fica o meu

profundo agradecimento, não esquecendo de nenhum.

Aos meus amigos, pelo apoio nas horas difíceis. Apesar de não estarem

directamente envolvidos, a sua motivação foi imprescindível.

Agradeço a todos que leram e propuseram alterações na concepção desta

dissertação, pois nunca pensei que escrever bem fosse tão difícil.

Agradeço à minha falecida avó Maria, a sua bênção; à minha namorada

Liliana, o seu amor; ao Eng. Simão e Dr. Felisbela, sua amizade e ajuda desde o Ensino

Básico; ao Filipe e Eng. Sérgio, a sua amizade e humildade durante o curso; à Dr. Catia

e Enfª. Susana, por serem tão boas profissionais da Saúde; e ao António por ser bom

Físico.

Por último gostaria de agradecer às pessoas mais importantes deste mundo, os

meus Pais, que me deram o pão e ensino, muitas vezes tiraram da boca e sacrificaram-se

para me ajudar a terminar este curso, que foi a base para a redacção deste documento.

Obrigado, por me ensinarem o significado das palavras Trabalho, Luta e Perseverança.

vii

viii

Resumo

As próteses são dispositivos mecânicos que têm como propósito, substituir

membros do corpo que estejam “danificados” ou em falta. Fez-se uma análise da

Anatomia Humana, de modo a verificar quais os membros susceptíveis de serem

substituídos, causando o mínimo constrangimento possível ao seu utilizador.

Na implementação da prótese recorre-se à construção mecânica para criar as

articulações e a sua estrutura, e à electrónica para sua análise comportamental.

Nesta dissertação, descreve-se os transdutores piezoeléctricos e

piezorresistivos, ambos respondem a deformações mecânicas com sinais analógicos.

Estes transdutores utilizam como método de aquisição de dados, um sistema composto

por um microcontrolador ligado a um ADC (Conversor Analógico-Digital). O

microcontrolador faz aquisição de dados pelo ADC e envia os sinais adquiridos,

utilizando uma ligação wireless (radiofrequência) para um computador.

No computador desenvolveu-se um software, que faz a amostragem gráfica da

resposta em tensão das deformações na prótese.

Neste trabalho, as tecnologias não são totalmente desconhecidas. O efeito

inovador encontra-se na interligação dos equipamentos testados, permitindo a evolução

da capacidade motora do indivíduo, a nível da locomoção e gesticulação.

Neste sentido, fez-se uma avaliação do comportamento do sistema “músculo-

esquelético”, das distensões e articulações do corpo humano, assim como, o

comportamento das próteses existentes nele.

O sistema de leitura dos transdutores e a sua transmissão por wireless foi

testado em ambiente laboratorial. Os resultados experimentais mostram que o projecto é

viável, sendo capaz de medir as deformações dos transdutores através de variações de

tensão, enviando os dados sem fios, para um computador que se encontra à distância

aproximada de 10 metros.

ix

x

Abstract

The prostheses are mechanical devices that are intended to be artificial limbs.

There was a review of Human Anatomy, to verify which artificial limbs could be placed

without causing embarrassment to the user.

The implementation of the prosthesis appeals to the mechanical construction to

create the joints and electronics for behavioral analysis.

This dissertation describes the transducers piezoresistive and piezoelectric,

both responds to mechanical stress creating analog signals. The method used by the

transducers for data acquisition is a system composed by a microcontroller, which

converts analog signals to digital signals through an ADC (Analog to Digital

Converter). The microcontroller, in addition to the acquisition of data, sends the digital

signals by wireless (radio frequency) to a remote computer.

A computer software was developed to obtain the graphic sampling of tension

response to mechanical stress on prosthesis.

The technologies exposed in this dissertation aren’t completely new. The

innovation effect is on the interconnection between all tested equipment.

This technology is able to help individuals in their mobility (movement and

gesture), to measure and analyze the behavior of muscles, sprains and joints of the

human body, as well as the behavior of existing prostheses.

The reading system of transducers and the transmission of data over wireless

was tested in the laboratory. The experimental results show that the system is able to

measure the strain and stress changes, sending that information to a remote computer

placed at a distance of approximately 10 meters.

xi

xii

Índice

Agradecimentos ............................................................................................................ vii

Resumo ........................................................................................................................... ix

Abstract .......................................................................................................................... xi

Índice ............................................................................................................................ xiii

Lista de figuras .......................................................................................................... xviii

Lista de Tabelas ......................................................................................................... xxiii

Lista de Acrónimos e abreviaturas ........................................................................... xxv

Capítulo 1 Introdução .................................................................................................... 1

1.1 - Corpo Humano .................................................................................................................. 2

1.2 - Características esqueléticas e musculares ......................................................................... 2

1.2.1 - Análise Óssea ............................................................................................................. 3

1.2.2 - Articulações ............................................................................................................... 4

1.2.3 - Cartilagem, ligamentos e tendões .............................................................................. 4

1.2.4 - Ossos e músculos trabalham juntos ........................................................................... 5

1.3 - Sensores Musculares existentes ........................................................................................ 6

Mecanografia e Electromiografia .......................................................................................... 6

1.4 - Motivações ........................................................................................................................ 8

1.5 - Objectivos ......................................................................................................................... 8

1.6 - Organização da dissertação ............................................................................................... 9

1.7 - Palavras-chave .................................................................................................................. 9

1.8 – Bibliografia .................................................................................................................... 10

Capítulo 2 Próteses ....................................................................................................... 11

2.1 – Estrutura do Capítulo ..................................................................................................... 11

2.2 – Próteses e ortóteses......................................................................................................... 11

xiii

2.3 - Prótese endoesqueléctica e Prótese exoesqueléctica ....................................................... 11

2.3.1 - Próteses endoesqueléctica ........................................................................................ 12

2.3.2 - Próteses Exoesquelécticas ........................................................................................ 13

2.4 - Membro Superior ............................................................................................................ 13

2.4.1 - Mãos Passivas .......................................................................................................... 13

2.4.2 - Mãos Mecânicas....................................................................................................... 14

2.4.3 – Mãos Electrónicas ................................................................................................... 14

2.5 – Próteses de Membros Inferiores ..................................................................................... 17

2.5.1 – Pés Protéticos .......................................................................................................... 17

2.5.2 – Próteses para Amputações Transtibiais ................................................................... 18

2.5.3 - Próteses dos Tipos de Joelhos .................................................................................. 18

2.6 – Conclusões ..................................................................................................................... 21

2.7 - Bibliografia ..................................................................................................................... 22

Capítulo 3 Transdutores e Interfaces ......................................................................... 23


3.2 – Transdutores e Sensores ................................................................................................. 23

3.2.1 - “Smart Sensors” ....................................................................................................... 24

3.3 - Sensores Piezoeléctricos ................................................................................................. 24

3.3.1 - Propriedades electroactivas ...................................................................................... 25

3.3.2 - Piroeléctricidade ...................................................................................................... 26

3.3.3 - Ferroelectricidade .................................................................................................... 26

3.3.4 - Piezoelectricidade .................................................................................................... 27

3.3.5 – PoliFluoreto de Vinilideno ...................................................................................... 30

3.4 – Sensores Piezorresistivos ............................................................................................... 34

3.4.1 - Características do Sensor Piezorresistivo ................................................................ 34

3.4.2 - Processamento e Construção do Sensor Piezorresistivo .......................................... 40

3.5 – Conclusões ..................................................................................................................... 43

3.6 – Bibliografia .................................................................................................................... 44

xiv

Capítulo 4 Projecto e Construção dos módulos electrónicos .................................... 47


4.2 – Blocos dos circuitos electrónicos ................................................................................... 48

4.3 - Amplificador de instrumentação ..................................................................................... 50

4.4 – Alimentação ................................................................................................................... 51

4.4.1 - Regulador de Tensão 7805 ....................................................................................... 51

4.4.2 - LM185-2.5 ............................................................................................................... 52

4.5 – Construção do módulo alimentação ............................................................................... 52

4.5.1 – Conector de ligação entre módulos ......................................................................... 53

4.6 - Estudo prático do sensor piezorresistivo ......................................................................... 54

4.7 – Módulo de amplificação do sinal piezorresistivo ........................................................... 55

4.7.1 – Fabrico do sensor piezorresistivo ............................................................................ 55

4.7.2 – Módulo de amplificação do sensor piezorresistivo. ................................................ 60

4.8 – Módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico ......................................................... 62

4.8.1 – Ilustração e aplicação do sensor piezoeléctrico ....................................................... 62

4.8.2 - Módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico. .................................................. 63

4.9 - Gaiola de Faraday ........................................................................................................... 65

4.10 – Conversor ADC Série ................................................................................................... 66

4.11 – Microcontrolador 8052 ................................................................................................. 66

4.12 – Transmissão da Trama Série ........................................................................................ 67

4.13 – Construção do módulo de aquisição de dados .............................................................. 69

4.13.1 - Multiplexador ......................................................................................................... 71

4.14 – Firmware do Microcontrolador .................................................................................... 71

4.14.1 – Plataforma de desenvolvimento ............................................................................ 72

4.15 – Algoritmo do Microcontrolador ................................................................................... 72

4.15.1 – Algoritmo geral do Microcontrolador ................................................................... 72

4.15.2 - Algoritmo para o Controlar o ADC ....................................................................... 73

xv

4.15.3 - Algoritmo para transmissão de dados .................................................................... 75

4.16 – Construção do módulo de transmissão série ................................................................ 77

4.17 – Conceitos RF ................................................................................................................ 79

4.17.1 – Técnicas de Modulação ......................................................................................... 80

4.17.2 - O espectro electromagnético .................................................................................. 81

4.18 – Análise do Módulo Transmissor .................................................................................. 83

4.18.1 – Implementação do Módulo de Transmissão RF na Placa ..................................... 84

4.18.2 – Taxa de transmissão de dados ............................................................................... 85

4.19 - Análise e Implementação do Receptor RF .................................................................... 86

4.19.1 – Módulo AC-RX RF Receiver ................................................................................ 86

4.19.2 – Driver USB ............................................................................................................ 87

4.19.3 – Implementação da placa de Recepção de dados .................................................... 87

4.20 – Software ....................................................................................................................... 88

4.20.1 – Classe Série ........................................................................................................... 89

4.20.2 – Construção da classe de monitorização ................................................................. 89

4.20.3 – Construção dos Gráficos ....................................................................................... 91

4.21 – Conclusões ................................................................................................................... 93

4.22 - Bibliografia ................................................................................................................... 94

Capítulo 5 Resultados ................................................................................................... 97


5.2 – Funcionalidades dos módulos ........................................................................................ 97

5.2.1 - Distância de transmissão e a qualidade .................................................................... 99

Tempo de amostragem e Baud Rate dos dados ................................................................... 99

5.3 – Resultados dos Transdutores .......................................................................................... 99

5.3.1 - Resultado dos Sensores Piezorresistivos .................................................................. 99

5.3.2 – Resultado dos Sensores Piezoeléctricos ................................................................ 104

5.4 – Potência da placa de aquisição de dados ...................................................................... 107

5.5 - Desafios ........................................................................................................................ 107

xvi

5.6 – Preços e qualidade das placas ....................................................................................... 108

5.7 – Mercado e aplicações do produto ................................................................................. 112

5.8 – Conclusões ................................................................................................................... 113

5.9 – Bibliografia .................................................................................................................. 113

Capítulo 6 .................................................................................................................... 115

6.1 - Conclusão ...................................................................................................................... 115

6.2 - Trabalhos futuros .......................................................................................................... 116

Apêndice A .................................................................................................................. 117

Código do Microcontrolador ................................................................................................. 117

Apêndice B .................................................................................................................. 119

Código Microsoft Visual C++ ............................................................................................... 119

xvii

Lista de figuras

fig. 1-1 Secção transversal do osso do braço [4]. ............................................................. 3

fig. 1-2 Articulações do Corpo Humano [7]. .................................................................... 4

fig. 1-3 Músculos e ligação esquelética [4]. ..................................................................... 6

fig. 1-4 Electromiografia mede actividade muscular [6]. ................................................. 7

fig. 2-1Varias próteses endoesquelécticas [1]. ............................................................... 12

fig. 2-2 Prótese exoesqueléctica [3]. ............................................................................... 13

fig. 2-3 Membros Superiores - Próteses Mio eléctricas [5]. ........................................... 16

fig. 2-4 Pé Sach [7]. ........................................................................................................ 17

fig. 2-5 Pé articulado [7]. ................................................................................................ 17

fig. 2-6 Pés em Carbono [7] ........................................................................................... 18

fig. 2-7 Joelho com Sistema Hidráulico Rotativo [8]. .................................................... 19

fig. 2-8 Joelho Modular Poli cêntrico com unidade hidráulica em titânio [8]................ 19

fig. 2-9 Joelhos Protésico Biónicos [10] e [9]. ............................................................... 20

fig. 3-1 Exemplo de “Smart Sensors” actualmente [15]. ................................................ 24

fig. 3-2 Curva de histerese β-PVDF [6]. ......................................................................... 27

fig. 3-3 Efeito piezoeléctrico directo. Os piezoeléctricos quando sofrem uma força F,

desenvolvem um potencial [8]. ............................................................................... 27

fig. 3-4 Efeito piezoeléctrico inverso. Aplicando tensão estimula o crescimento do

cristal [10]. .............................................................................................................. 27

fig. 3-5 Efeito piezoeléctrico inverso. Alterando a polaridade da tensão aplicada, o

cristal fica mais curto ou mais largo [8]. ................................................................ 28

fig. 3-6 Circuito equivalente de um ressonador piezoeléctrico [4]. ................................ 30

fig. 3-7 Resposta em frequência (amplitude e fase) de um elemento piezoeléctrico [4]. 30

xviii

fig. 3-8 Representação das cristalites de polímero. a) Antes de estirar; b) Após estirar

[6]. .......................................................................................................................... 33

fig. 3-9 Teste de deformação do sensor piezorresistivo .............................................. 37

fig. 3-10 Esquema dos quatro pontos de flexão para aplicação de forças no filme [13]. 38

fig. 3-11 Gráfico de caracterização de deformação do sensor em 4 point bending, em a

variação das resistiva esta encontra-se do lado direito, e a deformação dele do lado

esquerdo [19]. ......................................................................................................... 39

fig. 3-12 Gráfico da variação resistiva em função da deformação mecânica dos 4 pontos

de deflexão. ............................................................................................................. 39

fig. 3-13 Compensador de temperatura de um sensor piezorresistivo baseado em

semicondutor [18]. .................................................................................................. 42

fig. 4-1 Diagrama de blocos do Modulo do sensor piezoeléctrico. ................................ 48

fig. 4-2 Diagrama de blocos do Modulo do sensor piezorresistivo ................................ 49

fig. 4-3 Diagramas de blocos da junção dos 2 sensores com efeito multiplexagem

analógica. ................................................................................................................ 49

fig. 4-4 Diagrama de blocos da placa receptora de dados RF. ....................................... 49

fig. 4-5 Amplificador de instrumentação INA114 da BURR-BROWN [1]. .................. 50

fig. 4-6 Foto da placa de aquisição de dados analógicos com evidência do sistema de

alimentação. ............................................................................................................ 52

fig. 4-7 Diagrama esquemático e placa de aquisição de dados analógicos e transmissão

RF, onde se pode ver a ligação do conector e o led de alimentação. ..................... 53

fig. 4-8 Ponte de Wheatstone [27]. ................................................................................. 54

fig. 4-9 Ponte de Wheatstone ligada a um sensor de pressão [10]. ................................ 54

fig. 4-10 Transdutor filme piezorresistivo. ..................................................................... 57

xix

fig. 4-11 -Gráfico que ilustra deformação da distancia a vermelho e da resistência a

preto, tudo isto em função do tempo. ..................................................................... 58

fig. 4-12 Gráfico de cálculo do factor Gauge. ................................................................ 58

fig. 4-13 Gráfico da deformação do sensor num divisor de tensão. ............................... 59

fig. 4-14 Foto da Ponte de Wheatstone para gerar diferença de potencial. .................... 59

fig. 4-15 Gráfico da diferença de potencial existente na ponte de Wheatstone. ............. 60

fig. 4-16 Diagrama esquemático e placa do módulo de amplificação do sensor

piezorresistivo. ........................................................................................................ 61

fig. 4-17 Diferentes perspectivas do módulo amplificador do sensor piezorresistivo. ... 61

fig. 4-18 Obtenção foto da construção do sensor [4]. ..................................................... 62

fig. 4-19 Diferença de potencial obtida nos eléctrodos do (β-PVDF), quando aplicado

um impulsos de pressão. ......................................................................................... 63

fig. 4-20 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezoeléctrico. .......................... 64

fig. 4-21 Diagrama esquemático e placa do módulo de amplificação do sensor

piezoeléctrico. ......................................................................................................... 64

fig. 4-22 Plano de massa do amplificador do sensor piezoeléctrico e a alimentação de

referência. ............................................................................................................... 65

fig. 4-23 Esquema da transmissão simplex [7]. .............................................................. 67

fig. 4-24 Esquema da transmissão half-duplex [7]. ........................................................ 67

fig. 4-25 Esquema de transmissão full-duplex [7]. ......................................................... 67

fig. 4-26 Foto do módulo transmissor de dados analógicos, com evidência dos itens de

aquisição de dados. ................................................................................................. 69

fig. 4-27 Diagrama esquemático com a exposição de módulos para aquisição de dados.

................................................................................................................................ 70

fig. 4-28 Teste nas placas com ADC série inserido. ....................................................... 72

xx

fig. 4-29 Fluxograma geral do algoritmo do microcontrolador. ..................................... 73

fig. 4-30 Fluxograma da função principal (main)........................................................... 74

fig. 4-31 Fluxograma da “interrupção externa 0” e “interrupção timer 0”. .................... 74

fig. 4-32 Fluxograma espera micro resposta do ADC. ................................................... 75

fig. 4-33 Fluxograma que lê os 12 bits do ADC para o microcontrolador. .................... 75

fig. 4-34 Fluxograma de transmissão pelo protocolo série. ............................................ 76

fig. 4-36 Ilustração do diagrama esquemático com evidenciação do módulo de

transmissão de parte do esquema da placa. ............................................................ 78

fig. 4-35 Foto da placa de transmissão de dados analógicos, com evidência da

comunicação da porta série..................................................................................... 78

fig. 4-37 Sinal electromagnético transmitido por uma antena [22]. ............................... 80

fig. 4-38 Onda portadora, dados e onda modulada [22]. ................................................ 80

fig. 4-39 Exemplo de ondas de modulação de frequências FM [22]. ............................. 81

fig. 4-40 Formas de onda de sinusoidais moduladas [21]. ............................................. 81

fig. 4-41 Espectro electromagnético ilustrado [22]. ....................................................... 82

fig. 4-42 Foto do módulo transmissor TX433N (433.92Hz) [15]. ................................. 83

fig. 4-43 Foto da placa com evidência do módulo de transmissão RF ........................... 84

fig. 4-44 Diagrama esquemático da placa de PCB com evidencia do desenho da antena.

................................................................................................................................ 85

fig. 4-45 Modulo “AC-RX Receiver (433.92MHz)” [16]. ............................................. 86

fig. 4-46 Cabo de USB [10]. ........................................................................................... 87

fig. 4-48 Diagrama do circuito impresso da placa de recepção de dados RF. ................ 88

fig. 4-47 Placa de recepção de dados RF. ....................................................................... 88

fig. 4-49 Pseudo- Código da programação feita em C++. .............................................. 90

fig. 4-50 Imprime dados em MFC. ................................................................................. 91

xxi

fig. 4-51 Gráfico para sensor piezorresistivo.................................................................. 92

fig. 4-52 Gráfico para o sensor piezoeléctrico. ............................................................... 92

fig. 5-1 Placa de transmissão de dados analógicos, evidenciando as suas aplicações. ... 98

fig. 5-2 Placa de recepção de dados RF. ......................................................................... 98

fig. 5-3 Caracterização da piezorresistência de 1,022 KΩ com compósito de carbono.

.............................................................................................................................. 101

fig. 5-4 Gráfico do factor Gauge do sensor piezorresistivo com fibras de carbono. .... 102

fig. 5-5 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezorresistivo. ......................... 102

fig. 5-6 Diferença de potencial da ponte de Wheatstone medida directamente no

multímetro digital. ................................................................................................ 103

fig. 5-7 Gráfico do sensor piezorresistivo adquirido por wireless. ............................... 103

fig. 5-8 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezoeléctrico. .......................... 104

fig. 5-9 Medição do sensor piezoeléctrico. ................................................................... 105

fig. 5-10 Gráfico do Sensor piezoeléctrico menos estável. .......................................... 106

fig. 5-11 Gráfico do sensor piezoeléctrico mais estável. .............................................. 106

fig. 5-12 Diagrama esquemático da placa de recepção de dados RF. .......................... 109

fig. 5-13 Diagrama esquemático de placa de transmissão de dados analógicos. .......... 111

fig. 5-14 Diagrama de estudo do mercado. ................................................................... 112

xxii

Lista de Tabelas

Tabela 3-1 Comparação dos valores de permissividade relativa de alguns materiais

poliméricos [4]. ....................................................................................................... 31

Tabela 3-2 Propriedades dos filmes de ( c-Si H) do tipo n depositados em plástico a

Hot Wire (HW) [20]. .............................................................................................. 41

Tabela 3-3 Propriedades dos filmes de ( c-Si H) do tipo p depositados em plástico a

Hot Wire (HW) [20].[13] ....................................................................................... 42

Tabela 4-1 Função de cada pino do conector das placas de amplificação e de

transmissão. ............................................................................................................ 53

Tabela 4-2 Ligações do conector do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico.65

Tabela 4-3 Ligações do conector de módulos. ............................................................... 70

Tabela 4-4 Operação de bandas livres ISM (Industrial, Scientific and Medical) [21]. .. 83

Tabela 4-5 Características eléctricas, T=25º C, Vcc=3,6v e Freq=433.92MHz [15]. .... 84

Tabela 5-1Consumo de corrente das baterias pela placa de aquisição de dados, nos

diferentes modos de transmissão. ......................................................................... 107

Tabela 5-2Material utilizado na construção da placa de amplificação do sensor

piezorresistivo. ...................................................................................................... 108

Tabela 5-3Material utilizado na construção da placa de amplificação do sensor

piezoeléctrico. ....................................................................................................... 108

Tabela 5-4 Material utilizado na construção da placa de recepção de dados RF. ........ 109

Tabela 5-5 Material utilizado na construção da placa de aquisição de dados. ............. 110

xxiii

xxiv

Lista de Acrónimos e abreviaturas

UHV Ultra high Vaccum

HV Higf Vaccum

RF Radiofrequência

CVD Deposição de vapor químico (processo de produtos de alta pureza)

HW Hot Wire

ATP Trifosfato de adenosina molécula universal condutora de energia

ADC Analogic Digital Converter

DAC Digital to Analog Converter

EMG Electromiografia

MMG Mecanomiografia

VMG Vibromiografia

PVDF Poli Fluretto de Vinilideo

Y Young elasticidade do material

GF Factor gauge

m Metros

mm Milímetros

Â Angtones 1 10 metros

PET Polietileno tereftalano

PI Polimida

IEEE Institute of Electrical and Eletronics Engineers

SNA Sensor Network Analyser

UART Universal asynchronous receiver/transmitter

USART Universal synchronous-asynchronous receiver/transmitter

U M Universidade do Minho

WLAN Wireless Local Area Network

Wi-Fi Wireless Fidelity

v Volt

Hz

Variação do tempo

Hertz

Corrente

xxv

Tensão de Saída

Tensão de entrada

Potência de Saída

Corrente de Saída

Corrente de Entrada

ISR Interrupt service Routine

λ É o comprimento de onda.

c É a velocidade da luz no meio em questão

f É a frequência do sinal

AM Modulação por Amplitude

FM Modulação por Frequência

PM Modulação por Fase

ASK Amplitude Shift Keying

FSK Frequency Shift Keying FSK

PSK Phase Shift Keying — PSK

E É o valor RMS do campo eléctrico, V/metro.

H É o valor RMS do campo magnético, A/metro.

Z

c-Si H Nano cristais de silício

É a impedância característica do meio, ohms.

Rg Resistência do sensor piezorresistivo

RG Resistência de ganho do amplificador

rpm Rotações por minuto

PWM Pulse Width Modulation

xxvi

Capítulo 1

Capítulo 1

Introdução

O corpo humano é uma máquina natural, que por vezes se encontra incompleta,

para superar essa deficiência são utilizadas próteses. Estas advêm de amputações, que

podem ser causadas por acidentes, patologias crónicas (Diabetes Mellitus, Insuficiência

vascular), tumores ou má formação congénita [1].

A história protésica remete os seus utilizadores para próteses simples e básicas,

que pouco ou nada ajudam na vida quotidiana, porém esse tipo de próteses tende a ser

ultrapassada pela cyber-tecnologia, que alia ao corpo humano partes electrotécnicas.

A Electrónica é um conceito novo na era Humanista, assim como, a sua

utilização na Anatomia Humana. No entanto, com o decorrer do avanço tecnológico

foram atingidos níveis significativos na inter-relação destas duas áreas. Com a

realização deste projecto, pretende-se dar um contributo, na área da Engenharia,

fazendo mais uma vez, a conexão entre o estudo da Física e o quotidiano comum.

Tendo em conta a perspectiva do utilizador protésico e considerando que os infortúnios

acontecem, cabe a todos os profissionais, das diferentes áreas, ajudar estas pessoas a

encontrar um novo rumo.

Neste projecto, as tecnologias não são totalmente desconhecidas; o efeito

inovador prende-se com a sua interligação. Em primeiro lugar, será realizado um breve

estudo do corpo humano, abordando o sistema esquelético, muscular e também as suas

articulações e distensões. Posteriormente, será efectuado um estudo protésico, assim

como uma análise dos seus comportamentos, com o intuito de introduzir o conceito de

sensor filme, sendo estes sensores piezoeléctricos e piezorresistivos. Na parte relativa à

Electrónica, será feita a leitura do mundo físico através destes transdutores, com uma

leitura analógica controlada e convertida posteriormente em digital. Com esta análise

pode-se construir um sistema portátil, capaz de enviar um sinal físico através de ondas

de radiofrequência, para um sistema de monitorização instalado no computador.

Estes sistemas pré-desenvolvidos serão implementados para análise do

comportamento do corpo humano e do sistema protésico, fazendo a análise das

articulações e distensões, tal como a sua robustez estrutural.

Universidade do Minho 1

Introdução

1.1 - Corpo Humano

Os músculos, os tendões e os ossos estão eficazmente conjugados para

proporcionarem um bom sistema de movimentos, que juntamente com a cartilagem das

articulações e ligamentos permitem uma vasta actividade [3].

Para a maquinaria humana entrar em execução, são iniciados movimentos

voluntários aferentes aos músculos motores, que em contracção, interagem no sentido

de produzirem forças. O cérebro, pode fazer com que os músculos se movam

paralelamente, através de impulsos nervosos, que levam à libertação de

neurotransmissores (nomeadamente a acetilcolina). No entanto, para que os

neurotransmissores sejam libertados, é necessária a existência de iões de cálcio no meio

intersticial. Estes neurotransmissores geram um potencial de acção muscular que

percorre toda a fibra. Este potencial combinado com a existência da fonte energética,

ATP, provoca a contracção muscular.

Quando uma pessoa perde algum membro do corpo, este pode ser substituído,

o que constitui um desafio. Isto é possível, recorrendo à Engenharia, que consiste em

adaptar dispositivos electrónicos e mecânicos em organismos vivos. Uma prótese, por

exemplo, responde a qualquer impulso nervoso, tornando-se uma substituição ideal.

1.2 - Características esqueléticas e musculares

O esqueleto humano, é um conjunto organizado de ossos, cartilagens e

ligamentos, que se interligam para formar e estabilizar o arcabouço do corpo [4].

O sistema esquelético é composto por 206 peças duras, resistentes e flexíveis

chamadas “ossos”.

Este sistema apresenta como principal função a sustentação do corpo, contudo,

demonstra outras funções com grande relevância, assim como [4]:

• Protecção dos órgãos internos, nomeadamente os órgãos nobres tais como o

cérebro, coração e pulmões;

• Constituição de pontos de apoio, para a fixação dos músculos que permitem o

movimento;

• Função Hematopoiética (formação das células sanguíneas: glóbulos vermelhos,

leucócitos e plaquetas sanguíneas), desenvolvida na medula óssea vermelha de

2 Departamento de Electrónica Industrial

Capítulo 1

alguns ossos, como o crânio, coluna, bacia, costelas e as cabeças dos ossos do

braço e coxa fig. 1-1;

• Função de Homeostase mineral, ou seja, permitem uma reserva de sais

minerais, principalmente de cálcio e fósforo, que são fundamentais para o

funcionamento das células e devem estar presentes no sangue. Quando o nível

de cálcio diminui no sangue, os sais de cálcio são mobilizados dos ossos para o

sangue para suprir a deficiência;

• Armazenamento de energia, uma vez que o tecido adiposo da medula óssea

amarela, permite a reserva de lípidos.

fig. 1-1 Secção transversal do osso do braço [4].

Pode dividir-se o esqueleto em duas categorias: o esqueleto axial e o esqueleto

apendicular [4].

O esqueleto axial é formado pelos ossos do eixo principal do corpo e pelas

paredes corporais, como por exemplo, o crânio, a coluna vertebral e as costelas.

O esqueleto apendicular é formado pelos ossos das extremidades, tanto

superiores como inferiores, sendo esses os ossos dos ombros (a cintura peitoral), do

quadril (a pélvis), que fazem a ligação aos membros do esqueleto axial.

1.2.1 - Análise Óssea

É nos ossos que se inserem os músculos, por intermédio dos tendões [4].

As cartilagens são partes moles que cobrem as extremidades dos ossos, fazendo

parte da estrutura do nariz, do pavilhão do ouvido, das costelas e dos ligamentos que

ligam os ossos às articulações.

Quimicamente, os ossos estão formados por (34%) de matéria orgânica e por

(66%) de matéria inorgânica. A parte orgânica é composta principalmente por uma


Introdução

proteína (colagénio), que concede elasticidade, flexibilidade e resistência. A parte

inorgânica é formada por sais minerais, como fosfato de cálcio que confere dureza e

rigidez aos ossos.

1.2.2 - Articulações

Articulações são o ponto de contacto entre os ossos. A estrutura da junção

determina como esta funciona. Algumas articulações não permitem movimento, estando

os ossos fortemente unidos, como por exemplo as suturas craneais. Outras apresentam

uma leve mobilidade, não estando os ossos tão apertados, de modo que permite alguma

flexibilidade, sendo o caso da coluna vertebral (fig. 1-2). Por fim, temos as articulações

livremente móveis, que permitem o movimento do corpo. Estas últimas têm uma grande

variedade de formas, permitindo realizar variados tipos de movimentos. As articulações

de movimento livre dividem-se, principalmente, em dois tipos [7]:

• Tipo "bola-e-soquete" - Nos ombros, possibilitando movimentos giratórios dos

braços.

• Tipo "dobradiça" - Nos joelhos e cotovelos, permitindo dobrar.

fig. 1-2 Articulações do Corpo Humano [7].

Como se vê na fig. 1-2, os ossos de uma articulação têm de deslizar um sobre o

outro, suavemente e sem atrito, para não sofrerem erosão. Numa articulação, os ossos

são mantidos nos devidos lugares por meio de cordões resistentes, constituídos por

tecidos conjuntivos fibrosos e pelos ligamentos, que estão firmemente presos às

membranas, que revestem os ossos [7].

1.2.3 - Cartilagem, ligamentos e tendões

Como já foi referido, o material que permite aos ossos manterem-se juntos,

ligados aos músculos e protegidos contra choques é o tecido conjuntivo. [7] Este tecido


Capítulo 1

é um material simples, que preenche as lacunas entre os órgãos. O tecido conjuntivo é

constituído por material resistente semelhante à borracha, no qual, as células se

encaixam, junto com as fibras de reforço, que são faixas fortes e brancas de colagénio,

ou amarelas e elásticas de elastina [4].

Enquanto a maior parte do osso endurece gradualmente, conforme o seu

crescimento, as extremidades dos ossos permanecem como cartilagem e fazem de

almofada elástica nas articulações. A cartilagem é também encontrada em outras partes

do corpo, sustentando e protegendo os órgãos [7].

Os ligamentos são resistentes faixas de tecido, constituídos quase inteiramente

por fibras e mantêm os ossos juntos. Os ligamentos seguram as articulações, para

impedir os seus movimentos na direcção errada, enquanto permitem que estas se

dobrem livremente.

Os tendões são como cordas elásticas, constituídos por feixes de fibras de

colagénio. Juntam os músculos aos ossos e a outras partes do corpo permitindo aos

músculos exercer a acção de puxar. Os tendões são geralmente cobertos por uma bainha

escorregadia que os ajudam a mover-se suavemente [4].

1.2.4 - Ossos e músculos trabalham juntos

O esqueleto e os músculos, um sem o outro são inúteis, pois precisam de

trabalhar juntos, para serem capazes de efectuar movimentos. Para isso, são necessárias

explicações muito complicadas e específicas vindas do cérebro. O cérebro, por sua vez,

precisa de informações dos órgãos dos sentidos, para lhe dizerem se os movimentos

estão a ser levados a cabo apropriadamente [4].

O sistema (esqueleto/músculos) é capaz de executar uma grande variedade de

tarefas, podendo trabalhar sem que se perceba, quando alguém se inclina,

automaticamente, para manter o equilíbrio. Isso envolve o movimento de dezenas de

músculos, os ossos da coluna, quadril e ombros, sendo feito o controlo automático de

tudo pelo cérebro. A fig. 1-3 ilustra os músculos e o esqueleto.

Outras acções físicas precisam de bastante raciocínio, necessitando de uma

concentração enorme, habilidade e prática. Um atleta ou um nadador pode fazer actuar o

esqueleto inteiro e centenas de músculos com uma força tremenda. Um músico pode

usar apenas os ossos e os músculos das mãos e braços, mas os movimentos são

pequenos, delicados e muitíssimo precisos [4].


Introdução

fig. 1-3 Músculos e ligação esquelética [4].

1.3 - Sensores Musculares existentes

Alguns sensores musculares têm sofrido inovações, sendo estes os sensores

mecanográficos e electromiográficos.

Mecanografia e Electromiografia

Sempre que um músculo se contrai produz vibrações/sons. A primeira

observação de que os músculos esqueléticos produziam vibrações/sons ao contraírem-se

foi feita há mais de trezentos anos [5].

O primeiro relato sobre a auscultação de sons musculares foi apresentado pelo

monge italiano Grimaldi em 1665. Ao colocar os polegares nas orelhas de forma a

cobrir o canal auditivo, os sons musculares foram percebidos como sons ruidosos,

quando o indivíduo fechava o punho com os cotovelos elevados. Esses ruídos, foram

interpretados por Grimaldi, na época, como representativos do movimento contínuo

apressado dos espíritos.

No entanto, estas técnicas não foram desenvolvidas, porque a tecnologia

necessária para detectar e processar os sinais mecanomiograficos (MMG) com eficácia,

não estava disponível. O principal instrumento que poderia ter sido usado para detectar


Capítulo 1

os sons musculares, o estetoscópio, tinha a limitação de eliminar a maior parte do sinal

fisiológico devido à sua faixa de frequência.

Só recentemente, com o desenvolvimento de sensores electrónicos,

computadores capazes de conectar, armazenar e processar grandes quantidades de sinais

ou informações, é que a mecanomiografia veio a ser utilizada para estudar a função

muscular.

A mecanomiografia (MMG), ou vibromiografia (VMG), é uma técnica recente,

que regista as vibrações do músculo-esquelético, que ocorrem quando este se contrai.

Electromiografia (EMG) é, literalmente, o escrever (registar) a actividade

eléctrica muscular. A palavra electromiografia em sentido lato refere-se ao estudo da

actividade eléctrica dos músculos e nervos. Quando os músculos estão activos,

produzem uma corrente eléctrica significativa. Esta corrente é geralmente proporcional

ao nível de actividade muscular [5].

Uma EMG (fig. 1-4) pode ser útil na detecção de actividade eléctrica muscular

anormal, o que pode ocorrer em muitas patologias e condições, sejam elas com origem

no músculo ou devido a lesões dos respectivos nervos [6].

fig. 1-4 Electromiografia mede actividade muscular [6].

A mecanomiografia (MMG) apresenta características semelhantes às da

electromiografia (EMG) de superfície, com a vantagem de ser uma técnica não invasiva

e de fornecer informações relativas aos padrões de activação eléctrica. A MMG tem a

vantagem sobre a EMG de fornecer, também, informações relativas à produção de força

no músculo. No entanto, por ser uma técnica relativamente nova, tem a desvantagem de

não ter sido suficientemente estudada como foi a EMG, de forma que o número de

trabalhos científicos produzidos na área é ainda relativamente pequeno [5].


Introdução

1.4 - Motivações

Actualmente a maioria dos equipamentos médicos hospitalares são automáticos

e a sua interacção com os computadores e respectivas bases de dados é feita de uma

forma totalmente transparente.

Esta dissertação enquadra-se num projecto, que incide sobre o corpo humano e

suas limitações no índice protésico. O projecto terá como finalidade, uma prótese

eléctrica que gere energia com sensores piezoeléctricos. A sua monitorização será

efectuada com sensores piezorresistivos e piezoeléctricos, permitindo o conhecimento

da pressão exercida na prótese e a robustez desta, para nela verificar a força exercida

por efeito da gravidade, assim como pelo deslocamento. Os transdutores terão como

objectivo medir a força aplicada à prótese e o seu impacto, tal como a sua dobragem,

enviando os sinais para um computador para posterior análise.

O que se pretende com este projecto, é medir de forma automática a força e

pressão exercidas por um paciente nas próteses de modo a simplificar, o processo de

adaptação às mesmas, tudo isto sem haver contacto directo, usando wireless.

1.5 - Objectivos

O objectivo global do projecto em que este trabalho se insere, é a análise do

comportamento das reacções musculares, das distensões e articulações do corpo

humano, assim como o comportamento de próteses existentes nele. Usando para esse

efeito sensores flexíveis piezoeléctricos e piezorresistivos.

No âmbito desta dissertação, será implementada a aquisição de dados dos

sensores e a sua transmissão sem fios via RF, sendo este um sistema autónomo e

portátil.

O microcontrolador fará a leitura, controlo digital e comunicação via RF.

O controlo analógico será feito na leitura do sensor piezoeléctrico e

piezorresistivo, que terá de ser capaz de ler os sinais de ambos e enviar o sinal para o

conversor analógico digital. A conversão é auxiliada pelo microcontrolador, que

também procede ao envio dos dados digitais através de um módulo de transmissão RF.

O comportamento dos sensores será monitorizado num computador, com

sistema operativo Windows XP e um software desenvolvido em Microsoft Visual C++.


Capítulo 1

1.6 - Organização da dissertação

Tendo em conta o objectivo global deste projecto, foi feito um estudo em

relação aos aspectos teóricos e práticos do tema em questão e organizou-se esta

dissertação do seguinte modo:

• No capítulo 2, é feita a ilustração dos diferentes tipos de auxílios mecânicos

(próteses), e a especificação dos diferentes membros, tal como a aplicação ao

corpo humano, consoante a deficiência.

• O capítulo 3 dedica-se à análise teórica dos transdutores e alguns interfaces.

Ilustra uma análise teórica dos sensores piezoeléctricos e piezorresistivos.

• O capítulo 4, concentra-se no estudo dos circuitos electrónicos que estão

envolvidos, quer na activação do sensor, quer na leitura do sinal pretendido e

transmissão do mesmo.

• No capítulo 5, são apresentados os resultados experimentais, bem como uma

apreciação dos mesmos.

• Por fim, no capítulo 6, são transcritas algumas conclusões e sugestões para

trabalho futuro.

1.7 - Palavras-chave

Corpo Humano, Próteses, sensores piezoeléctricos, sensores piezorresistivos,

aquisição de dados (ADC), Microcontrolador, RF e software de monitorização.


Introdução


1.8 – Bibliografia

[1] Cardoso, G. (2007). Prótese e Ortóteses; Consultado a 09/01/09; Instituto

Superior de Saúde do Alto Vale.

[2] Bodanis, D.(2008) O UNIVERSO ELÉCTRICO (1ªed.); Consultado a 09/01/09;

Gradiva; p. 5.

[3] Sabino, Cesar. O Peso da Forma. (s.d.); Consultado na World Wide Web a 15/03/09: <http://www.antropologia.com.br/divu/colab/d20-csabino.pdf>.

[4] Portal São Francisco Sistema esquelético. (s.d.). Consultado na World Wide

Web a 15/03/09: <www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/corpo-humano-sistema-

esqueletico/index.php >.

[5] Vaz, M. A.& Herzog, W. (1999) A mecanografia como técnica não -invasiva

para estudo da função muscular; Consultado na World Wide Web a 17/03/09:

<http://www.seer.ufrgs.br/index.php/Movimento/article/viewFile/2450/1118>.

[6] Cervantes, P. J.R.(s.d.) Biomecánica e Ergonomia; Consultado na World Wide

Web a 18/03/09: <http://www.cinei.uji.es/d3/equipamiento/equipamiento.htm>.

[7] Putz, R. & Pabst R. (2000) Atlas de Anatomia Humana Sobotta (21ª ed.);

Consultado a 15/03/09 na Guanabara Koogan; p.45-90.

mailto:[email protected]

Capítulo 2

Capítulo 2 Próteses

2.1 – Estrutura do Capítulo

Após esta secção, é definido o conceito de próteses fazendo a distinção entre

próteses e ortóteses (2.2).

Na secção 2.3, é feita a caracterização das próteses, podendo estas ser

endoesquelécticas e exoesquelécticas.

Na secção 2.4 é efectuada a apresentação de próteses de membros superiores

existentes e adequadas a diferentes pacientes, sendo estas de diversos tipos como

passivas, mecânicas e electrónicas.

Na secção 2.5 são mostradas as próteses de membros inferiores, sendo

adequadas às diferentes amputações dos pacientes. As próteses mostradas são, os

diferentes tipos de pés e joelhos bem como próteses para amputações transtibiais.

Na secção 2.6 apresentam-se as conclusões, que sumarizam este capítulo. Por

fim, na secção 2.7 encontram-se as referências bibliográficas de todo o capítulo.

2.2 – Próteses e ortóteses

As próteses e as ortóteses são dois tipos de componentes ortopédicos. Chama-

se prótese a todas as substâncias artificias que substituem partes do Corpo Humano,

podendo ser internas ou externas. Exemplos: braços, mãos, dedos, pés, pernas, olhos,

dentes, orelhas, partes do rosto, nariz, artérias e válvulas nitrais [11].

Chamam-se ortóteses a aparelhos ortopédicos que corrigem, sustentam,

estabilizam e compensam, patologias e deformidades de vários motivos.

2.3 - Prótese endoesqueléctica e Prótese exoesqueléctica

As próteses substituem partes do corpo humano por meio artificial, o que difere

de transplante, que substitui órgãos de partes humanas [11].


Próteses

2.3.1 - Próteses endoesqueléctica

As próteses endoesquelécticas, podem ser utilizadas em vários níveis de

amputação, com as excepções das amputações parciais do pé e do tornozelo. Os joelhos

modulares encontram-se em grande número no mercado, com modelos que variam

desde os monocêntricos com trava, até aos policêntricos com unidades hidráulicas e

pneumáticas. Os materiais empregues podem ser aço, titânio e alumínio. Os ajustes e as

correcções de alinhamento, podem ser estáticos e ser realizados mediante os

adaptadores, os quais são compostos por quatro parafusos, permitindo as alterações nos

planos sagital, frontal, horizontal e também movimentos de translação. Com este

sistema é possível executar uma troca rápida de componentes, sem que exista a perda do

alinhamento anterior [1].

As próteses endoesquelécticas, são consideradas superiores às convencionais,

sob o ponto de vista funcional e estético, principalmente nas articulações de joelhos e

das ancas e nas amputações transfemorais. Adaptadores de rotação e torção, podem ser

utilizados em próteses endoesquelécticas, dando maior liberdade de movimentos e

conforto no uso [2].

As próteses endoesquelécticas [1]:

• Tem um acabamento externo em espuma

• Internamente, são constituídas por um esqueleto modular (vários nódulos que

constituem o esqueleto e que são o suporte da prótese).

• Têm configurações externas exactamente iguais ao do membro contra lateral.

• Têm um acabamento externo em meia, de acordo com a cor da pele do paciente.

• Constituem cerca de 90% das próteses existentes em Portugal

• Pelo facto de serem modulares, é possível substituir qualquer um dos constituintes

em pouco tempo. São mais leves, mais caras, mas são, também, as mais estéticas [1].

A fig. 2-1 ilustra vários tipos de próteses endoesquelécticas.

fig. 2-1Varias próteses endoesquelécticas [1].


Capítulo 2

2.3.2 - Próteses Exoesquelécticas

A prótese exoesqueléctica é uma prótese barata, pesada, esteticamente

imperfeita e é fabricada, normalmente, em madeira sendo posteriormente plastificada à

cor da perna. Apresenta uma forma de fixação supra-condiliana e as paredes

proporcionam, além da sustentação, o acabamento estético. As próteses produzidas com

componentes plásticos são, geralmente, utilizadas para confecção de próteses de banho

e geriártricas. As mesmas podem ser utilizadas para todos os tipos de amputações. Pode

ver-se na fig. 2-2 esse tipo prótese. Em alguns casos, faz-se o uso de componentes

modulares, como por exemplo, em pacientes com amputações transfemorais e

desarticulação do joelho. As articulações de joelho convencionais, são mais simples e

não permitem aos pacientes a realização de actividades exigentes e complexas. Pode-se

citar como vantagens do sistema exoesquelético, a resistência, a durabilidade e a pouca

manutenção das próteses. No entanto, encontra-se como desvantagens uma estética

menos agradável, menos opções de componentes, dificuldades para realinhamentos e

impossibilidade de intercâmbio rápido de componentes [2].

fig. 2-2 Prótese exoesqueléctica [3].

2.4 - Membro Superior A mão protésica pode ser passiva, mecânica ou electrónica, podendo possuir

acabamentos estéticos [11].

2.4.1 - Mãos Passivas Não têm actividade nenhuma, tem efeito puramente estético [4].


Próteses

2.4.2 - Mãos Mecânicas

Funcionam por tracção, o braço levanta quando este faz a abdução das

omoplatas, para promover a flexão do cotovelo [11].

Mãos de um tiro Para que a mão funcione o cotovelo tem de estar trancado, pois caso contrário,

ele pensa que está a flectir a mão e está a flectir o cotovelo. Apresenta como

desvantagem, o facto de ao elevar o braço, a mão abre e deixa cair o objecto.

Mãos de dois tiros Para fazer a abertura da mão é efectuado um tiro, para o fecho da mão é

efectuado outro tiro.

2.4.3 – Mãos Electrónicas

As próteses electrónicas podem ser do transcubito, radial (antebraço),

transumeral (braço) e de desarticulação do ombro. Em qualquer destas circunstâncias

pode ter prono-supinação. Este tipo de próteses apresenta várias funcionalidades [5]:

• A PRONAÇÃO facilita, entre outras coisas, o afastamento dos cotovelos, neste

caso, solicita os músculos fixadores das omoplatas, activa ou passiva, dependendo do

tamanho do coto;

• Permitem abrir e fechar a mão, acumulando até 15 kg de força;

• Os kits do braço compreendem dois acumuladores;

• São recarregáveis e permitem trabalhar durante 12 horas, a potência é de 6 watts;

• São compostas por chassis de alumínio;

• Têm um microprocessador;

• Não tem sensibilidade; Têm grande aproveitamento da função.

São colocados dois eléctrodos ao nível da origem dos flexores e extensores do

punho. Quando estes músculos contraem, induzem o movimento respectivo na mão

electrónica (extensão do punho provoca a abertura da mão, flexão do punho provoca o

fecho da mão) [11].

O transcubito radial pode ter prono-supinação activa ou eléctrica, dependendo

do comprimento do coto. Os dois músculos, que fazem funcionar a mão são os flexores

e os extensores do punho. Os flectores fazem flexão do punho e os extensores a

estiragem da mão.


Capítulo 2

A mão transumeral é activada por dois músculos, o bicípite e o tricípite, que

funcionam também como sensores.

A Prótese Mio eléctrica é a mão electrónica, mais conhecida e avançada do

mercado. Esta prótese é composta por [4]:

• Dois eléctrodos sensores, que actuam nos flexores e extensores da mão;

• Uma estação electrónica, que leva ao processamento dos eléctrodos;

• Eléctrodos de busca, que vão procurar o maior sinal electromiográfico que

é emitido na análise dos músculos. Estes eléctrodos estão ligados a um sistema de

aquisição de dados.

As próteses mio eléctricas, podem ser calibradas por análise de gráficos.

Através dos eléctrodos, faz-se uma recolha de dados, para futuramente darem origem

aos gráficos de análise. Esta recolha de dados, pode ser feita online ou presencialmente.

A partir dos gráficos é possível [5]:

• Saber com que velocidade, a mão abriu e fechou;

• Afinar a sensibilidade do amputado;

• Estar on-line com o fabricante, que aconselha qual é a melhor mão a utilizar,

a partir da sensibilidade que a mão do paciente necessita.

Actualmente, é possível aplicar um chip na mão para recolha de sinais, ao

contrário do que sucedia no passado, em que as mãos só abriam, fechavam e faziam

prono- supinação [11].

Nos punhos de mudanças rápidas, usa-se a aplicação de um gancho de trabalho

ao nível do punho, este gancho só abre, fecha, faz prono- supinação e tem uma roda que

serve para regular a força de preensão (agarrar) [5].

Em quase toda actividade humana, utiliza-se os três primeiros dedos, por isso

na mão mecânica só existe chip para esses mesmos dedos [11].

Os sinais são captados e amplificados, através de eléctrodos sendo enviados a

um microprocessador, responsável pelo controlo dos movimentos da mão. Existem dois

tipos de controlo para próteses mio eléctricas: Sistema digital e proporcional [4].

No Sistema digital, a velocidade de abertura/fecho da mão, é constante e

independente da amplitude do sinal mio eléctrico.

No sistema proporcional, existe uma relação directa entre a amplitude do sinal

emitido pela contracção muscular e a velocidade/força de apreensão da mão, ou seja,

trata-se de um controlo fisiológico dos movimentos da mão.


Próteses

A fig. 2-3 mostra alguns equipamentos de próteses para mãos.

MYOBOY OTTO BOCK

Aparelho desenvolvido para optimizar o trabalho dos terapeutas e técnicos ortopédicos no treino muscular e soluções protésicas dos pacientes.

Greifer Eléctrico MYOBOCK

O Greifer eléctrico é utilizado para trabalhos difíceis e manuais que exige força demasiada.

Mão Mio eléctrica Sensor

A mão com SUVA permite uma preensão mais segura de objectos especialmente de peças frágeis e lisas.

Mão Mio eléctrica Transcarpal

Permite a protetização de cotos longos, desarticulação de punho e amputações parciais de mão.

Mão Mio eléctrica High Speed

Avanço da mão mio eléctrica Sensor com grande diferencial: maior velocidade (300 mm/seg).Melhor resposta graças ao processamento do sinal mio eléctrico, motor de alta performance e mecânica reforçada.

Mão Mio eléctrica DMC

Dois sensores independentes controlam a velocidade e a força de preensão da mão


Mão Mio eléctrica Infantil 2000

Para protecção de crianças de 3 a 6 anos. Indicado para todos os níveis de amputações, com rotação passiva e contacto eléctrico de fricção constante.

Mão Mio eléctrica Digital Twin

Permite dois tipos de controlo da prótese: através do sistema digital ou duplo canal.

fig. 2-3 Membros Superiores - Próteses Mio eléctricas [5].

Capítulo 2

2.5 – Próteses de Membros Inferiores

As próteses de membros inferiores podem ser divididas em pé sach, pé

articulado, pé com memória, amputações transtibiais e próteses de joelhos [7].

2.5.1 – Pés Protéticos

Pé Sach O pé sach é o mais utilizado, porque é simples, barato, resistente, leve e de

pouco desgaste. No entanto, demonstra um défice a nível dinâmico, de memória e de

funcionalidade, sendo apenas, capaz de funcionar em bloco. O pé é ilustrado na fig. 2-4.

fig. 2-4 Pé Sach [7].

Pé Articulado

O pé articulado possui propriedades multiaxiais, articulação em titânio

integrada, sendo utilizado em amputações com actividades moderadas, podendo ser

visualizado na fig. 2-5. As propriedades multiaxiais, são a circundação, que é fazer

movimentos circulares.

fig. 2-5 Pé articulado [7].

Pé com memória

O pé com memória é recomendado para próteses endoesquelécticas com o

joelho biónico.

O pé é constituído por uma fibra de carbono, que armazena energia, e uma liga

de titânio, que favorece a robustez. Sendo este um pé personalizado, dependente do peso

e do tamanho do paciente [11].

A fig. 2-6 ilustra alguns pés de carbono mais conhecidos.


Próteses

fig. 2-6 Pés em Carbono [7]

2.5.2 – Próteses para Amputações Transtibiais

As amputações transtibiais são realizadas abaixo do joelho, nos vários níveis de

amputação da tíbia e do perónio. Neste tipo de amputação podem ser utilizadas próteses

com diferentes encaixes transtibiais. Estes, são divididos por dois grupos: os

convencionais e os da nova geração [11].

Os encaixes para próteses transtibiais convencionais, têm apoio no tendão

rotuliano e o “interface pelite”, que é a almofada entre o coto e o encaixe rígido da

prótese. Os encaixes das próteses transtibiais de nova geração, possuem interface em

silicone. Neste tipo de encaixe, não há uso de meia, tem apoio nas zonas proeminentes,

que são as zonas de apoio a nível do joelho e do tendão rotuliano. Nos encaixes

transtibiais não é necessário qualquer tipo de suspensão, porque o silicone tem na ponta

um espigão. Todos os encaixes transtibiais, devem ser de apoio/contacto total, isto é,

devem ter um apoio generalizado e hidrostático de todo o coto, sendo feitas as próteses

em materiais de plástico.

2.5.3 - Próteses dos Tipos de Joelhos

As próteses de joelhos são do tipo hidráulico, mecânico e biónicos.

Joelho hidráulico

Quanto mais sofisticado o joelho, mais alta é a actividade do paciente. Só é

indicado para pacientes, com uma actividade média/alta, porque tem de haver uma certa

adaptação, que permite o uso deste mecanismo. Possui uma marcha suave (sendo esta a

principal vantagem comparativa ao joelho mecânico) [8].


Capítulo 2

O joelho, que se vê na fig. 2-7, possui um sistema hidráulico rotativo, que

proporciona segurança, numa marcha natural e um alto conforto de uso. O grau de

segurança do sistema hidráulico, durante a fase de apoio depende da carga exercida

sobre a prótese. O controlo da fase de balanço, é efectuado pela unidade hidráulica,

adaptando-se, automaticamente, às diferentes velocidades. Um amortecedor hidráulico

integrado, proporciona um movimento mais natural ao final da extensão [8].

fig. 2-7 Joelho com Sistema Hidráulico Rotativo [8].

Joelho mecânico

O joelho mecânico oferece condições de marcha razoáveis e muita segurança.

Como se vê na fig. 2-8 o Joelho Modular Poli-cêntrico na parte superior e

inferior da articulação, está ligado através de um só eixo ao joelho.

fig. 2-8 Joelho Modular Poli cêntrico com unidade hidráulica em titânio [8].

A segurança da fase de apoio é alcançada através da cadeia cinemática poli

cêntrica, que procura o centro de massa. O controlo da fase de balanço é efectuado por

uma unidade hidráulica integrada. A rotulagem da resistência ao movimento de flexão e

extensão pode ser feita de forma independente.


Próteses

Joelho biónico

O Joelho protésico biónico (joelho Rheo), é baseado numa tecnologia de

controlo em malha fechada, que recebe informação e trabalha-a. Este joelho “aprende” a

andar, pois apresenta inteligência artificial e possui a capacidade de ser afinado de

acordo com a marcha do amputado. Ao fim de 5 ou 6 passos memoriza todo o padrão de

marcha do outro membro, independentemente da velocidade de marcha. É o primeiro

joelho não hidráulico, não mecânico sendo absolutamente electrónico. Funciona com

um fluido de partículas magnetizadas que, de acordo com a marcha do amputado, se

juntam ou se afastam. Quando se juntam ficam rijas, oferecendo resistência. Este

possibilita descer e subir escadas normalmente, sem ser degrau a degrau e é a etapa

seguinte para uma vida sem limitações, como se pode ver na fig. 2-9 [9] e [10].

O joelho adapta-se automaticamente ao estilo de andar pessoal do indivíduo e

optimiza continuamente o controlo da pessoa ao longo do tempo de utilização. Os

utilizadores, ganham rapidamente uma nova capacidade de andar a toda a velocidade

desejada e atravessam qualquer tipo de terreno. As potencialidades avançadas do

microprocessador, controlam transições médias da terra nivelada à rampa, escadas e o

terreno desigual, sendo agora possível sem o medo do colapso inadvertido do joelho. Os

distúrbios no trajecto, são reconhecidos automaticamente e a sustentação é activada,

imediatamente, para proteger o indivíduo de um tropeço e de uma queda potencial,

reduzindo o medo e aumentando a confiança [9] e [10].

fig. 2-9 Joelhos Protésico Biónicos [10] e [9].


Capítulo 2

2.6 – Conclusões

As próteses e ortóteses são componentes ortopédicas, que melhoram a

qualidade de vida das pessoas que delas precisam incessantemente.

As próteses substituem partes do corpo por substâncias artificiais, podem ser

estas internas ou externas. Este capítulo resigna-se a fazer a ponte, entre a parte

fisionómica corporal da amputação e a sua parte técnica.

Até aqui, ilustrou-se o conceito de próteses nas diferentes partes do corpo,

fazendo incisão sobre os meios de articulação e locomoção, citando alguns conceitos de

fisioterapia. Foi exposta a distinção dos diferentes tipos de próteses e posteriormente,

feita a classificação e distinção das próteses por diferentes membros, superiores e

inferiores.

No que se refere aos membros superiores faz-se a alusão directa à prótese

recomendada, de acordo com um determinado conjunto de factores.

Quanto aos membros inferiores, dependendo da localização da amputação, é

recomendado um determinado tipo de próteses, tendo sido apresentadas várias ao longo

deste capítulo.

Nesta dissertação, os membros inferiores são merecedores de particular

destaque, pois será a prótese do joelho que receberá toda a aplicação técnica a nível

electrónico desenvolvida neste projecto, não excluindo, no entanto, o uso desta

tecnologia às restantes próteses, pois é igualmente viável.

A construção deste capítulo tenta fazer a introdução dos possíveis mercados,

pois as próteses são, sem dúvida, um mercado em grande expansão.


Próteses


2.7 - Bibliografia

[1] Instituto Francisco Pacheco Dias. (s.d.) Consultado na World Wide Web a

8/12/08: <http://www.sogab.com.br/sbrto/proteses.htm>.

[2] Carvalho (2001). Próteses em Amputação.com. Consultado na World Wide Web a

8/12/08: <www.xn--amputao-2wa9a.com/amputacao-proteses.html>.

[3] Fubelle Ortopedia Técnica (s.d.). Consultado na World Wide Web a 8/12/08:

<http://www.ortopediafubelle.com.br/proteses.asp?Id=116>.

[4] Fubelle Ortopedia Técnica (s.d.) Consultado na World Wide Web a 8/12/08:

<http://www.ortopediafubelle.com.br/proteses.asp?Id=101>.

[5] OTTO BOCK (s.d.) Consultado na World Wide Web a 8/12/08:

<http://www.ottobock.com.br/mio.asp>.

[6] Ladeiras, Duarte (2007) Publico Modalidades. Consultado na World Wide Web

9/01/09: <//podium.publico.clix.pt/noticia.aspx?id=1296355&idCanal=1031>.

[7] OTTO BOCK. (s.d.) Consultado na World Wide Web a 09/01/09 :

<http://www.ottobock.com.br/pes.asp >.

[8] OTTO BOCK. (s.d.) Consultado na World Wide Web a 12/01/09:

<http://www.ottobock.com.br/joe3.asp>.

[9] F. Emanuel; R., Luis. (s.d.). Joelho Rheo, Projecto INOV-MAT Cons. a 12/1/2009:

<dem.uminho.pt/people/npeixinho/inovmat/index_ficheiros/Page661.htm>.

[10] OTTO BOCK (s.d.) Consultado na World Wide Web a 12/01/09:

<www.ottobock.com.br/joe1.asp>.

[11] Cardoso, G. (2007). Prótese e Ortóteses; Consultado a 09/01/09; Instituto Superior de Saúde do Alto Vale.

http://podium.publico.clix.pt/noticia.aspx?id=1296355&idCanal=1031

http://www.ottobock.com.br/joe3.asp

http://www.dem.uminho.pt/people/npeixinho/inovmat/index_ficheiros/Page661.htm

http://www.ottobock.com.br/joe1.asp

Capítulo 3

Capítulo 3 Transdutores e Interfaces


Após esta secção 3.1, segue-se a secção 3.2 em que se define o conceito de

transdutor e sensor, ilustrando também alguns smart sensores.

Na secção 3.3, é feita a caracterização dos sensores piezoeléctricos ilustrando

as suas diferentes propriedades, sendo estas, piroeléctricidade, ferroelectricidade e

piezoelectricidade. Apresentando também, de uma forma geral os métodos de produção

das fases de PoliFlureto de Vinilideno (PVDF).

Na secção 3.4 é efectuada a apresentação dos sensores piezorresistivos e da sua

sensibilidade para com os materiais, caracterizando as razões físicas e coeficientes

piezorresistivos, em especial o factor Gauge. Faz-se também, a apresentação do

processo de construção dos sensores piezorresistivos de nano cristais de silício.



3.2 – Transdutores e Sensores

O transdutor é qualquer dispositivo capaz de transformar um tipo de sinal em

outro, permite o controlo de processos físicos, realizar uma medição, etc.

Um sensor, é um dispositivo que recebe um sinal (estímulo) e retribui com um

sinal eléctrico. Entende-se como sinal a quantidade, propriedade ou condição que é

detectada e convertida num sinal eléctrico, este pode ser canalizado, amplificado e

alterado através de dispositivos electrónicos adequados. O sinal de saída apresenta-se na

forma de uma diferença de potencial, corrente eléctrica ou carga eléctrica. Este pode ser

descrito de diversas formas, tais como, amplitude, frequência e fase. Assim sendo, um

sensor apresenta propriedades de entrada, que podem ser de qualquer natureza e

propriedades eléctricas de saída [1] e [2].

Um transdutor distingue-se assim de forma inequívoca de um sensor, na

medida em que este converte um tipo de energia noutro, enquanto aquele converte

qualquer tipo de energia em energia eléctrica.


Transdutores e Interfaces

Diferenciam-se dois tipos de sensores: os activos que geram directamente um

sinal eléctrico como resposta a um estímulo externo (sem necessidade de uma fonte de

alimentação adicional) como o caso do sensor piezoeléctrico; e os passivos que

necessitam de uma fonte de alimentação externa e/ou um sinal de excitação como os

piezorresistivos. Este sinal, é modificado pelo sensor para produzir então, o sinal de

saída [2].

Os sensores do projecto foram escolhidos pelas suas propriedades físicas, que

serão referidas mais à frente, e pelas suas potencialidades para as mais diversas

aplicações. Os sensores são eles, os piezorresistivos e piezoeléctricos que se podem

encontrar nos Smart Sensors.

3.2.1 - “Smart Sensors”

Os Smart Sensores são pequenas plataformas de baixo custo com sensores e

actuadores que possuem também microcontroladores, comunicação sem fios e que

permitem pequenas implementações em RF, com capacidade de armazenamento de

dados. Na fig. 3-1, pode-se identificar diferentes exemplos de sensores smart [15].

fig. 3-1 Exemplo de “Smart Sensors” actualmente [15].

3.3 - Sensores Piezoeléctricos

Os irmãos Pierre e Jacques Curie descobriram em 1880 o efeito piezoeléctrico

e daí constataram o aparecimento de cargas eléctricas na superfície do quartzo, quando

o material era submetido a uma vibração mecânica. No entanto não previram

imediatamente que cristais que apresentassem o efeito piezoeléctrico directo, poderiam

também exibir o efeito piezoeléctrico inverso, que é a deformação mecânica quando o

cristal é submetido a um campo eléctrico, verificada só em 1881. Com isto descobriu-se

o conceito apelidado de piezoelectricidade [5], que é o princípio físico de

funcionamento dos sensores piezoeléctricos [3].


Capítulo 3

A primeira aplicação teve lugar no ano de 1917, sendo criado um detector

ultra-sónico de submarinos desenvolvido por P. Langevin e seus colaboradores. Um

sonar com frequência de ressonância da ordem de 50 kHz [3].

Nos anos 60, investigadores descobriram em tendões e ossos, a presença do

efeito piezoeléctrico mas de fraca amplitude. Este facto levou a uma intensa procura de

outros materiais orgânicos que manifestassem o mesmo efeito. Em 1969, Kawai

descobriu uma actividade piezoeléctrica elevada no polímero Poli (Fluoreto de

Vinilideno), também conhecido como PVDF. Apesar de outros materiais, como nylon e

PVC exibirem o efeito, nenhum deles tinha propriedades piezoeléctricas tão atractivas

como o PVDF e os seus copolímeros. Os polímeros oferecem vantagens quando

comparados com os materiais inorgânicos [4]:

• Leves, flexíveis e robustos;

• São obtidos em forma de filmes finos ou ultra finos, fibras ou mesmo como

cristais líquidos;

• São facilmente transformados na configuração desejada;

• Alguns deles são biocompatíveis.

Uma enorme vantagem dos polímeros (PVDF) em relação aos materiais

piezoeléctricos cerâmicos reside na sua baixa impedância acústica, que é mais próxima

da água, do tecido humano e de outros materiais orgânicos [4].

3.3.1 - Propriedades electroactivas

As propriedades eléctricas tais como a piroeléctricidade, piezoelectricidade e

ferroelectricidade estão estreitamente associadas às estruturas cristalinas e químicas dos

materiais [6].

Quando a amplitude da polarização é espontânea, as variações eléctricas que

ocorrem com a alteração da temperatura são designadas por efeito piroeléctrico.

Nos materiais piroeléctricos conhecidos como ferroeléctricos, ao aplicar um

campo eléctrico externo é possível reverter a direcção de polarização espontânea. Desta

forma todos os ferroeléctricos são piroeléctricos, mas o contrário não se verifica. Assim

muitos piroeléctricos são ferroeléctricos e piezoeléctricos. Todavia apesar de todos os

ferroeléctricos serem piezoeléctricos, apenas uma percentagem de piezoeléctrico são

ferroeléctricos.



3.3.2 - Piroeléctricidade

Alguns materiais possuem a propriedade de desenvolverem polarização

eléctrica quando ocorrem variações na temperatura à qual estão sujeitos. Assim, no caso

de existir polarização espontânea, uma variação da temperatura altera-a [6].

O sentido da polaridade criada depende se a temperatura toma valores

superiores ou inferiores, ou seja, se o material é aquecido ou arrefecido. Este fenómeno

é chamado de piezoelectricidade.

A grandeza que traduz esta propriedade eléctrica tem por nome coeficiente

piroeléctrico é definido na equação 3-1.

ρ PT 3-1

Onde, P transcreve a polarização e T a temperatura.

Se a amplitude da polarização espontânea depender da temperatura, então a sua

variação depende de dois efeitos, um primário e um secundário. No efeito primário a

dimensão e a forma da amostra são mantidas constantes de forma a evitar a contracção e

expansão térmica, sendo que toda a polarização é gerada termicamente. No efeito

secundário é permitido à amostra expandir ou contrair termicamente e, desta forma

variar as dimensões da mesma. Assim a polarização neste efeito é gerada pelo efeito

piezoeléctrico.

3.3.3 - Ferroelectricidade

O material ferroeléctrico é um sólido piroeléctrico em que, a polarização

eléctrica espontânea numa célula unitária é reversível, alterando-se entre +PS e –Ps,

pela aplicação de um campo eléctrico de polaridade conhecida. Desta forma, a

polarização está alinhada com os domínios vizinhos [7].

Assim, se um ferroeléctrico for exposto a um campo eléctrico de grande

intensidade, os dipolos vão alinhar-se gradualmente com o campo eléctrico até,

eventualmente, todos os dipolos estarem paralelos, atingindo a saturação da polarização.

Em altas temperaturas, a polarização que ocorre no PVDF é não linear em

relação ao campo eléctrico aplicado. Esta não linearidade na polarização é definida

como histerese [7]. Pode-se verificar isso na fig. 3-2.


Capítulo 3

fig. 3-2 Curva de histerese β-PVDF [6].

3.3.4 - Piezoelectricidade

Piezoelectricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem corrente eléctrica

por resposta a uma pressão mecânica. O termo deriva da palavra grega “piezein”, que

quer dizer espremer ou pressionar, sendo feita a sua ilustração no esquemático do sensor

da fig. 3-3. O efeito piezoeléctrico é reversível pois os cristais piezoeléctricos, quando

sujeitos a uma voltagem externa, podem sofrer variações de forma. A deformação do

sensor, tem aplicações importantes, tais como a produção e detecção de sons, geração de

altas voltagens e geração de frequência electrónica [8] e [9].

fig. 3-3 Efeito piezoeléctrico directo. Os piezoeléctricos quando sofrem uma força F, desenvolvem um potencial [8].

Um material piezoeléctrico é consequentemente capaz de agir como um

elemento detector, actuador, ou ambos, tornando-se interessante a sua utilização em

dispositivos do estado sólido/compactos, sendo de extrema confiança e eficiência. Na

fig. 3-4 e fig. 3-5 pode-se verificar a reacção do polímero com diferentes tipos de

excitação.

fig. 3-4 Efeito piezoeléctrico inverso. Aplicando tensão estimula o crescimento do cristal [10].


http://pt.wikipedia.org/wiki/Cristal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9ctrica

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Press%C3%A3o_mec%C3%A2nica&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Diferen%C3%A7a_de_potencial

http://pt.wikipedia.org/wiki/Som

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Frequ%C3%AAncia_electr%C3%B3nica&action=edit&redlink=1


fig. 3-5 Efeito piezoeléctrico inverso. Alterando a polaridade da tensão aplicada, o cristal fica mais curto ou mais largo [8].

Propriedades piezoeléctricas

As propriedades elásticas e eléctricas nos materiais piezoeléctricos estão

relacionadas, ou seja, os parâmetros mecânicos e eléctricos estão interligados [10].

Num material piezoeléctrico, a interacção entre as variáveis eléctricas e

mecânicas, em geral podem ser d a seguintes equações 3-2 e 3-3 escritas pel s

3-2

[4]:

3-3

A equação 3-2 traduz o efeito piezoeléctrico directo, enquanto a equação 3-3 o

efeito piezoeléctrico inverso. A tensão ( e o campo eléctrico (E) foram escolhidos

como variáveis independentes. Por sua vez a deformação S e o deslocamento eléctrico D

são variáveis dependentes; traduz a elasticidade do material, a permissividade

quando sujeito a uma tensão mecânica constante e d é a constante piezoeléctrica. Em

que , , E indicam a quantidade física que é mantida constante [4].

As equações 3-2 e 3-3 podem ser transcritas numa forma alternativa usando D,

S, E ou como pares de variáveis independentes.

3-4

3-5

3-6

Onde c é a constante de rigidez elástica, e, h e g são coeficientes

piezoeléctricos tensoriais e β é definido como o inverso da matriz de permitividade, e o

índice t indica a matriz transposta.


Capítulo 3

Coeficiente de acoplamento electromecânico

O coeficiente de acoplamento electromecânico é um parâmetro de relevância

que pode traduzir a capacidade do material piezoeléctrico, convertendo uma forma de

energia noutra, ou seja, a razão da energia mecânica acumulada em resposta a um

campo eléctrico aplicado e vice-versa (3-7 e 3-8) [6].

â é â

3-7

é â é

3-8

Coeficiente de carga

O coeficiente de carga piezoeléctrico, d, é definido pela razão das cargas

eléctricas geradas por unidade d aplicada ou vice-versa e área em resposta à forçaçã

[6].

é

ã

3-9

3-10

Coeficiente de diferença de potencial

Coeficiente de diferença de potencial, g, é definido pela razão da tensão

eléctrica desenvolvida quando cânica ou vice-versa. lhe é aplicada uma tensão meã é ã á

3-11

çã

ã é 3-12

A diferença de potencial é obtida através do produto do campo eléctrico pela

espessura do material entre os eléctrodos [6].

Circuito equivalente

O circuito equivalente de um cristal piezoeléctrico é apresentado na fig. 3-6.

C0 representa a capacidade dos eléctrodos, que são formados por um filme fino

metálico depositado na superfície, conjuntamente com a capacidade associada ao

revestimento deste (encapsulamento), C0 é normalmente da ordem de vários pF [10].

R1 é a resistência série equivalente do cristal, resultante da montagem e das

perdas do mesmo, variando esta entre as dezenas e as centenas de ohms.



L1 resulta da vibração da massa do cristal, que varia tipicamente entre alguns

Henrys a algumas centenas de Henrys.

C1 representa a elasticidade mecânica do quartzo e tem normalmente valores da

ordem dos milésimos de PF.

fig. 3-6 Circuito equivalente de um ressonador piezoeléctrico [4].

As frequências de ressonância do cristal podem ser determinadas por (L1), (C1) e

(R1) (frequência de oscilação série) e por (C0) na (frequência de oscilação paralelo) [10].

A equação 3-13 traduz a frequência de ressonância em série e a equação 3-14 a

frequência de ressonância em paralelo.

3-13

3-14

Na fig. 3-7 é possível verificar a variação da impedância do material com a

frequência, tal como é possível observar que o material piezoeléctrico tem

características capacitivas, e as frequências são menores que fs, e superiores a fp.

Quando se encontra numa frequência entre fs e fp, o seu comportamento passa a ser

indutivo. Em relação ao ângulo de fase o mesmo sofre uma transição em fs e fp [4].

fig. 3-7 Resposta em frequência (amplitude e fase) de um elemento piezoeléctrico [4].

3.3.5 – PoliFluoreto de Vinilideno

O polifluoreto de vinilideno (PVDF) tem sido intensamente estudado desde os

anos sessenta, por apresentar importantes propriedades piroeléctricas e piezoeléctricas.

Este revela-se um óptimo candidato em aplicações que envolvam a concepção de um


Capítulo 3

sensor, dado a sua boa sensibilidade a tensões mecânicas. As aplicações que envolvem

transdutores de sons, atribuindo especial destaque a deformações e oscilações,

sobressaem de igual forma a importância do PVDF, quer pela sua baixa densidade quer

pela sua baixa impedância acústica. A sua resistência mecânica, permite também o

fabrico de filmes finos e flexíveis, o que conduz a uma redução do seu custo [4] e [6].

O PVDF é um polímero semicristalino, que apresenta uma forte dependência

das propriedades piroeléctricas e piezoeléctricas em relação à orientação, estrutura

cristalina e estado de polarização [6].

As propriedades do PVDF distinguem-se também pelas suas quatro fases

cristalinas, conhecidas como , , γ e . Existem transições estruturais entre as várias

fases nos métodos de fabrico sendo eles, tratamentos térmicos, mecânicos, pressão e

polarização. A fase α é a que oferece maior estabilidade do ponto de vista

termodinâmico, esta fase é obtida directamente a partir da cristalização do material

fundido. No entanto, a fase que oferece melhores características piezoeléctricas e

piroeléctricas é a fase , pelo que é a fase do PVDF, que denota das melhores

características sob o ponto de vista tecnológico para aplicações de transdutores.

O PVDF e os copolímeros de vinilideno (VDF) com trifluoretileno (TrFE)

destacam-se dos restantes materiais poliméricos, devido à sua elevada permissividade

relativa (muito superior aos restantes polímeros). Estes materiais são quimicamente

inertes e possuem propriedades mecânicas interessantes para algumas aplicações. A

Tabela 3-1 apresenta o valor da permissividade relativa para alguns materiais

poliméricos à frequência 1kHz [4]. Tabela 3-1 Comparação dos valores de permissividade relativa de alguns materia ]is poliméricos [4

´ .

Polímeros

Poli (fluoreto de vinilideno) – PVDF 8-13

Poli (fluoreto de vinilideno- triflureto) - P(VDF-TrFE) 15-20

Polipropileno – PP 2,2

Politereftalato de etileno – PET 3,5

Policarbonato – PC 2,9

Poliestireno – PS 2,8

A estas propriedades acrescem, a sua elevada elasticidade e o fácil

processamento das propriedades eléctricas extraordinárias, permitindo então, a estes

materiais inúmeras aplicações tecnológicas, desde os simples condensadores a sensores

e actuadores [4].



Processo de Obtenção de Fases do PVDF

Cristalização a Partir da Solução Recentemente foi demonstrado que a cristalização do PVDF em solução com

DMF (dimetilformamida), pode ocorrer em qualquer uma das fases (α , β e ) ou numa

mistura delas, em que a fase predominante é dada pela temperatura e pelo tempo de

cristalização [4].

Este processo, é importante para a obtenção de filmes finos ou filmes

depositados sobre superfícies [6]. Se a evaporação do solvente for realizada em

temperaturas inferiores a 70°C a estrutura predominante será a fase . Se a temperatura

for superior a 100°C a estrutura predominante será a fase . Temperaturas entre 70°C e

100°C produzem uma mistura das fases e . Na cristalização acima de 155°C iniciará

a formação da fase , cuja quantidade aumenta com o aumento da temperatura.

Os tratamentos térmicos a altas temperaturas podem melhorar a perfeição dos

cristais e diminuir o tamanho e a densidade dos poros.

Cristalização a Partir da Fusão

A cristalização do PVDF a partir do fundido para temperaturas abaixo dos

160ºC resulta predominantemente em fase com uma estrutura esferulítica anelada, em

que o tamanho das esferulites está directamente relacionado com a temperatura de

cristalização. Assim o tamanho das esferulites diminui com o decréscimo da

temperatura de cristalização [4].

A cristalização de fase γ a partir do fundido, ocorre a temperaturas acima dos

160ºC e tempos de cristalização muito longos. É também possível obter (γ-PVDF) a

temperaturas mais baixas através da cristalização do fundido sobre substratos como KBr

e NaCl ou pela acção de um campo eléctrico elevado durante a cristalização. No

primeiro caso a polaridade dos substratos promove a orientação dos dipolos de forma

preferencial, enquanto o campo eléctrico aplicado fomenta a reorientação destes. O

recozimento de uma amostra originalmente na fase , a temperaturas acima de 155ºC

também causa a formação da fase γ, devido à transformação de fase α em γ que ocorre

nos esferulitos anelados [6].


Capítulo 3


Transformação de Fase em β Induzida por Deformação Mecânica

A deformação uniaxial ou biaxial de filmes de PVDF, provoca uma das mais

importantes transições de fase deste polímero. Esta mudança de estrutura, consiste na

obtenção de filmes de fase β por deformação mecânica de filmes ( -PVDF) [4].

As cristalites são reorientadas devido à tensão mecânica e produz-se em

simultâneo uma destruição da conformação do tipo TCTC, apresentando as moléculas

numa configuração helicoidal na fase , transformando-se numa conformação zig-zag

(TT) separação uniforme das diferentes moléculas de fase (β).

Estudos teóricos revelaram que associado à transformação da configuração das

cadeias está associado um aumento de 37% do comprimento das mesmas.

É importante salientar que as cadeias que se encontram na região amorfa do

polímero também são orientadas, o que pode levar a um arranjo mais regular das

cadeias provocando desta forma um aumento da cristalinidade do material, fenómeno

denominado como cristalização induzida por orientação [6].

O processo de deformação mecânica dos filmes de PVDF tem como principais

variáveis a temperatura e a razão de estiramento, R com se vê na equação 3-15 e na fig.

3-8:

3-15

O L é o comprimento final do filme estirado e L0 é o comprimento inicial do filme.

fig. 3-8 Representação das cri lites de polímero. a) Antes de estirar; b) Após estirar sta

O estiramento de filmes -PVDF a temperaturas inferiores a 90 ºC leva a uma

transformação de fase de em quase completa, enquanto que, para temperaturas mais

elevadas é obtida uma mistura de e no filme estirado. Assim, quanto maior for a

temperatura de estiramento, menor é a quantidade de fase β presente no filme. Para

temperaturas superiores a 120 ºC praticamente só se obtém fase orientada

[6].

[6].


3.4 – Sensores Piezorresistivos

Em 1947 desenvolveu-se o primeiro transístor nos laboratórios Bell por

Shockley, Bardeen e Brattain, que veio substituir as válvulas termiónicas, podendo

assim associar-se o novo conceito de electrónica. Esta descoberta, fomentou assim o

aparecimento dos sensores resistivos [11].

Em 1 de Abril de 1954, Charles S. Smith publica na revista Physical Review a

descoberta do efeito piezorresistivo nos semicondutores de silício em substrato de

germânio [12].

O aparecimento deste material gerou o desenvolvimento de vários tipos de

sensores de silício, com elevados factores de sensibilidade, sendo o mais elevado nos

materiais metálicos convencionais. Fez-se a integração das resistências no silício,

através da criação das zonas sensíveis de deformação no próprio sensor (chip de silício),

com estas propriedades mecânicas fez-se muito pelo desenvolvimento da electrónica.

Mesmo com o passar dos anos os sensores piezorresistivos continuam a ser

explorados e têm influenciado decisivamente, no desenvolvimento da microtecnologia

dos sistemas; (embebidos, electrónicos e mecânicos).

3.4.1 - Características do Sensor Piezorresistivo

Existem vários tipos de sensores piezorresistivos sendo os mais comuns os

sensores constituídos por metal, polímeros e silício. Os sensores que serão alvo de

estudo neste projecto são os sensores piezorresistivos de silício nano cristalizado.

As propriedades piezorresistivas existentes na dopagem do silício cristalino,

fazem com que haja uma variação na piezorresistência, quando esta é deformada e se

encontra sujeita a uma tensão [13].

Sensibilidade dos materiais piezorresistivos

A sensibilidade dos materiais piezorresistivos pode ser caracterizada pelo que

se classifica de factor Gauge (GF) da deformação dos sensores. O factor Gauge (GF)

define-se como a alteração fraccionária da resistência por unidade de tensão, isto é, a

deformação mecânica efectuada na resistência faz variar os seus níveis de tensão


Capítulo 3

quando esta se encontra alimentada. Estes parâmetros podem ser calculados da seguinte

forma [18]:

çã ê

çã ∆ /∆ /

∆ / 3-16

As variáveis usadas na equação são caracterizadas da seguinte forma, R0 é a

resistência do material antes da deformação, ∆R é a variação relativa da resistência

provocada pela deformação e o termo ∆L/L corresponde à deformação unitária aplicada,

que se representa por ε (deformação de engenharia que é adimensional) [18].

A deformação num dado material exercida ao longo de uma determinada

direcção, provoca sempre alterações nas restantes direcções. Por exemplo, quando um

objecto é esticado ao longo do seu comprimento (l) provoca uma diminuição da sua

largura (w) e espessura (t). A relação destas variações é dada pela razão de Poisson do

material (v). As deformações unitárias do comprimento, da largura e da espessura

representam-se por εl, εw e εt respectivamente [18].

Considerando que o material condutor é constituído por uma forma

paralelepipédica, a sua resistência é dada por:

3-17

Em que )/1( σρ = é a resistividade do material (Ωcm), o inverso da

condutividade, l é o comprimento e A é área transversal do bloco ( o produto da

largura w e a espessura t) [18].

Diferenciando a equaç 3 7 oão -1 btém-se que:

3-18

3-19

por conseguinte:

por definição , logo as equações seguintes assumem que as variações são

muito pequenas. Deste modo d

lll /d=ε

tdteww, d Δ=Δ=Δ= ll :

3-20

Onde é a razão de Poisson. O sinal negativo significa que a largura e a espessura

diminuem.

v

A partir das equações 3-19 e 3 -20 tem-se:

ε vε vε 3-21



Da equação 3-17 pode escrever-se [18]:

/ / 3-22

Na equação 3-22 pode ver-se que há dois efeitos distintos a contribuir para o

factor Gauge, o efeito piezorresistivo )/)/d(( lερρ e o efeito geométrico . )21( v+

Razões físicas e coeficientes piezorresistivos

Caracterizando o factor Gauge (GF), em termos mais gerais este é um factor de

conexão entre a deformação geométrica e a variação resistiva, que pode ser expresso da

seguinte forma [13]:

3-23

A deformação mecânica do sensor piezorresistivo provoca uma variação

resistiva no sensor, sendo definida por ∆ / [13].

A razão de deformação mecânica, é expressa em (deformação de

engenharia). A conjuntura da variação resistiva e a deformação mecânica são afectadas

de forma directa pelo factor Gauge (GF).

As condições de carga são descritas tendo em conta as distorções geométricas,

que estão associadas a um determinado nível de força.

Nos nano cristais de silício ( c-Si H), segundo os parâmetros da equação 3-22,

qualquer alteração da resistência, devido às alterações geométricas de deformação,

alteram os parâmetros da equação. Estes parâmetros não podem ser negligenciados,

porque existem vários processos de deformação, o utilizado neste caso foi “4-point

bending”, significa deformação em 4 pontos [18] e [21].

A caracterização do sensor depende do tipo de deformação utilizada neste caso

de “4- point bending”, de dobragem em 4 pontos, com este processo de deformação

obtêm-se o factor Gauge (GF).

O comportamento do sensor piezorresistivo ( c-Si H) depende do tipo de

substrato utilizado, do tipo de dopagem e das temperaturas, tanto na construção do

sensor como à temperatura ambiente.


Capítulo 3

Deformação e Deslocamento piezorresistivo

A caracterização do factor Gauge (GF) dos sensores piezorresistivos é

alcançada pelo processo de deformação 4-point bending. Neste processo mede-se em

cada sensor os 4 pontos de flexão de teste na curvatura da amostra [19] e [21].

Os testes de flexão (4-point bending) foram efectuados numa máquina de

deformação universal de ensaios (Shimadzu-AG-IS 500 N Testing Instrument), com as

seguintes dimensões 10-30mm (a distancia entre os pontos do interior e exterior de

acordo com aplicação de força), para proceder ao controlo da máquina, utilizou-se o

software Trapezium2 da Shimadzu Corp, registando os milímetros de deformação

causados ao sensor. Em paralelo usa-se o Multímetro digital Agilent – 34401A, que lê os

dados eléctricos do mesmo e os comunica para um computador, este guarda-os em

ficheiro através de um software em Lab ViewTM 8 [19] e [21].

Um dos testes de deformação pode ser visualizado na fig. 3-9.

fig. 3-9 Teste de deformação do sensor piezorresistivo

A – Máquina de testes universal Shimadzu - AG-IS 500 N; B – Multímetro digital Agilent – 34401A; C – Computadores para recolha de dados em Lab ViewTM 8.

Assumindo que o sensor está virado para baixo, o seu plano neutral é simétrico

na superfície de substrato e que não ocorre o deslizamento entre a película de substrato

e o filme de silício, pode-se calcular a variação de deform ção do sensor. a

O cálculo da deformação do sensor é dado por (deformação de engenharia),

que descreve a deformação do sensor de forma longitudinal.



A teoria do cálculo de deformação, é denominada de “pure bending of a plate

to a cylindrical surface”, que significa deformação pura de uma placa numa superfície

cilíndrica, sendo válido nos 4 pontos de deformação da carga, sendo estes no interior e

exterior do sensor. A equação 3-24 ilustra o calculo que fundamenta a deformação do

sensor [13], [19] e [21].

3-24

Na equação 3-24 as constantes utilizadas são: d que representa a espessura do

substrato (d 125 no caso deste projecto), z que representa o deslocamento da barra

de carga interna do sensor quando y = a (fig. 3-10) e a a distância entre o primeiro e

segundo ponto dos quatro pontos de flexão da carga (a = 10mm).

A fig. 3-10 representa um esquema dos quatro pontos de flexão utilizados para

aplicação das forças no filme e contactos utilizados para medição de resistência. As

barras de carga exteriores são representadas por círculos e as barras de carga interiores

são representadas pelos vértices da base móvel [13]

fig. 3-10 Esquema dos quatro pontos de flexão para aplicação de forças no filme [13].

As piezorresistências das amostras de nano cristais de sílicio, são na ordem de

1 kΩ a 100 kΩ. Realizaram-se várias medições e ciclos de carga e descarga para cada

amostra, primeiro sobe tensão e em seguida sobe compressão.

A amostra seguinte (fig. 3-11) foi sujeita a ciclos de compressão e

descompressão para se poder caracterizar o sensor. Os ciclos de deformação resistiva

foram lidos num software de aquisição de dados em Lab ViewTM 8 que efectua o seu

registo para uma posterior análise. Podendo assim, comparar-se o deslocamento

efectuado sobre a amostra, que é registado no software Trapezium2 da Shimadzu Corp.

Uma melhor análise dos dados obtidos, pode ser feita procedendo-se à sua

representação como se pode constatar na fig. 3-11 [19].


Capítulo 3

fig. 3-11 Gráfico de caracterização de deformação do sensor em 4 point bending, em a variação das resistiva esta encontra-se

do lado direito, e a deformação dele do lado esquerdo [19].

O gráfico da fig. 3-11 mostra à direita a variação da resistência do sensor, que

neste caso é de 2,5 kΩ a 2,65kΩ, uma diferença resistiva de Δ 150Ω com um

deslocamento de z =3 mm, podendo este ser analisado no lado esquerdo da fig. 3-11.

Sabendo que a amostra possui uma espessura de “d 125 " e uma distância

de pontos interiores e exteriores de “a = 10mm”, pode-se agora obter a razão de

deformação , que é definida na equação 3-24. Esta equação é afectada directamente

pelo deslocamento (z), que por sua vez afectará a obtenção do factor Gauge (GF) [19].

A obtenção de GF é feita pela equação 3-23, em que / , assim

sendo, pode-se caracterizar o factor Gauge de forma gráfica como se vê na fig. 3-12.

fig. 3-12 Gráfico da variação resistiva em função da deformação mecânica dos 4 pontos de deflexão.

Factor Gauge é de 32,2 para a parte negativa e de 29,2 para a parte positiva [19].



O cálculo do factor Gauge, pode ser efectuado de uma forma mais simples se

for obtido de uma forma gráfica, isto é, utilizando a equação de uma recta, y = mx+b e

substituindo-se as variáveis passará a ser [19].

Na fig. 3-12 pode ver-se dois GF’s, que identificam as duas faces de

deformação do sensor, sendo a superior denominada por compressão e a inferior por

extensão.

3.4.2 - Processamento e Construção do Sensor Piezorresistivo

O comportamento do sensor piezorresistivo tanto de tipo –n , como –p, são

dependentes do tipo de dopagem nos nano cristais de silício ( c-Si H) [13] e [20].

O sensor piezorresistivo de ( c-Si H) é caracterizado pelos diferentes gases que

o originam e pelo tipo de substrato (plástico) que o sensor utiliza. O substrato, é

definido pelo tipo de material utilizado e sua espessura. Os materiais de substratos

utilizados, são superfícies consistentes como vidro e cimento mas o mais utilizado é o

plástico como polimida (PI), polietileno de naftano (PEN) e polietileno de tereftalato

(PET) com diferentes tipos de espessura, elasticidade e fusão [20].

O substrato é medido e cortado de acordo com um molde do porta substratos,

sendo posteriormente colocado a mascara dos moldes dos sensores sobre o substrato.

Realizando-se o processo manual da colagem dos moldes dos sensores,

introduz-se o molde na máquina de CVD (Chemical vapor deposition), que é a máquina

de deposição química por vapor, que é feita à mais alta pureza do material. A mesma é

composta por três câmaras geminadas, a câmara de carga de pressão em vácuo elevado

(high vacuum - HV), a câmara de radiofrequência (RF) de vácuo ultra elevado (ultra

high vacuum - UHV) e a câmara de HW (fio quente) que também é UHV.

A primeira câmara serve para preparar a amostra às condições de pressão, as

câmaras seguintes de (UHV) são onde se processa a produção do sensor, podendo este

ser por RF ou HW, pois o objectivo de ambas é aquecer o substrato a uma determinada

temperatura, para os gases da câmara ficarem depositados no substrato de acordo com o

molde. Este processo é realizado nas câmaras a uma determinada temperatura e pressão.

Os gases utilizados no processamento dos sensores do tipo n são hidrogénio

, silano e hidreto de fósforo ou fosfina ( ). O hidrogénio têm o objectivo

de cristalizar o silano em cristais de silício e a fosfina dopar o material. Para a obtenção


Capítulo 3

dos sensores tipo p, são utilizados os mesmos gases com a diferença do gás dopante,

neste caso utiliza-se diborano ( B H ) em vez de fosfina.

Os dados de GF’s dos sensores piezorresistivos tanto do tipos p como n variam

entre (16 <GF <23) e (-25> GF> -40) como se pode confirmar na literatura. Isso indica,

que os coeficientes piezorresistivos ( c-Si H) são preservados a altas temperaturas

( [20].

A Tabela 3-2 e a Tabela 3-3, mostram as propriedades dos filmes de ( c-Si H)

depositados em plástico através de HW (150ºC) e são caracterizadas pelo fluxo de

Hidrogénio usado. Onde, significa a temperatura do substrato. Sample é o número

da amostra que pode ser do tipo n ou p. O , % é a percentagem de hidrogénio

diluído no gás total que é (silício, hidrogénio e gás dopante) [2 0].

O gás dopante pode ser, fosfina (PH ou diborano B H . O R apresenta o

rácio entre o fluxo de gás dopante e o fluxo de silano ( ).

O é a fracção cristalina determinada através da espectroscopia de

Raman; é espessura do substrato; é a condutividade existente num espaço isolado

com ausência de luz; , é a energia de activação medida entre a temperatura ambiente

e 150 ºC [20].

Tabe Propriedades dos filme H) do tipo n s em plástico a Hot Wire 0]la 3-2

s de ( c-Si

, % depositado (HW) [2

Sample

(ºC)

%

d

nm

( ) (eV)

N202

150

2

95

11 0 7,10 10 0,27

N203 39 0 1,05 10 0,19

N204 56 26 4,75 10 0,08

N205 74 49 2 ,27 10 0,06

N206 119 72 1,11 10 0,04

N186 187 75 4,74 10 0,03

N207 214 84 - -

.



Tabela ropr e es ) do tipo p depositados em plástico a Hot Wire (H 3-3 P

iedad s dos film

de ( c-Si H

, % W) [20]

.[13]

Sample

(ºC) %

d

nm

( ) (eV)

P230

150

2

96

12 0 7,72 10 -

P231 35 0 2,87 10 0,82

P232 48 17 1,95 10 0,27

P233 70 39 9,91 10 0,10

P234 100 59 2,33 10 0,05

P235 133 71 5,93 10 0,03

P236 187 71 1,38 0,03

Influência da temperatura nos sensores piezorresistivos

A temperatura influencia bastante o factor Gauge dos sensores piezorresistivos

baseados em semicondutores. A variação causada pela temperatura é da ordem dos -

0,15%/ºC, o que é cerca de dez vezes superior aos sensores metálicos. Este efeito da

temperatura, pode ser compensado usando dois sensores de deformação, cada um

constituído por duas secções de material semicondutor com o factor Gauge de valor

absoluto praticamente igual, mas de sinal contrário. Os dois sensores devem ser

montados sobre a estrutura a ser deformada, de modo a que os seus eixos formem um

ângulo específico (fig. 3-13) [18].

fig. 3-13 Compensador de temperatura de um sensor piezorresistivo baseado em semicondutor [18].


Capítulo 3

3.5 – Conclusões

Começou-se por fazer a definição de transdutores e suas características, tal como

a definição das características dos sensores e interligação destes com os transdutores.

Ilustrou-se também, o conceito de micro tecnologias, “Smart Sensors”.

Desenvolveu-se o estudo histórico e teórico das características do sensor

piezoeléctrico. Nas características do mesmo apresenta-se o estudo das propriedades

electroactivas, ferroelectricidade e piezoelectricidade, neste último desenvolve-se o

estudo físico dos diversos coeficientes e factores do sensor.

Realizou-se também uma análise das propriedades físicas, para construção dos

transdutores piezoeléctricos. Fez-se uma pequena ilustração sobre PVDF e as suas

diferentes fases, para poder elucidar o leitor sobre os processos de obtenção da fase

PVDF , que é a fase utilizada neste projecto.

No capítulo de sensores piezorresistivos, começa-se por fazer uma apresentação

sobre o seu aparecimento e expansão no mercado.

Fez-se um estudo das características do sensor piezorresistivo, suas razões

físicas, como factor Gauge (GF) e deformação do sensor ( ). Analisaram-se as técnicas

usadas para a construção do sensor, como os substratos e tipos de gases associados á

construção.




[1] Sampaio, A.; Carvalho, P. (s.d.) Utilização de Sensores no Ensino das Ciência.

Consultado no Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade do

Porto a 13/03/09.

[2] Ferreira, Óscar (2000) Métodos Experimentais em Energia e Ambiente:

Sensores e sua Utilização – História e Definições. Consultado no Instituto Superior

Técnico a 13/03/2009.

[3] Sensores piezoeléctricos. (s.d) Consultado na World Wide Web a 13/03/2009;

<http://www.umc.br/~bonvent/ArquivosPDF/SensorPiezo.pdf>.

[4] Castro, Hélder (2006) Sensores e Actuadores Baseados em Polímeros

Piezoeléctricos Consultado na tese de Mestrado da Universidade do Minho a 21/05/09.

[5] History of Piezoelectricity, Piezo Systems Inc; (s.d.) Consultado na World

Wide Web a 13/03/2009: <http://www.piezo.com/tech4history.html>.

[6] Secandas, Vítor (2005) Influencia das condições de processamento na

morfologia e fases cristalinas do PVDF e nas transições de fase do copolímero P(VDF-

TrFE) Consultado na tese de mestrado, Guimarães, Portugal a 13/03/2009.

[7] Gonçalves Lobo; Augusto César (2003) Estudo das propriedades estruturais e

ópticas de filmes cerâmicos da família PZT do tipo Perovsquite, Consultado na tese de

mestrado, Guimarães, Portugal a 13/03/2009.

[8] Efeito piezoeléctrico (s.d.) Consultado na World Wide Web a 18/03/2009;

<http://www.arauto.uminho.pt/pessoas/lanceros/ProjectoPiezo/piezop.html>.

[9] Piezoelectricidade (2008) Consult. na Infopédia da Porto Editora a 18/03/2009.

[10] Ferreira, Isabel (2004) Transdutores Consultado na World Wide Web a

18/03/09; <http://disciplinas.dcm.fct.unl.pt/ti/Files/Exercicios/Cap8-transdutores.pdf>.

[11] Bodanis, D.(2008) O universo eléctrico (1ªed.); Consultado a 02/02/09

Gradiva.


Capítulo 3

[12] Gerald W. (2005) 50 Years of Piezoresistive Sensors – History and State of the

Art of Piezoresistive Sensors Consultado na World Wide Web a 18/04/2009 <www.xolo

po.com/engineering/50_years_piezoresistive_sensors_ndash_history_state_2615.html >.

[13] ALPUIM, Pedro; CHU V.; CONDE, J. (2002) Piezoresistive Sensors on

Plastic Substrates Using Doped Microcrystalline Silicon; Consultado em IEEE a

18/04/2009; <http://ieeexplore.ieee.org/ielx5/7361/22385/1044388/1044388.html>.

[14] Coraucci, Guilherme; Degani, R. (s.d) Sensor de pressão baseado no efeito

piezorresistivo transverso com micromáquina obtida a partir de chips fabricados no

Projeto Multi-Usuário (PMU-FAPESP) Consultado na World Wide Web a 19/04/2009.

[15] Couto Carlos (2005) SmartSensors_210905 Consultado 19/05/09 Micro

sensores e Micro actuadores a 20/05/2009.

[16] Papakostas T.V. and White N.M. (2000), Influence of substracte on the gauge

factor of polymer thick-film resistors, Consultado a 25/09/09 em Journal of Physics D:

Applied Physics , vol. 33, p. 73-75.

[17] Mateiu R., Lillemose M., Hansen T.S., Boisen A., e Geschke O., (2007)

Reliability of poly 3,4-ethylenedioxythiophene strain gauge Consultado a 26/09/09 em

Microelectronic Engineering, vol. 84, p. 1270-1273.

[18] Beeby S., Ensell G., Kraft M., e White N. (2004), MEMS mechanical sensors,

Consultado a 27/09/09 na Edrª. Artech House de Boston.

[19] Alpuim P.; Rocha P.; Marins E.S.; Gonçalves J.; Rocha G.; Mendez S.; (2009)

Ultra-Sensitive Shape Sensor test structures based on Piezoresistive Doped

Nanocrystalline Silicon; Consultado a 20/08/09 Vacuum, vol. 83, p. 1279–1282.

[20] Alpuim P.; Filonovich S.A. e Rolo A.G. (2008) Phosphorous and boron

doping of nc-Si:H thin films deposited on plastic substrates at 150º C by Hot-Wire

Chemical Vapor Deposition; Consultado a 5/10/2009 em The Solid Films p.576-579.

[21] Alpuim P.; Mendez S e Filonovich S.A.( 2008) Fabrication os a strain sensor

for bone implant failure detection based on piezoresistive doped nanocrystaline silicon;

Consultado a 20/08/09 em Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 354, pp. 2585-2589.




Capítulo 4

Capítulo 4 Projecto e Construção dos módulos

electrónicos


Após esta secção, segue-se a secção 4.2 em que se faz a apresentação dos

diferentes circuitos electrónicos em blocos, para melhor elucidação do leitor.

Na secção 4.3, é feita a caracterização do amplificador de instrumentação,

usado para amplificar as pequenas tensões dos transdutores.

Na secção 4.4, é efectuado um pequeno estudo de como construir o módulo de

alimentação, para amplificador de instrumentação e circuitos digitais. Na secção 4.5 o

módulo de alimentação é apresentado tal como as suas ligações de fácil acesso.

Na secção 4.6, realiza-se um estudo da obtenção da diferença de potencial do

sensor piezorresistivo, para se acondicionar a este, um amplificador de instrumentação.

Na secção 4.7, explica-se o processo de como se obter o sensor piezorresistivo

de nano cristais de silício e a caracterização a nível resistivo e de tensão. Sabendo a

variação de tensão, construiu-se o seu módulo de amplificação piezorresistivo para esta

ser na ordem do conversor analógico digital (4,096 volts).

A secção 4.8 apresenta, o processo de como se construir um outro sensor, este,

sendo o sensor piezoeléctrico. Mostrando também, como se deve amplificar o seu sinal

eléctrico. O sinal piezoeléctrico pode apresentar vários tipos de ruídos

electromagnéticos, por isso usa-se uma gaiola de Faraday apresentada na secção 4.9.

Nas secções 4.10, 4.11 e 4.12 apresenta-se um estudo sobre os componentes

utilizados no módulo de aquisição de dados, sendo eles, o conversor analógico digital

série, o microcontrolador 80x52 e o interface físico série. Com base nesse estudo

constrói-se o módulo de aquisição de dados da secção 4.13.

A secção 4.14 mostra a plataforma de desenvolvimento para construir o

firmware do microcontrolador, baseado nos algoritmos da secção 4.15.

A secção 4.16 mostra um módulo série a ser usado em vez do sistema wireless.

Na secção 4.17 ilustra-se conceitos de RF, que são aplicados à secção 4.18 e

4.19, pois estas são secções da implementação do módulo emissor RF e seu receptor.


Projecto e Construção dos módulos electrónicos

Na secção 4.20 apresenta-se o software do computador que mostra os dados

adquiridos.



4.2 – Blocos dos circuitos electrónicos

Este capítulo é dedicado aos circuitos electrónicos utilizados para a construção

dos sensores.

Efectua-se neste capítulo o estudo da placa de aquisição de dados analógicos e

transmissão RF portátil (transmissor), esta faz a leitura dos comportamentos dos

sensores piezoeléctricos (fig. 4-1) e piezorresistivos (fig. 4-2), através de um

amplificador de instrumentação, que amplifica os sinais e os converte em dados digitais

através de um ADC (Conversor Analógico-Digital). De seguida estes dados digitais são

enviados por ondas de radiofrequência através do módulo respectivo. Na proximidade é

colocado um módulo receptor (fig. 4-4), que recebe os sinais RF, e os converte segundo

o protocolo série RS232, para depois serem lidos no computador e finalmente

visualizados pelo utilizador.

Na fig. 4-1, pode ver-se o diagrama de blocos do módulo do sensor

piezoeléctrico. Este módulo, é constituído pelo transdutor piezoeléctrico, que produz

uma variação de tensão quando pressionado. Esta variação de tensão é adquirida pelo

amplificador de instrumentação, que filtra e amplifica o sinal para a gama de leitura do

ADC, para que a variação analógica seja convertida para digital. Através do conversor

analógico digital série, o valor binário será lido pelos pinos do microcontrolador, que

por sua vez o enviará pela porta série em formato digital (TTL- Transistor-Transistor

Logic). O módulo de radiofrequência, converte a trama digital de transmissão do

microcontrolador, em ondas de radiofrequência a serem emitidas pelo transmissor.

fig. 4-1 Diagrama de blocos do Modulo do sensor piezoeléctrico.

A diferença entre os diagramas de blocos do módulo do sensor piezoeléctrico

(fig. 4-1) e do módulo do sensor piezorresistivo (fig. 4-2), prende-se com o facto do

sensor piezorresistivo usar uma ponte de Wheatstone e o piezoeléctrico não. O


Capítulo 4

aparecimento deste bloco advém, de que o sensor piezorresistivo é um sensor passivo

que utiliza uma alimentação externa para poder comparar a variação da sua resistência

com outra, para dai tirar a diferença de potencial O sensor piezoeléctrico é um sensor

activo, isto é, não precisa de fonte de alimentação externa para o seu funcionamento

como transdutor [3].

fig. 4-2 Diagrama de blocos do Modulo do sensor piezorresistivo

A fig. 4-3 representa o diagrama de blocos dos 2 sensores juntos, com

multiplexagem analógica. O multiplexador analógico possui a vantagem, de manter o

valor analógico de entrada na multiplexagem da saída. O valor do multiplexador será

igual ao de um sensor ou de outro dependendo da variável de controlo.

Amplificador de Instrumentação

SensorPiezoeléctrico Multiplexer

Conversor A/D Microcontrolador

Amplificador de Instrumentação

SensorPiezoresistivo

Modulo Rf Transceiver TxPonte de

Wheastone

fig. 4-3 Diagramas de blocos da junção dos 2 sensores com efeito multiplexagem analógica.

A fig. 4-4 representa os blocos da placa de recepção de dados, onde é feita a

aquisição de uma trama via Wireless (Módulo RF). Este módulo, recebe uma trama em

radiofrequência e converte-a em digital. Sendo assim, basta introduzir os dados no

computador, neste caso pelo protocolo série, através de um FTDI (emulador do

protocolo série RS232 “Future Technology Devices International”). Os dados lidos pelo

computador são processados, monitorizados e guardados em ficheiro por um programa

desenvolvido no software Microsoft Visual C++.

fig. 4-4 Diagrama de blocos da placa receptora de dados RF.

Os diagramas de blocos, foram construídos para ilustrarem a conjugação de

módulos, assim, começa-se por estudar o circuito integrado comum (amplificador) nos

módulos de amplificação tanto do sensor piezoeléctrico como do piezorresistivo.



4.3 - Amplificador de instrumentação

Os filmes piezoeléctricos e piezorresistivos produzem amplitudes de tensões

muito pequenas, causadas pelos movimentos de forças, estas amplitudes requerem

amplificação. Utiliza-se então o amplificador de instrumentação INA114 da BURR-

BROWN [1].

O amplificador escolhido, tem as seguintes características: baixa tensão de

offset: 50 V Max, baixo drift térmico: 0.25 V/°C Max, corrente de polarização baixa:

2nA Max, CMRR elevado: 115dB min, protecção contra sobretensões de entrada:

±40V, gama de tensões de alimentação: ±2.25 a ±18V, consumo de corrente baixo:

3mA Max e só possui 8 Pinos.

A fig. 4-5 mostra o diagrama do circuito interno do INA114.

fig. 4-5 Amplificador de instrumentação INA114 da BURR-BROWN [1].

Como se pode ver na fig. 4-5, a estrutura interna do amplificador INA114 é

constituída por dois estágios: O primeiro, formado pelos amplificadores operacionais

e e o segundo formado pelo amplificador operacional . Para fazer análise do

circuito, os amplificadores operacionais são considerados como ideais. Devido aos

curto-circuitos virtuais entre as entradas dos amplificadores operacionais e , e a

tensão aos terminais de que é corrente é dada por - e a sua [2] e [3]:

4-1

Devido à impedância de entrada dos amplificadores operacionais ser

idealmente infinita, esta corrente circula pelas resistências denotadas de de valor

25KΩ, o que o gin eq [5


ri a a uação 4-2 [2] e ]:

2 1 4-2

Capítulo 4

O segundo estágio, não é mais do que um circuito amplificador diferencial.

Para calcular o ganho deste amplificador, pode-se usar o princípio da sobreposição, uma

vez que o circuito é linear. O ganho deste amplificador diferencial é

[1] e [2].

Sendo assim, a saída do am ão é dada por plificador de instrumentaç

1

[2] e [3]:

4-3

O amplificador de instrumentação têm um ganho preciso e estável, podendo ser

ajustável através de potenciómetros (ou resistências como neste projecto), ou seja, ao

variar a resistência ( ), pode-se regular ). o ganho (G

1 4-4

Os amplificadores de instrumentação utilizados neste projecto, têm ganhos

ajustados aos sensores piezoeléctricos e sensores piezorresistivos. Sendo assim, os

valores das resistências são regulados para se obter o ganho pretendido.

A amplificação dos dados através dos ganhos, é condicionada também, pelo

tipo de alimentação usada bem como a sua gama.

4.4 – Alimentação

Fazendo uma análise do amplificador de instrumentação, verifica-se a sua

gama de alimentação, que se situa entre ±2.25 a ±18V, com um consumo de corrente de

3 mA no máximo. Nesse projecto pode utilizar-se 2 baterias de 9 volts, em série.

4.4.1 - Regulador de Tensão 7805

O regulador de tensão L7805 é utilizado para alimentar os circuitos digitais da

placa de aquisição de dados, para gama TTL (0 e 5 volts).

A função do regulador de tensão, é colocar uma tensão constante à saída,

qualquer que seja a tensão de entrada. Isto é conseguido através de um amplificador de

erro, que monitoriza a saída e compara com uma tensão de referência. Quando a tensão

de saída tende a subir, o amplificador de erro dá ordem ao bloco regulador em série para

baixar a tensão de saída, e vice-versa [12]e [13].

O CI L7805 apresenta um circuito de protecção térmico (thermal protection),

que actua sobre o elemento regulador (series pass element), de forma a este diminuir a

tensão de saída quando se verificar um sobreaquecimento [13].



4.4.2 - LM185-2.5

O regulador de tensão LM185-2.5 é semelhante ao regulador de tensão L7805,

porém o primeiro converte tensões em 2,5 volts.

O LM185-2.5 é um circuito de micro potência de dois terminais, que funciona

como tensão de referência de 2,5 volts, para correntes de 20 a 20 mA. Caracteriza-se

pela baixa impedância, boa estabilidade e resistência à temperatura. [14].

Este regulador foi utilizado para tensão de referência no amplificador de

instrumentação, porque o ADC faz a leitura de 0 a 4,096 volts e como o sensor

piezoeléctrico pode ter oscilações negativas e positivas, usou-se uma referência de 2,5

volts, para servir de eixo nas oscilações negativas e positivas do sensor.

4.5 – Construção do módulo alimentação

Sabendo o modo como se vai alimentar todo o circuito, procedeu-se a

construção do módulo de alimentação.

A placa de aquisição de dados analógica será alimentada por duas baterias

recarregáveis de 9 volts (block R22 de Ni-MH de 200mAh), como se pode ver na fig.

4-6. O restante do circuito será estudado e analisado ao longo deste capítulo.

1. 2 Baterias de 9 V. 2. Conector da porta série [6]. 3. IC RS232 [17]. 4. LM7805 reg de tensão [13]. 5. Interruptor start transmissão. 6. Led ligação do módulo. 7. Conector de ligação aos módulos

de amplificação. 8. IC do ADC série [4]. 9. Fio como antena RF [15]. 10. Microcontrolador 8052 [18]. 11. Reset do sistema [6]. 12. Módulo RF TX433N [15]. 13. Leds do controlo ADC.

fig. 4-6 Foto da placa de aquisição de dados analógicos com evidência do sistema de alimentação.

A fig. 4-6 apresenta uma foto dos componentes dos vários módulos, sendo eles:

Módulo de transmissão RF, Módulo de aquisição de dados, Módulo de transmissão

RS232 e o Módulo de alimentação que é o alvo de estudo nesta fase do documento.

A placa de aquisição de dados analógicos, possui um conector de módulos, este

serve para alimentar o módulo de amplificação dos transdutores e transmitir dados.


Capítulo 4

4.5.1 – Conector de ligação entre módulos

O conector da placa de aquisição de dados analógicos e transmissão RF, faz a

ligação aos módulos de amplificação.

A Tabela 4-1 mostra a função de cada pino do conector das placas de

amplificação e de aquisição de dados, representado na fig. 4-6 no item 7.

Tabela 4-1 Função de cada pino do conector das placas de amplificação e de transmissão.

8 7 6 5 4 3 2 1

+ 9 volts GND -9 volts 5 volts P3.2 ISR

Ex0

P2.0

Mux C0

P2.1

Mux C1

ADC

O conector é apresentado no esquema da fig. 4-7 com um círculo vermelho.

Nessa mesma figura é evidenciado também, um led que acende quando o circuito se

encontra em funcionamento.

fig. 4-7 Diagrama esquemático e placa de aquisição de dados analógicos e transmissão RF, onde se pode ver a ligação do

conector e o led de alimentação.

Este conector é utilizado, na ligação ao módulo de amplificação do sensor

piezorresistivo, servindo também como alimentação ao mesmo transdutor.

O sensor piezorresistivo precisa de ser alimentado para se obter a sua diferença

de potencial (ponte de Wheatstone) relativamente a sua variação resistiva.



4.6 - Estudo prático do sensor piezorresistivo

Os sensores piezorresistivos são normalmente utilizados como um dos braços

numa ponte de Wheatstone. Para que seja possível medir a variação de resistência, é

necessário recorrer a um método que converta deformações em variação de tensão. Se

for utilizado um simples divisor de tensão, quando a deformação for zero a tensão de

saída (ΔV) não é zero como se pretende. Devido a esta análise, deve-se recorrer então a

uma ponte de Wheatstone (fig. 4-8), que converte a deformação numa variação de

tensão eléctrica. A deformação do sensor é evidenciada na fig. 4-9 com a nomenclatura

de Δ , que exemplifica a diferença de tensão entre os dois braços (V0+ - V0-) igual a

zero como o pretendido, devido a possuir R4=RG [3]. Vdd

Vo

R3

R4R1

R2

fig. 4-8 Ponte de Wheatstone [27].

Na prática os sensores de pressão lêem valores na ordem dos milésimos de

elasticidade (E) e diferença de potencial (∆ ). Por conseguinte, a ponte deve ser

sensível a pequenas variações da resistência, o esquema que apresenta a variação da

resistência é o da fig. 4-9 [28].

Com base na fig. 4-8, quando a ponte não está balanceada, apresenta a equação

4-5 que evidencia a tensão de saída proporcional à entrada [26].

4-5

A ponte está em equilíbrio quando R1/R2 = R4/R3, resultando numa tensão de

saída com uma diferença de potencial ∆ 0 [27].

Se substituir R4 da fig. 4-8 pela resistência RG do sensor, a variação da

resistência do sensor, pode ser expressa pela relação ∆ . Vdd

Vo

R3

RG+ΔRR1

R2

fig. 4-9 Ponte de Wheatstone ligada a um sensor de pressão [10].


Capítulo 4

O factor ∆ exprime a variação da resistência, devido ao alongamento do

sensor piezorresistivo, sendo este dado pela equação 4-6, em que (deformação

universal de engenharia) é variável [28].

∆ 4-6

Para se calcular a função de transferência deste condicionamento de sinal

assume-se que, R1=R2 e RG=R3 obtendo a equação [28]:

∆∆ 4-7

Mas como 4RG>> 2∆R, então de n u é expresso na seguinte equação: fi e-se q e V

4-8

O efeito braço é utilizado para “medir”a variação de potencial. As resistências,

são da mesma gama do sensor para minimizar o efeito de oscilação do mesmo [28].

No processo de implementação do sensor de pressão, deve-se ter em conta os

componentes que constituem a ponte, sendo eles: a forma de excitação da fonte, o tipo

de sensor utilizado, o tipo de amplificação do sinal obtido, o circuito de filtragem usado,

o nível de “offset”e a resistência shunt de calibração. Para haver um aumento da

sensibilidade deve-se usar um amplificador.

Obtendo o conhecimento das técnicas electrónicas para fazer o

acondicionamento do sensor piezorresistivo, realizou-se a construção do transdutor e do

seu módulo de amplificação.

4.7 – Módulo de amplificação do sinal piezorresistivo

Na secção seguinte, será descrito o sensor piezorresistivo de uma forma

experimental. Referenciando o modo de construção do transdutor através dos processos

Físicos, bem como a construção da electrónica do módulo para leitura da grandeza física

do transdutor.

4.7.1 – Fabrico do sensor piezorresistivo

Os conjuntos de transdutores piezorresistivos foram construídos através da

dopagem de nano cristais de silício hidrogenado ( c-Si H), num plástico flexível

fabricado para o propósito.

A técnica utilizada na fabricação do transdutor é denominada de Hot Wire HW

(aquecimento do fio). Numa primeira fase de construção do transdutor, começa-se por



preparar o substrato de (polimida) PI com 125 de espessura. A sua preparação,

consiste em cortar a polimida com a seguinte área 33x33 , esta é a área do porta-

substratos. Após a fixação da polimida no porta-substratos coloca-se uma mascara, que

tem como objectivo definir um molde apropriado à deposição do composto químico

para os transdutores, criando vários com as mesmas áreas de 3x3 [28] e [30].

Estando concluída a fase de colocação da máscara, esta é introduzida na

máquina de vapor por deposição química (CVD). A máquina possui 3 câmaras

geminadas, a câmara de carga de pressão em vácuo elevado (high vacuum - HV), a

câmara de radiofrequência (RF) de vácuo ultra elevado (ultra high vacuum - UHV) e a

câmara de HW que também é UHV [30].

Na câmara de carga reduz-se a pressão do ar até cerca de 9,1 10 Torr, esta

câmara é de vácuo elevado. Após a descompressão na câmara de carga transporta-se a

amostra por um sistema de portas até a câmara de Hot Wire (HW). Nessa câmara

realiza-se a descompressão da amostra até 5,8 10 Torr, fazendo-se posteriormente

uma aproximação dos sensores a uma resistência que aquece o substrato a 150º , o

aquecimento é efectuado para retirar o restante gás da amostra, ficando esta a 2,8

10 Torr [30].

Após retirar os gases do substrato, baixa-se a amostra e coloca-se o “shutter”

debaixo do substrato. O “shutter” é uma placa de alumínio, que é usada para proteger a

amostra, porque se vai aquecer a parte inferior da câmara a 1750º através de um

filamento quente (HW). Esse filamento quente é alimentado por uma fonte de corrente

de 14 amperes e uma tensão de 14,86 volts. O aquecimento da câmara a 1750º é

efectuado para haver reacção entre os gases adicionados. Após o seu aquecimento, faz-

se a injecção de gases na câmara, sendo estes medidos em centímetros cúbicos em

condições standard (à temperatura ambiente e pressão atmosférica- sccm)

1,86 , 33,9 / 1,862 [28] e [30].

Os gases injectados ficaram a uma pressão de 40 mTorr. Após a pressão

estabilizada eleva-se o substrato para ficar em contacto com a resistência à temperatura

de 150 º . O substrato estando a 150º , abre-se o “shutter” para haver circulação dos

gases durante 15 minutos exactos, para assim se criar o transdutor, posteriormente

procede-se ao arrefecimento do transdutor e sua pressurização.

O transdutor originado é caracterizado de acordo com as seguintes

percentagens de proporções de fluxo, //

100 95%,


Capítulo 4

sendo o fluxo de fosfina sobre o fluxo de silano de ( ) = 2%, uma vez que a fosfina

só possui de fósforo 2% sendo o restante hidrogénio diluído [28] e [30].

Os componentes químicos, como o hidrogénio, são utilizados para cristalizar o

silano em nano cristais de silício e a fosfina para dopar o silício no tipo n.

Após este processo é obtida uma matriz com 8 sensores piezorresistivos do tipo

n denominada de N1125, faltando ainda a colocação dos contactos para os sensores (em

ouro), sendo estes formados através do processo magnetron sputter coater [28] e [30].

Este processo é feito da seguinte forma, usa-se uma máscara com 1mm de

espessura para os contactos e coloca-se no magnetron sputter coater durante 3 minutos,

a uma corrente de 18 mA e à pressão de 2 10 bar [28] e [30].

A diferença de potencial existente, excita os átomos de árgon que embatem

num alvo em ouro, retirando-os lentamente e ficando depositados no substrato de

polimida, criando assim os contactos ouro do sensor. Estes contactos são aumentados

com fios de cobre através de tinta de prata, permitindo assim o acesso aos sistemas

electrónicos.

Após a obtenção da amostra, mediu-se uma matriz de quatro piezorresistências,

estas apresentaram as seguintes resistências 15,64 kΩ, 8,76 kΩ, 13,47 kΩ e 80,76 MΩ.

A piezorresistência utilizada para caracterizar este tipo de sensores numa fase

de testes é 8,76KΩ (fig. 4-10). Esta será caracterizada pela sua resistividade em função

do deslocamento, por conseguinte caracterizando-se o factor Gauge através do método

de 4 point bending.

fig. 4-10 Transdutor filme piezorresistivo.

A fig. 4-11 representa o registo gráfico da deformação resistiva efectuada na

piezorresistência (8,76KΩ). A deformação na piezorresistência (com os contactos

virados para baixo) é efectuada numa máquina de deformação universal de ensaios

(Shimadzu-AG-IS 500 N Testing Instrument), com a distância dos pontos exteriores e

interiores do sensor de ”a = 10 mm”. O registo gráfico da deformação resistiva é

realizado através de um hardware (Multímetro digital Agilent – 34401A), que comunica

com um computador e disponibiliza os dados através do software (Lab ViewTM 8).



Analisando graficamente o sensor na fig. 4-11 pode-se verificar, que a

resistência vai diminuindo à medida que a deformação mecânica deste vai aumentando,

isto acontece, porque o sensor é de características tipo n (diminui a resistência com

aumento da deformação). A diferença resistiva do sensor a 0,5 mm é de ∆ 37Ω, a

deformação resistiva por milímetro será de ∆ / 74Ω/mm.

fig. 4-11 -Gráfico que ilustra deformação da distancia a vermelho e da resistência a preto, tudo isto em função do tempo.

Com base nos resultados da fig. 4-11, caracterizou-se o factor Gauge do sensor.

Este é calculado através da equação 3-24 e pelo software OriginPro 8 SR0, o gráfico da

fig. 4-12 serve para calcular o factor Gauge, neste caso o GF é igual -11,630. O cálculo

foi obtido a partir da equação de uma recta que faz a junção dos 4 ciclos de deformação,

em que está no eixo das abcissas e ∆ / se encontra no eixo das ordenadas.

fig. 4-12 Gráfico de cálculo do factor Gauge.


Capítulo 4

Comportamento electrónico do sensor Conhecendo o factor Gauge do sensor realiza-se uma análise eléctrica deste,

colocando-se o sensor em série com uma resistência de 8,808 KΩ (divisor de tensão).

Nesta montagem realizou-se a medição da diferença de potencial do sensor e o seu

registo ficou exposto no gráfico (fig. 4-13).

fig. 4-13 Gráfico da deformação do sensor num divisor de tensão.

Após o registo gráfico do divisor de tensão, verificou-se que os resultados

electromecânicos experimentais são obtidos de uma melhor forma, usando um sistema

de comparação de tensões, como a ponte de Wheatstone.

A fig. 4-14 representa a implementação da ponte de Wheatstone. Esta

aplicação tem a capacidade de gerar uma diferença de potencial no item 3.

1- Alimentação da ponte de Wheatstone 5 volts.

2- Alimentação da ponte de Wheatstone GND.

3- Onde se mede a diferença de potencial.

4- Local de ligação do sensor de Rg= 8,7kΩ.

5- Potenciómetro (5kΩ de calibração para a

ponte de Wheatstone de acordo com o sensor.

6- Resistências iguais a Rg do sensor de 9,1kΩ.

7- Módulo amplificador.

fig. 4-14 Foto da Ponte de Wheatstone para gerar diferença de potencial.


Na fig. 4-14 pode-se visualizar que as resistências são da mesma ordem de

grandeza do sensor e são todas do mesmo valor (9,1 kΩ). Além das resistências a ponte


de Wheatstone, possui um potenciómetro que serve para calibrar a ponte de acordo com

o sensor usado, pois o sensor não é igual às resistências, logo têm de ser calibrado para

que a diferença de potencial seja ΔV0=0 (quando o sensor não sofre pressão).

Após a implementação da ponte de Wheatstone com o sensor, fez-se a análise

da diferença de potencial e a sua apresentação através do gráfico da fig. 4-15.

fig. 4-15 Gráfico da diferença de potencial existente na ponte de Wheatstone.

A diferença de potencial máxima, existente nos 4 ciclos de deformação é de

cerca de ∆ 0 0,005 volts, com uma tolerância até 0,006 volts.

A diferença de potencial da ponte de Wheatstone sobre a deformação será de

(∆ 0/d) 10 mV/mm. Pela equação 4-8 (V V GF ), obtêm-se que (V

, , ) ∆ 0 5,89mV isto em 0,5 mm.

4.7.2 – Módulo de amplificação do sensor piezorresistivo.

O módulo de amplificação do sensor piezorresistivo foi construído, porque a

ponte de Wheatstone, ao ser alimentada a 5 volts, apresenta no máximo uma tensão de

saída de 0,006 volts, isto, quando o sensor está na deformação máxima. A tensão de

referência do ADC é de 4,096 volts, por isso o ganho do amplificador deverá ser de 500

vezes, utilizando uma resistência RG = 100 Ω.

A fig. 4-16 apresenta os circuitos esquemáticos para o módulo de amplificação

do sensor piezorresistivo.


Capítulo 4

Lista de componentes:

R1 100 Ω resistência de ganho RG. Ganho 500 vezes.

IC1 Amplificador de instrumentação INA114 [1].

C1 e C2 0,1 F

SL1 Conector de ligação à placa de transmissão de dados.

fig. 4-16 Diagrama esquemático e placa do módulo de amplificação do sensor piezorresistivo.

Como se pode ver na fig. 4-16 o módulo de amplificação possui um ganho de

500. Estes valores foram calibrados experimentalmente, tendo em consideração o

circuito da ponte de Wheatstone e o GF do sensor. O Ganho definido permite obter em

uma tensão de 3 volts, ( ∆ 0,006 volts x 500 = 3 volts), a qual

se encontra dentro da gama de entrada do ADC (4,096 volts). O valor de referência do

amplificador é o GND.

O circuito não é alimentado pela gama TTL (5 volts), mas sim por duas

baterias de 9 volts, perfazendo 18 volts para o –Vcc e +Vcc.

O conector da placa, possui um pino de aquisição de dados (ADC), que permite

ao mesmo módulo, ler os dados amplificados depois da ponte de Wheatstone com o

sensor piezorresistivo e módulo de amplificação.

A fig. 4-17 mostra o módulo já construído e os fios da ligação da ponte de

Wheatstone, tal como o conector do módulo amplificador.

fig. 4-17 Diferentes perspectivas do módulo amplificador do sensor piezorresistivo.



O módulo de amplificação do sensor piezorresistivo, foi utilizado para medir

diferentes tipos de deformação (mais exactas). Mas, o projecto engloba outro sensor de

deformações, o sensor piezoeléctrico, este lê deformações a diferentes frequências.

4.8– Módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico

Nas secções seguintes, serão descritos os sensores piezoeléctricos de forma

experimental, referenciando assim o modo de construção do transdutor, bem como a

construção de módulos electrónicos, para a leitura das grandezas físicas.

4.8.1 – Ilustração e aplicação do sensor piezoeléctrico

A fig. 4-18 mostra o sensor piezoeléctrico que é obtido através do polímero β-

PVDF [4].

fig. 4-18 Obtenção foto da construção do sensor [4].

No projecto, utiliza-se uma amostra comercial do polímero β-PVDF de 20μm

de espessura, 5cm comprimento e 3cm de largura. Assim que o material é preparado,

são depositados eléctrodos em ambos os lados. No presente trabalho, optou-se pela

utilização da técnica da evaporação térmica ao invés da pulverização catódica de

magnetrão, sendo utilizado como eléctrodo o alumínio [20].

A deposição térmica, foi efectuada numa câmara de vácuo, quando esta atinge

1 10 mbar. O cadinho contém o material a ser evaporado no seu interior e é

aquecido por uma corrente eléctrica que varia entre os 100 A e os 200 A. No topo da

câmara onde a deposição é executada, é colocado um sensor de massa. A fim de

depositar o eléctrodo sobre o polímero β-PVDF, a energia eléctrica aplicada ao cadinho

deve aumentar lentamente. Quando a temperatura de evaporação do alumínio é atingida,

o sensor vai indicar uma variação de massa proporcional à espessura do filme.

Na amostra são colados dois fios de cobre através de tinta de prata, permitindo

aumentar a superfície de contacto, efectuando-se assim uma leitura da deformação

piezoeléctrica


Capítulo 4

A fig. 4-19 ilustra a resposta, quando é aplicado um impulso ao transdutor com

uma amplitude entre -0.2 e 0.2 volts, ∆ . e um atraso de 4 ms. O resultado total

é obtido ao fim de 30 ms. Verificou-se que o sensor em contacto com corpo humano

apresenta uma variação de volts.

fig. 4-19 Diferença de potencial obtida nos eléctrodos do (β-PVDF), quando aplicado um impulsos de pressão.

Sabendo a diferença de potencial gerada pelo transdutor, opta-se por construir

um amplificador compatível com o mesmo e com o ADC.

4.8.2 - Módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico.

Na construção do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico, realizaram-

se medições dos sinais, verificando a diferença de potencial produzida nos sensores.

Esta depende da área do material, das forças de impacto e das deformações recebidas

pelo transdutor, estas tensões são na ordem de -0,21 volts e +0,21 volts (∆ 0,42).

Ao contrário do sensor piezoeléctrico, o ADC lê apenas valores de tensão positivos.

Fez-se a análise do amplificador e do ADC, alterando-se o valor de referência

do amplificador de instrumentação para 2,5 volts. Através destes valores construiu-se o

módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico (fig. 4-20).

Tendo em consideração os resultados, atribui-se um ganho de 10 vezes ao

amplificador, fazendo uma leitura de valores de 4,6 volts (0,21 volts 10 +2.5), que é o

valor máximo de amplificação. Esse valor de amplificação é próximo de 4,096 volts,

que é o valor da leitura máxima do ADC escolhido.

A fig. 4-20 ilustra os dois sensores filmes piezoeléctricos e as ligações

correspondentes, encontrando-se nesta o módulo amplificador.



O modo de fixação do transdutor condiciona a sua estabilidade, sendo mais

estável aquele que se encontra acoplado ao PCB, apresentando assim menor oscilação

do que no caso de a ligação ser feita por fios de cobre.

fig. 4-20 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezoeléctrico.

1- Módulo de ampliação 2- Valor de referência do amplificador 2,5Volts através do Lm185_2.5V. 3- Sensor piezoeléctrico mais estável. 4- Sensor piezoeléctrico menos estável pois oscila mais está menos preso.

A tensão de referência do ADC é de 4,096 volts, por isso o ganho do

amplificador deverá ser de 10 vezes, utilizando para isso uma resistência RG =

5,56KΩ (fig. 4-21).

Lista de componentes:

R1 5,56KΩ resistência de ganho RG. Ganho 10 vezes. IC1 Amplificador de instrumentação INA114 C1 e C2 0,1 F R2 resistência de 200kΩ IC2 Lm385_2,5volts (Regulador de tensão 2,5 volts) SL1 Conector de ligação à placa de transmissão de dados.

fig. 4-21 Diagrama esquemático e placa do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico.

A semelhança existente no módulo de amplificação do sensor piezorresistivo

com o piezoeléctrico é que, ambos estão alimentados por duas baterias de 9 volts e

possuem um amplificador. O conector da placa de aquisição de dados faz a


Capítulo 4

comunicação com o conector do módulo amplificador, este possui também o pino de

ligação ao ADC e outro pino que é alimentado a 5 volts. A Tabela 4-2 representa a

ligação do conector do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico.

Tabela 4-2 Ligações do conector do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico.

8 7 6 5 4 3 2 1

+9 volts GND -9 volts 5 volts ADC

Na fig. 4-22, pode ver-se a ligação da tensão referencial, que é a grande

diferença entre o módulo amplificador do sensor piezorresistivo e o módulo

amplificador do sensor piezoeléctrico, além da resistência de ganho.

fig. 4-22 Plano de massa do amplificador do sensor piezoeléctrico e a alimentação de referência.

O sensor piezoeléctrico e o seu amplificador sofrem perturbações das radiações

electromagnéticas, por isso optou-se por construir uma gaiola de Faraday.

4.9- Gaiola de Faraday

O circuito de amplificação e o sensor piezoeléctricos estão embutidos numa

gaiola de Faraday, com o objectivo de eliminar grande parte dos ruídos provocados por

radiações electromagnéticas.

Ao utilizar uma blindagem eléctrica (gaiola de Faraday), esta permite eliminar

grande parte do ruído existente no meio, como perturbações produzidas por campos

eléctricos e/ou electromagnéticos. A gaiola de Faraday é de construção simples, uma

vez que, apenas é constituída por uma superfície condutora (folha de alumínio) que

envolve uma dada região.

Os dados que sofrem perturbações electromagnéticas, são em geral os sinais

analógicos, que não podem ser lidos por nenhum processador, por isso utiliza-se um

ADC para converter os sinais analógicos para digitais.



4.10 – Conversor ADC Série

O ADC usado neste trabalho foi o MAX187 que é do tipo aproximações

sucessivas com 12 bits de resolução, sendo esse o motivo da sua escolha. A palavra

binária de saída, é passada ao exterior em série, por intermédio de um shift register

interno ao próprio ADC. As linhas de START e EOC estão multiplexadas com as linhas

de CS e DOUT. Para se proceder à conversão foi seguido o seguinte procedimento [4]:

• A linha /CS é iniciada a nível lógico 1;

• Envia-se um pulso de clock na linha SCLK com uma duração mínima de 0,25uS;

• Coloca-se a linha /CS a zero para que o ADC comece a conversão;

• Quando a conversão termina (cerca de 8,5uS depois), o ADC coloca a linha DOUT a 1

para indicar que os dados estão prontos a ser lidos;

• A partir daqui, para ler os 12 bits basta enviar um pulso de clock (colocando a linha

SCLK a 1 durante pelo menos 0,25uS, colocando-a de seguida a 0). O valor do bit

mais significativo fica disponível na linha DOUT. Repete-se o procedimento para se

obterem os restantes 11 bits;

• Enviam-se 2 ou 3 pulsos de clock para que haja a garantia de que o buffer está vazio;

• No final volta a colocar-se a linha CS a 1 e a conversão está concluída.

A escolha deste circuito integrado deve-se ao facto, da conversão equivalente

digital ser com resolução de 12 bits. A tensão de funcionamento do input do ADC é de

“0” a “4,096” volts e o amplificador pode ser ajustado a essa gama. Este ADC possui

palavras de 4095 bits, que equivalem a 4,096 volts. Sendo a expressão do valor

analógico da seguinte forma V_analogico=4,096 V_ digital/4095.

O ADC série, só converte os valores analógicos em valores digitais de 12 bits

série, estes terão de ser armazenados num buffer para construir um valor legível por um

processador, neste caso utilizou-se como processador o microcontrolador 8052.

4.11– Microcontrolador 8052

O microcontrolador escolhido foi o 8052, que pertence à família de

controladores 8051 inicialmente desenvolvidos pela Intel. Nos parágrafos seguintes,

serão analisadas algumas das suas funcionalidades que o tornam útil nesta aplicação.


Capítulo 4

Interrupções 8052: As interrupções ocorrem, quando por algum motivo um sinal é gerado e

enviado ao CPU. Este sinal indica ao CPU a ocorrência de um evento que pode ser

interno ou externo ao microcontrolador. Por exemplo, overflow do timer ou a mudança

de estado num pino do porto. O CPU executa uma ISR (Interrupt Service Routine), que

efectua acções específicas em resposta à interrupção. As interrupções provocam uma

transferência de execução para um endereço conhecido, onde reside uma rotina de

serviço à interrupção (ISR).

Timers: A versão da 8052 usada possui 3 timers.

Os timers 0 e 1 são timer/counters de 8 bits, que permitem três modos de

funcionamento.

O timer 2 é um timer/counter de 16 bits encontrado apenas na família 8052,

permite três modos de funcionamento, sendo merecedor de particular destaque o modo

de temporizador/contador de 16 bits com autocarregamento, que é utilizado na

comunicação série.

Comunicação série: O porto série no 8052 funciona no modo full duplex, ou seja, permite recepção

e transmissão simultânea. A recepção é feita pela leitura do registo SBUF, enquanto o

envio é efectuado pela escrita no mesmo registo [6].

4.12 – Transmissão da Trama Série Existem 3 tipos de comunicação série sendo estas simplex, half-duplex e full

duplex.

• Simplex: transmissão num único sentido (fig. 4-23).

fig. 4-23 Esquema da transmissão simplex [7].

• Half-duplex: transmissão nos dois sentidos “à vez” (fig. 4-24).

fig. 4-24 Esquema da transmissão half-duplex [7].

• Full-duplex: transmissão simultânea nos dois sentidos (fig. 4-25).

fig. 4-25 Esquema de transmissão full-duplex [7].



A transmissão de dados série, pode ser orientada na sua transferência, de modo

síncrono ou assíncrono.

Comunicação Assíncrona e Síncrona

Comunicação síncrona USART (Universal Synchronous-Asynchronous

Receiver-Transmitter): orienta a transferência de blocos de dados em cada unidade de

transferência. Na comunicação síncrona, geralmente é usada uma linha própria com o

sinal de relógio ou este é extraído do próprio sinal através de técnicas de processamento

de sinal [6].

Comunicação assíncrona UART (Universal Asynchronous Receiver-

Transmitter): orienta a transferência de um único byte de dado, em cada unidade de

transferência. Na comunicação assíncrona, o sincronismo é extraído pela análise do

pacote de dados [6].

Estrutura da transmissão série

Durante a transmissão série do microcontrolador, os Bytes são estruturados da

seguinte forma: start bit, bits de dados, bit de paridade (opcional) e num stop bit [6].

Interface físico RS-232

O interface físico geralmente usado na comunicação série é denominado de RS-232 [6]:

• Este interface define os níveis eléctricos:

• ‘0’: Tipicamente entre +5 volts e +12 volts.

• ‘1’: Tipicamente entre -5 volts e -12 volts.

• Está tipicamente limitada a velocidades inferiores de 100.000 bits por segundo (dependendo do controlador de comunicações).


Capítulo 4

4.13 – Construção do módulo de aquisição de dados

Conhecendo o funcionamento do ADC e do microcontrolador, construiu-se o

hardware de aquisição de dados (módulo de aquisição de dados).

A fig. 4-26 mostra a placa de aquisição de dados e transmissão RF,

evidenciando o módulo de aquisição de dados, sendo este composto por um “ADC

série”, como se pode verificar no item 6.

Os leds ilustram o controlo do ADC e podem ver-se no item 13.

A fig. 4-26 evidencia um microcontrolador (8052), que se visualiza no item 10.

No item 8 pode-se encontrar um interruptor, este acciona o começo da transmissão

através de uma “interrupção externa 0” [6] e [4].

1. 2 Baterias de 9 V. 2. Conector da porta série [6]. 3. IC RS232 [17]. 4. LM7805 reg de tensão [13]. 5. Interruptor start transmissão. 6. Led ligação do módulo. 7. Conector de ligação aos

módulos de amplificação. 8. IC do ADC série [4]. 9. Fio como antena RF [15]. 10. Microcontrolador 8052 [18]. 11. Reset do sistema [6]. 12. Módulo RF TX433N [15]. 13. Leds do controlo ADC.

fig. 4-26 Foto do módulo transmissor de dados analógicos, com evidência dos itens de aquisição de dados.

A fig. 4-26 mostra o módulo transmissor obtido a partir do diagrama

esquemático da fig. 4-27.

No item 8 da fig. 4-26 encontra-se um “ADC Max Série 187”, que pode ser

enquadrado no esquema da fig. 4-27 com um quadrado vermelho. Nesta figura podem-

se encontrar leds de presença de controlo do ADC, estes são circunscritos por uma oval

vermelha e visualizados no item 13 da fig. 4-26 [4].

O microcontrolador é evidenciado no item 10 da foto e esquematizado através

do rectângulo azul (fig. 4-27). Os círculos azuis no diagrama esquemático representam

ligações auxiliares para o funcionamento correcto do microcontrolador. São elas um

cristal de 12MHz com dois condensadores de 22 pF em paralelo e o interruptor de reset

(S1), com a função de reiniciar o microcontrolador [18].



Os pinos de controlo do ADC encontram-se ligados da seguinte forma, o

SCLK (clock) a P1.0, o /CS a P1.1 e o DOUT a P1.2, pode ver-se as ligações na fig.

4-27.

fig. 4-27 Diagrama esquemático com a exposição de módulos para aquisição de dados.

No esquema da fig. 4-27 encontra-se um rectângulo amarelo, que ilustra um

interruptor. Por sua vez, este representa uma interrupção externa do microcontrolador,

sendo esta a “interrupção externa 0” (ISR_EXT_0). O interruptor é representado no

item 5 da fig. 4-26. Este tem como objectivo, fazer com que o microcontrolador só

transmita os dados quando accionado pelo mesmo, isto é, assim que haja uma transição

de nível descendente (um para zero) no pino 3.2. Deste modo permite que o módulo só

transmita quando necessário e não haja uma transmissão continua.

O pino da interrupção externa (ISR_EXT_0), também se encontra ligado aos

pinos do acesso da placa de transmissão (item 7 da fig. 4-26). Este pino foi concebido

para o caso de ser necessário fazer a activação da transmissão pelo módulo de leitura.

Na Tabela 4-3 pode ver-se o acesso à leitura do “ADC série” (ponto 1), que

está ligado ao pino P1.2 do microcontrolador. Tabela 4-3 Ligações do conector de módulos.

8 7 6 5 4 3 2 1

+9 volts GND -9 volts 5 volts P3.2 ISR

Ex0

P2.0

Mux C0

P2.1

Mux C1

P1.2

ADC


Capítulo 4

4.13.1 - Multiplexador

Os módulos de amplificação, estão ligados alternadamente à placa principal

através de um conector de placa, por isso houve a necessidade de explorar o circuito

integrado de multiplexação.

Um multiplexador ou desmultiplexador é um dispositivo que codifica as

informações de duas ou mais fontes de dados, num único canal. [19].

Em electrónica, o multiplexador combina um conjunto de sinais num único

sinal eléctrico, existindo assim diferentes tipos de multiplexadores para circuitos

analógicos e digitais.

Após a construção do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico,

obteve-se o registo da deformação física do transdutor. Posteriormente, fez-se a

substituição do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico, pelo módulo de

amplificação do sensor piezorresistivo, através da montagem do circuito da ponte de

Wheatstone fazendo-se variar o outro transdutor e obtendo assim o registo de

deformação. Após estes dois resultados na fase de teste serem obtidos, fez-se a pesquisa

para ultrapassar a idealização do uso dos dois transdutores em paralelo no circuito, mas,

como o circuito se encontra na fase de protótipo e teve de sofrer algumas melhorias,

optou-se por não se construir um novo circuito de mutiplexagem.

O multiplexador sendo utilizado teria de ser controlado pelo firmware do

microcontrolador, esse mesmo microcontrolador é utilizado na aquisição de dados

analógicos através de um firmware desenvolvido pelo programador.

4.14 – Firmware do Microcontrolador

Para se poder desenvolver firmware para um microcontrolador é necessária uma

plataforma de desenvolvimento com requisitos de hardware (h/w) e software (s/w), estes

requisitos permitem programar e conectar o microcontrolador à aplicação [6].

• O sistema é composto no mínimo por, um PC conectado a uma placa de

desenvolvimento onde está o microcontrolador e um assembler (executável no

PC) desse microcontrolador;

• Um sistema mais dispendioso consiste em placas de desenvolvimento,

emuladores in-circuit para debug do h/w e s/w e interpretadores para linguagens

de alto nível, tudo fornecido por vendedores especializados.


http://pt.wikipedia.org/wiki/Dados

http://pt.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Sinal_el%C3%A9ctrico&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_anal%C3%B3gico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_anal%C3%B3gico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_digital


4.14.1 – Plataforma de desenvolvimento

Foi usada uma placa de desenvolvimento, para uma determinada gama de

microcontroladores, utilizando o microprocessador 80x52 da família do 80x51 [6].

A placa de desenvolvimento tem os seguintes componentes: ligação de USB

com PC e hardware mínimo de suporte. Utiliza como software de descarga de firmware

o software (FlashMagic – Philips/NXP) e utiliza como software de “debug” (Keil

μVision versão Demo) que é uma ferramenta para desenvolvimento/simulação

(Assembler e C) dos microcontroladores.

Esta placa serviu como base teste para fazer “debugs”. Para se conseguir

realizar os testes foi posteriormente colocado o ADC na placa (fig. 4-28).

fig. 4-28 Teste nas placas com ADC série inserido.

4.15 – Algoritmo do Microcontrolador

O firmware do microcontrolador é fundamentado num algoritmo estudando-o a

partir dos diferentes componentes.

Para o funcionamento do ADC, este deve ser estimulado externamente, esse

estímulo pode ser dado por um circuito integrado sem programação ou através de um

microcontrolador programado, sendo este o método mais simples e eficaz, partiu-se para

o algoritmo do mesmo.

4.15.1 – Algoritmo geral do Microcontrolador

A fig. 4-29 ilustra o fluxograma geral do algoritmo do microcontrolador.


Capítulo 4

fig. 4-29 Fluxograma geral do algoritmo do microcontrolador.

4.15.2 - Algoritmo para o Controlar o ADC

Com base no ADC estudado, fez-se uma análise para a implementação de um

algoritmo dedicado à arquitectura do microcontrolador, como se pode ver nos

fluxogramas seguintes da fig. 4-32 e fig. 4-33.

A fig. 4-30, apresenta o fluxograma dos diversos tipos de configuração para o

correcto funcionamento do microcontrolador, sendo estas as variáveis de manipulação,

que definem os portos, da “interrupção externa 0” (ISR_EXT_0), da “interrupção timer

0” (ISR_TMR_0), da porta série e do “timer 2”, que auxilia o funcionamento da porta

série. O BUSY é uma variável que é activa quando houver interrupção do porto externo

P3.2 (ISR_EXT_0) de nível descendente, activando a “interrupção externa 0” e por sua

vez a leitura dos dados do ADC [6].



Início

//Configura variáveis de manipulação//Configura os portos

//Configura a interrupção externa 0 e interrupção do timer 0

//Configura SCON porta série com baud rate a 2400bps

//Configura o timer 2BUSY=1 //obriga a ir à ISR_EXT0

BUSY==1?

ISR_EXT_0

s

n

fig. 4-30 Fluxograma da função principal (main).

O fluxograma da fig. 4-31 ilustra que o microcontrolador fica parado, enquanto

não for activada a “interrupção externa 0” (ISR_EXT_0). Neste caso a “ISR_EXT_0”

activa a “ISR_TMR_0”, o que significa que um evento externo coloca em

funcionamento o “timer 0”, este por sua vez faz correr as diversas subrotinas, que são as

de leitura do ADC e estão ilustradas nas fig. 4-32 e fig. 4-33.

fig. 4-31 Fluxograma da “interrupção externa 0” e “interrupção timer 0”.

A fig. 4-32 representa o fluxograma da subrotina, que faz a espera da resposta

do ADC, sendo feita através do microcontrolador, quando este é estimulado pelo

mesmo. Após o início do processo, o ADC responde a cada ciclo de clock com um bit

série, então fez-se a leitura dos bits série e converteram-se em bytes como se pode ver

no diagrama da fig. 4-33 [4].


Capítulo 4

fig. 4-32 Fluxograma espera micro resposta do ADC.

fig. 4-33 Fluxograma que lê os 12 bits do ADC para o microcontrolador.

4.15.3 - Algoritmo para transmissão de dados

Com a leitura dos dados de 12 bits convertidos em 2 bytes MSB (Byte mais

significativo) e LSB (Byte menos significativo), faz-se a transmissão de dados pelo

protocolo série. Este foi configurado no modo UART (comunicação assíncrona de



dados) de 8 bits, com um baud rate, que devido às características do módulo de

transmissão, é de 2400bps, sendo este suportado pelo “timer 2” [15] e [6].

Na fig. 4-34 pode visualizar-se o fluxograma para a transmissão de dados pelo

protocolo série, onde o “sbuf” (registo de bytes de leitura e escrita do microcontrolador)

transmite os dados, que são: START_BYTE, MSB e LSB nesta ordem de envio. O

START_BYTE foi escolhido devido à redundância do número em binário ser

1001|1001b e (99h). Sendo este número uma capicua, em que as duas nibbles são iguais,

servindo assim de filtro na transmissão e aquisição de dados RF.

A recepção de dados é feita por um módulo receptor RF, que converte estes

dados em digitais, sendo posteriormente o sinal enviado para o computador, para ser

processado num programa desenvolvido em Microsoft Visual C++.

fig. 4-34 Fluxograma de transmissão pelo protocolo série.

Configurações do microcontrolador

Com base nos diagramas de blocos referenciados anteriormente, fez-se as

configurações do microcontrolador, fundamentado na sua arquitectura.

Encontra-se exposto em apêndice o firmware do microcontrolador. Fazendo-se

realçar em assembly as configurações das interrupções, sendo estas da seguinte forma:


Capítulo 4

CONF_ISR_EXT0:SETB EA //Habilita todas interrupções SETB EX0//Activa a interrupção externa 0 ISR_EX_0 SETB IT0//Activa transição em modo descendente da I_EX0. SETB P3.2//Activa o porto RET

CONF_ISR_TR0: SETB EA //Habilita todas interrupções SETB ET0//Activa a interrupção do timer 0. MOV TCON,#00H MOV TMOD,#02H //Activa o timer 0 no modo 2 temporizador 8 bits de autocarregamento MOV TH0,#156D //Faz a configuração para 100 . MOV TL0,#156D RET

Na secção de algoritmo de transmissão de dados, foi ilustrado o fluxograma de

transmissão de dados, sendo este configurado no modo UART (comunicação assíncrona

de dados) de 8 bits, com um baud rate de 2400bps, devido às características do módulo

de transmissão RF, sendo ele suportado pelo “timer 2” do microcontrolador [15] e [6].

O fluxograma para a transmissão de dados, mostra como o “sbuf” transmite os

dados, sendo este o START_BYTE, MSB e LSB, nesta ordem de envio.

Estas configurações são mostradas a seguir e em apêndice, através da

linguagem em “assembly” [6]:

Configuração porta série: ;CONFIGURAR TIMER 2 MOV RCAP2H,#0FFH//Configura Baud rate 2400 bps MOV RCAP2L,#64H//Configura Baud rate 2400 bps MOV T2CON,#34H//Configura Timer 2 registo e arranque ;CONFIGURAR SCON porta série MOV SCON,#50H//Configura UART 8 bits

Configuração de transmissão: mov sbuf,#099h //Configura o envio do START_BYTE pelo tx JNB TI,$ //Espera pelo envio do valor CLR TI //Limpa o sbuff MOV A,MSB MOV SBUF,A //Envia o valor MSB pelo tx JNB TI,$ CLR TI MOV SBUF,LSB //Envia o valor LSB pelo tx JNB TI,$

Utilizando o microcontrolador este adquire os dados digitais e envia-os pelo

protocolo série, através de duas pistas da placa de circuito impresso. As duas pistas são

para o módulo de transmissão RF e o módulo de transmissão RS232 (opcional).

4.16 – Construção do módulo de transmissão série

O módulo de transmissão série RS 232 evidenciado na fig. 4-35 é um módulo

opcional, com possibilidade de não entrar em circuitos futuros. Construiu-se para dar



possibilidade ao utilizador de ligar a placa a uma ficha DB9 (porta série) e assim obter

os sinais directamente da placa em vez de ser por wireless.

1. 2 Baterias de 9 V. 2. Conector porta série [6]. 3. IC RS232 [17]. 4. LM7805 reg de tensão [13]. 5. Interruptor start transmissão. 6. Led ligação do módulo. 7. Conector de ligação aos módulos


fig. 4-35 Foto da placa de transmissão de dados analógicos, com evidência da comunicação da porta série.

A fig. 4-35 ilustra a foto da placa fazendo evidência ao item 2, que é um

conector da porta série (DB9). O item 3 da placa evidencia o IC RS232 e sua periferia.

Esta inclui, 4 condensadores de 1 , que se podem ver no quadrado a vermelho da fig.

4-36 [17].

No quadrado a amarelo fig. 4-36, pode-se ver o pino TX (P3.1) do

microcontrolador, que envia os dados em paralelo para o módulo RF (azul) e para o

circuito RS232 (vermelho).

fig. 4-36 Ilustração do diagrama esquemático com evidenciação do módulo de transmissão de parte do esquema da placa.


Capítulo 4

4.17 – Conceitos RF

O microcontrolador encontra-se ligado a um sistema de Wireless por isso

realiza-se a sua caracterização.

O conceito de Wireless está associada a uma transmissão de dados sem fios,

essa transmissão pode ocorrer de formas distintas, tais como, infravermelhos, Wi-Fi,

radiofrequência (RF), ultra-sons, entre outros.

Um sinal de RF corresponde a uma onda electromagnética que se propaga num

determinado meio à velocidade da luz, com uma frequência inversamente proporcional

Esta relação é descrita pela equação:

4-9

Onde, λ - é o comprimento de onda.

c - é a velocidade da luz no meio em questão

f - é a frequência do sinal.

Uma onda electromagnética pode ser caracterizada pela seguinte expressão:

E = ZH 4-10

Onde, E = é o valor do campo eléctrico, V/metro.

H = é o valor do campo magnético, A/metro.

Z = é a impedância característica do meio, ohms.

As características da impedância dependem do meio de propagação

nomeadamente da sua permeabilidade e permissividade. Tomando estes valores para um

campo aberto, μ = (permeabilidade) e mH /104 7−×π ε = 8,84 10 F/m

(permissividade). Sendo a impedância, Z, dada pela equação 4-11, para um campo

aberto Z=1192,28 Ω [21]:

4-11

Um sinal RF pode ser transmitido em campo aberto, através de uma antena, pois

as oscilações de cargas criam campos eléctricos e magnéticos, criam cargas oscilantes,

que se propagam no espaço. Na fig. 4-37, pode ver-se em campo aberto que o sinal

electromagnético (TEM) é transversal ou seja, o campo eléctrico e o campo magnético

são perpendiculares entre si, originando assim um plano de propagação das ondas [22].



fig. 4-37 Sinal electromagnético transmitido por uma antena [22].

4.17.1 – Técnicas de Modulação

A transmissão de informação recorrendo a ondas RF, é realizada através da

modulação de uma onda portadora RF com a informação a transmitir [22].

A modulação de um sinal pode ser feito de formas distintas, contudo as

diversas técnicas utilizadas são constituídas por uma ou mais das seguintes modulações:

Modulação em Amplitude (Amplitude Modulation —AM).

Modulação em Frequência (Frequency Modulation —FM).

Modulação em Fase (Phase Modulation —PM).

A modulação em amplitude (AM), consiste em modular a amplitude de uma

portadora com o sinal original a transmitir, constituindo assim o sinal modulado. Assim,

a informação de dados ficará contida na onda modulada através da variação da sua

amplitude (fig. 4-38).

fig. 4-38 Onda portadora, dados e onda modulada [22].

Na modulação em frequência (FM), mantém-se a amplitude da onda portadora,

na qual, após a sua modulação, se verifica a variação de frequência de acordo com o

sinal transmitido. A modulação em FM é normalmente utilizada nas emissões de rádio,

televisão e telemóveis. A fig. 4-39 ilustra o funcionamento das ondas FM.


Capítulo 4

fig. 4-39 Exemplo de ondas de modulação de frequências FM [22].

Na modulação por fase (PM) faz-se a transmissão do sinal, que é identificado

por modificações na fase da onda transmitida. A amplitude e frequência da onda

portadora são mantidas. O sinal PM é ilustrado na fig. 4-40 e corresponde a uma

codificação em que no caso do bit transmitido ser 1 existe uma mudança de fase de

180º, em relação ao intervalo anterior, mas no caso de o bit ser 0 não existe nenhuma

alteração.

fig. 4-40 Formas de onda de sinusoidais moduladas [21].

4.17.2 - O espectro electromagnético

A gama de frequências electromagnéticas, possui as mais diversas variedades,

cada uma delas tem o seu determinado fim. A fig. 4-41 mostra o espectro

electromagnético e o respectivo comprimento de onda, bem como a designação das

diferentes bandas [22].



Espectro Electromagnético

Frequência

Hz

Comprimento

Metros (m)

Tipo de radiação

Electromagnética

Exemplo, aplicações e efeitos

fig. 4-41 Espectro electromagnético ilustrado [22].

Ondas de diferentes frequências têm comportamentos diferentes, isto é, cada

gama de valores da variedade espectral é definida em diferentes bandas de frequência,

havendo uma banda espectral dedicada a canais de rádio, no caso do projecto 433MHz

[21].

A utilização de diferentes técnicas de multiplexagem de frequência, permite

ainda a optimização de espectro electromagnético. Estas técnicas de multiplexagem

tornam ainda mais atractivas a utilização de sinais RF, sendo frequente a utilização de

multiplexagem nas frequências (FDM), multiplexagem de sub-portadores (SCM), entre

outras.

Algumas frequências são atribuídas a serviços específicos, tais como,

telemóveis, radiodifusão analógico de rádio/ televisão, radares e serviços de

emergência. Neste caso, devem receber particular destaque as bandas de operação de

licença livre sendo elas "Industria, Ciência e Medicina" ISM, podendo ser visualizadas

na Tabela 4-4, a frequência livre usada na Europa é de 433MHz a 464Mhz.


Capítulo 4

Tabela 4-4 Operação de bandas livres ISM (Industrial, Scientific and Medical) [21].

Algumas bandas típicas ISM

Frequência Comentário

13,553-13,567 MHz

26,957-27,283 MHz

40,66-40,70 MHz

433MHz-464 MHz Europa

900MHz-928 MHz América

2,4-2,5 GHz WLAN/WPAN

5,725-5,875 GHz WLAN

24-24,5 GHz

Conhecendo a banda Europeia livre, realiza-se a busca dos módulos

compatíveis com essa banda.

4.18 – Análise do Módulo Transmissor Foi feita uma pesquisa e análise do mercado acerca dos transmissores e

receptores existentes. Com base nessa análise fez-se a escolha do transmissor em RF

433MHz, sendo este de uma banda de frequência livre. Usou-se então o módulo de

transmissão TX433N (433.92MHz), como se pode ver na fig. 4-42 [15] e [24].

fig. 4-42 Foto do módulo transmissor TX433N (433.92Hz) [15].

Este módulo foi escolhido devido às suas características, que são a entrada

“Data in” ser TTL e o sinal de saída ser em radiofrequência. A gama de frequência é de

433,92MHz, a sua modulação é em AM (modulação em amplitude). A velocidade de

transmissão máxima é de 8kbps. A tensão de alimentação do transmissor pode ser

contínua ou alternada entre 3 e 12 volts, as tensões de entrada podem variar entre -0,3 e

12 volts.

Com base nestes dados fez-se a configuração, construção e implementação do

circuito, tendo em atenção que a máxima performance de transmissão do módulo é com



um baud rate de 2,4 kbps. Tendo em conta que a frequência é 433,92MHz, pode-se ver

as restantes características na Tabela 4-5 [15]. Tabela 4-5 Características eléctricas, T=25º C, Vcc=3,6v e Freq=433.92MHz [15].

Características Símb. Mínimo Típica Máximo Unidades

Operação de frequências (2000KHz) Vcc 433,92 MHz

Modo de modulação AM 100 kbps

Transmissão máxima Performance 2.4 Kbps

Pico de corrente máxima com a

alimentação de 12 volts (DC).

ITP 45 mA

Pico da potência de saída PO 10 mW

Tensão de alimentação (DC), V0

varia entre

Vcc 3 5 12 Volts

Temperatura de operação TA -20 +85 ºC

Tx Antena saída (3V) 2.4 dB

Tendo conhecimento de como o módulo transmissor RF funciona, procede-se à

sua implementação.

4.18.1 – Implementação do Módulo de Transmissão RF na

Placa O módulo de transmissão RF, possibilita a transmissão de dados a cerca de 10

a 15 metros de distância em campo aberto, entre a placa de aquisição de dados (fig.

4-43) e a placa receptora de dados ligada ao computador.

1. 2 Baterias de 9 V. 2. Conector de porta série [6]. 3. IC RS232 [17]. 4. LM7805 reg de tensão [13]. 5. Interruptor start transmissão. 6. Led ligação do módulo. 7. Conector de ligação aos módulos


fig. 4-43 Foto da placa com evidência do módulo de transmissão RF


Capítulo 4

No item 9 da fig. 4-43, pode-se visualizar a antena externa do módulo

transmissor, esta antena é simplesmente um fio com 16,5 cm e 1mm de espessura como

recomendado pelo datasheet. É de salientar que os módulos conseguem comunicar entre

si, sem esta antena, porque possuem uma antena interior com menor alcance. Apesar

disso, também se desenhou uma antena no PCB, como se pode ver no quadrado cor de

laranja, isolando o plano de massa numa área de contacto (fig. 4-44) [15] e [16].

fig. 4-44 Diagrama esquemático da placa de PCB com evidencia do desenho da antena.

Alimentação do módulo RF

O módulo emissor RF foi alimentado a 5 volts. Se aumentar a alimentação até

12 volts, aumenta o seu raio de alcance até cerca de 100 metros [15].

A alimentação do módulo RF, afecta directamente a sua taxa transmissão, pois

se não for correctamente alimentado pode transmitir erros, dependendo da distância do

módulo transmissor e receptor.

4.18.2 – Taxa de transmissão de dados

Toda a parte de programação de alto nível (C++) e baixo nível

(microcontrolador), teve em particular atenção a referência deste datasheet do módulo

emissor RF, pois este destaca o funcionamento ideal com a taxa de baud rate de

“2400bps”. Na programação de alto nível é feita a verificação dos diferentes bytes,

tendo em consideração os testes de start bit, stop bit e o número de bits a ler.

Quando o interruptor de transmissão da placa é accionado, são transmitidos

continuamente três bytes, o START_BYTE, o MSB e o LSB. Considerando que cada

byte de dados tem 8 bits mais um start bit e um stop bit, então a string é 30 bits (10 3)



em cada transmissão. O tempo de transmissão total da string é de 12,5 milissegundos

(30/2400), querendo isto dizer que cada valor lido pela placa de aquisição de dados é

enviado de 12,5 ms em 12,5 ms [15].

4.19 - Análise e Implementação do Receptor RF

Após a definição da taxa de transmissão do emissor RF, da placa de aquisição

de dados, procedeu-se à construção da placa de recepção de dados RF. Esta placa é

composta pelo módulo “AC-RX Receiver” (Aurel) e pelo circuito integrado FT232BM

(emulador do protocolo série RS232 “Future Technology Devices International”),

tendo-se recorrido a um cabo USB para sua alimentação e comunicação com o

computador.

4.19.1 – Módulo AC-RX RF Receiver

O módulo “AC-RX Receiver” (Aurel) ilustrado na fig. 4-45, constitui parte

fundamental da placa receptora de dados RF [16]. Este tem por função a leitura dos

dados emitidos pelo módulo emissor em RF e sua conversão em sinais digitais (entre 0 e

5 volts).

Este dispositivo consome correntes na ordem dos 2,5 mA, sendo insensível a

perturbações de radiações externas [16].

fig. 4-45 Modulo “AC-RX Receiver (433.92MHz)” [16].

O módulo receptor “AC-RX RF” está certificado pela CEE, encontrando-se em

conformidade com as normas europeias EN 300 220-3 e EN 301 489 (normas usadas

para equipamento de pequeno alcance de rádio com níveis de potência até 500 mW,

para a faixa de frequência dos 25 MHz a 1000 MHz; verificando também a sua

compatibilidade electromagnética) [29].

A interface entre o módulo receptor RF e o computador, é conseguida através

do circuito integrado FT232BM e um cabo USB.


Capítulo 4

4.19.2 – Driver USB A codificação dos sinais digitais é assegurada pelo circuito integrado

FT232BM, que assume aqui a função de controlador da placa receptora. Este estabelece

a comunicação com o computador através de um cabo USB modificado de forma a

emular o protocolo RS232 (velocidade máxima 3 Mbps). Este circuito integrado é

compatível com os controladores “Host USB” versões 1.1 e 2.0 [11].

Após a construção do circuito electrónico (o driver USB), é necessário instalar

o firmware do fabricante, disponibilizado no site da FTDI [11].

O cabo USB é composto por 4 fios e uma malha para eliminação de ruídos

simples (fig. 4-46). Desses 4 fios, 2 são fios de alimentação controlados pelo“Driver

Host”.

O Cabo USB usa cores padrão para os fios, sendo assim, o fio de cor vermelho

é chamado “Vbus” (5 volts), ou seja, é o fio positivo (alimentação), o fio de cor preto é

o GND [10].

Os outros dois fios D+ (dado+) e D- (dado -), são usados pelo sistema USB

para transferir dados com o driver FT232BM. Todos os sinais de dados são transferidos

apenas por esses dois fios.

O bus USB pode fornecer no máximo 5 volt e 500 mA. A quantidade de

corrente que o dispositivo necessita para funcionar pode ser configurada via software.

fig. 4-46 Cabo de USB [10].

Caracterizado o módulo de recepção de dados RF e o driver para a USB,

procede-se na secção seguinte à implementação da placa de recepção de dados RF.

4.19.3 – Implementação da placa de Recepção de dados

A placa de recepção de dados integra fundamentalmente o módulo receptor e

interface de ligação ao computador, tal como se pode constatar na fig. 4-47. Dado a ser

um elemento integrador dos demais componentes identificados na fig. 4-47, esta suporta

todas as funções já descritas anteriormente, permitindo de forma genérica a recepção

dos dados transmitidos em RF e sua conversão para um sinal binário adequado.



1. Modulo receiver AC-RX Receiver (433.92MHz) [16].

2. Led Activo/Inactivo => Transmissão ON/OFF.

3. Led Activo/Inactivo => Recepção ON/OFF.

4. Led Activo/Inactivo => Power ON/OFF.

5. Ligação USB [10]. 6. Antena receptora.

fig. 4-47 Placa de recepção de dados RF.

A concepção da placa receptora de dados, envolveu a utilização de led’s, que

têm por objectivo sinalizar as diversas actividades da mesma de acordo com o

identificado na 4-48 [11].

A instalação da antena foi realizada através de um plano isolante no PCB e um

fio externo (16,5 cm de comprimento e 1 mm de largura), permitindo aumentar o raio de

alcance da placa de recepção para cerca de 10 metros. A fig. 4-48 representa a placa do

circuito, identificando-se em JP2 a antena [16].

fig. 4-48 Diagrama do circuito impresso da placa de recepção de dados RF.

A recepção dos dados pelo computador e sua interpretação, implicaram o

desenvolvimento de um software em Microsoft Visual C++, permitindo assim a sua

monitorização e impressão, como se poderá verificar na subsecção seguinte.

4.20 – Software

O software de leitura do sistema foi desenvolvido através da ferramenta

Microsoft Visual C++, uma vez que esta pode ser dedicada a ambiente visual (MFC).


Capítulo 4

A programação e execução foram feitas no sistema operativo Windows XP. O

software é composto por duas classes, sendo estas a classe de comunicação série e a

classe de monitorização.

4.20.1 – Classe Série A construção do programa teve como base estrutural, uma classe de

comunicação série. Esta classe permite inicializar as variáveis, que habilitam a

comunicação série, sendo estas descritas em baixo [25].

port.OPenSerialPort("COM2"); DCB myDCB; myDCB = port.GetSerialPortStade(); myDCB.BaudRate = 2400; // Current baud myDCB.ByteSize = 8; // Number of bits/bytes myDCB.StopBits = ONESTOPBIT; // 0,1,2 = 1, 1.5, 2 port.SetSerialPortState(myDCB);

Definindo-se os objectos da classe de comunicação série e seus valores,

estabelece-se a recepção, iniciando-se a leitura dos dados de forma directa através da

seguinte função:

port.ReadSerialPort(buff,1)

Esta função lê os dados do buffer do computador e usa-os de forma directa,

lendo os bits em série e convertendo-os num número hexadecimal.

A classe de comunicação série é utilizada de forma directa, através da classe de

monitorização de dados. Esta classe fará a filtragem dos dados, que não são enviados

pela placa de aquisição de dados analógica, fazendo assim, um pequeno protocolo entre

o emissor e o receptor.

4.20.2 – Construção da classe de monitorização A classe monitorização, tal como o nome indica, permite monitorizar os dados

recebidos e sua impressão gráfica. Esta foi implementada de acordo com o algoritmo

descrito no pseudo-código (4-50).

A leitura dos dados na classe de monitorização é iniciada após a recepção do

START_BYTE definido como 0x99h ou 153d.

Após o START_BYTE ser recebido, o algoritmo confirma se os valores lidos

estão dentro dos esperados (0x00h LSB <0xFFh e 0x00h MSB <0x0Fh), se

estiverem calcula-se então o valor lido na palavra do ADC utilizando a seguinte fórmula



“imprime valor =256 MSB + LSB”, sendo que o máximo valor lido pelo ADC é a

palavra de 4095.

O algoritmo tem como função principal ler os valores do ADC, podendo estes

serem introduzidos posteriormente noutro tipo de algoritmo, como a filtragem dos

diversos tipos de sinais e frequências geradas pelos dois transdutores. O pseudo-código

da fig. 4-49 ilustra o algoritmo da classe de monitorização de dados, em que esta lê os

dados e os converte em valores legíveis.

para (i=0; i<100; i++) l++; Faz enquanto (port.ReadSerialPort(buff,1)==FALSE) /* wait */; // printf("%x ", 0xFF & buff[0]);//(%x quer dizer hexadecimal) decimal[i]=0xFF & buff[0]; se(j==0)

se(decimal[i]==0x99)//4) start=1; startbit=decimal[i];//0xFF & buff[0]; m_W_SBITE=start_byte; //imprime start byte

Senão start=0;

se (start==1)

se(j==1) msb=decimal[i]; m_W_MSB=d_msb;

se(j==2 ) lsb=decimal[i]; m_W_LSB=d_lsb;

se (msb<=0x0F e msb>=0x00) d_msb=msb;

se (lsb<=0xFF && lsb>=0x00) d_lsb=lsb;

j++; se (j==3)

ler=((256*d_msb)+(d_lsb)); m_LER=ler; j=0;

fig. 4-49 Pseudo- Código da programação feita em C++.


Capítulo 4

Através do algoritmo anterior, pode-se visualizar o correcto funcionamento do

sistema, imprimindo os dados através de uma janela desenvolvida em MFC e exposta na

fig. 4-50.

Na fig. 4-50 pode-se ver os dados da seguinte forma. O quadrado vermelho é

START_BYTE, caso não seja, o programa espera pelo valor até que o seja. O quadrado

amarelo mostra o valor dos dois bytes do ADC, o mais significativo (MSB) e menos

significativo (LSB). Com base nestes valores, realiza-se o cálculo do valor da palavra

do ADC, que é entre “0 e 4095” exposto no quadrado a verde.

No programa pode-se verificar os seguintes botões de acesso, “SALVAR”,

“Cancel” e “STOP”. O botão “SALVAR” guarda os dados em ficheiro e sai do

programa, o botão “Cancel” cancela toda a operação e sai do programa e o botão

“STOP” pára a leitura dos dados

fig. 4-50 Imprime dados em MFC.

Os dados e os botões apresentados anteriormente, servem para auxiliar o

programa na monitorização do gráfico. Procedeu-se então, a construção e calibração do

gráfico através do código C++.

4.20.3 – Construção dos Gráficos

Na construção dos gráficos, realizou-se a configuração da classe de

monitorização para os diferentes dados dos sensores piezoeléctricos e piezorresistivos.

Os gráficos são apresentados nas fig. 4-51 e fig. 4-52 e o seu código pode ser

consultado neste documento no Apêndice (Código Microsoft Visual C++) [25].

O botão “START” é utilizado em ambos os programas, para começar a

imprimir os dados no gráfico.

O gráfico do sensor piezorresistivo foi calibrado para apresentar uma diferença

de potencial de cerca de 0,01 volts (máxima), pois o sensor na ponte de Wheatstone

varia entre 0 e 0,006 volts (fig. 4-51).



fig. 4-51 Gráfico para sensor piezorresistivo.

Posteriormente, para a obtenção do gráfico do sensor piezorresistivo, retirou-se

o módulo de amplificação compatível com o sensor e introduziu-se o módulo de

amplificação dos sensores piezoeléctricos, calibrando-se assim o gráfico compatível.

O gráfico do sensor piezoeléctrico tem uma diferença de potencial de cerca de

0,5 volts, pois as tensões deste, variam entre -0,25 e +0,25volts (fig. 4-52).

fig. 4-52 Gráfico para o sensor piezoeléctrico.


Capítulo 4

4.21 – Conclusões

Este capítulo começa por apresentar vários diagramas de blocos do sistema

electrónicos e os módulos a serem construídos, simplificando o problema da interacção

do leitor para com a construção.

Realizou-se uma análise do amplificador de instrumentação, explicando

posteriormente o módulo de alimentação do amplificador.

Analisou-se os sensores piezorresistivos, para através destes fazer a calibração

da ponte de Wheatstone.

Fez-se uma ilustração da aplicação do sensor piezorresistivo através da ponte

de Wheatstone, verificando a sua diferença de potencial. Através destes valores,

realizou-se a construção do módulo de amplificação do sensor piezorresistivo.

Fez-se uma ilustração da aplicação do sensor piezoeléctrico, verificando a sua

diferença de potencial. Através destes valores, construiu-se o módulo de amplificação

do sinal do sensor piezoeléctrico.

Realizou-se um estudo do ADC série, para construir o módulo de aquisição de

dados. De igual forma estudou-se o microcontrolador 80x52, que ilustra os periféricos

de acesso, os modos de transmissão de uma trama série e suas características. O módulo

de aquisição de dados é estimulado pelo microcontrolador, por isso, se construiu os

diferentes fluxogramas para a programação do microcontrolador através de uma placa

de desenvolvimento.

Foram ilustrados conceitos de RF, para conhecer o funcionamento dos módulos

adquiridos e utilizados na implementação. Realizou-se o estudo dos módulos RF de

transmissão e recepção e construiu-se a base para as suas aplicações. Criou-se a placa de

aquisição de dados analógicos e a placa receptora de dados via RF.

Posteriormente desenvolveu-se o software em Microsoft Visual C++, para ler a

variação dos sensores piezoeléctricos e piezorresistivos via RF, através da electrónica

atrás descrita.



4.22 - Bibliografia

[1] Precision Instrumentation Amplifier (2000); Consultado na Word Wide Web

no Datasheet do amplificador Texas Instruments Incorporated a 5/11/2008:

<http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/ina114.pdf>.

[2] ROCHA, J. Gerardo; (2005) Mosfets e Amplificadores Operacionais, Teoria e

Aplicações; Consultado em Netmove Comunicação Global, Lda., a 18/11/2008.

[3] COUTO, Carlos; (2005) Aulas Sensores; Consultado na disciplina de

Instrumentação e Sensores da Universidade do Minho a 19/11/2008.

[4] Maxim, +5V, Low-Power, 12-Bit Serial ADC (1993); Consultado no Datasheet

do ADC MAX 187da Maxim Integrated Products a 19/11/2008: <

http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX187-MAX189.pdf >.

[5] Aparício J. (2005); Sistema de aquisição de dados para monitorização de

temperaturas; Consultado em Laboratórios de Integrados 2 da Universidade do Minho a

19/11/2009.

[6] CABRAL, Jorge (2008); Microprocessador I; Consultado em

Microprocessadores I na Universidade do Minho a 19/11/2008.

[7] Atm (2003); Comunicação série; Consultado na Word Wide Web a 19/11/2008

< http://www-ssdp.dee.fct.unl.pt/leec/micro/20042005/teorica/6_comunicacao.pdf>.

[8] minicurso _ed.saber_.doc (2001); Consultado na World Wide Web a

19/11/2008: < http://www.apostilando.com/download_final.php?cod=333 >.

[9] Messias, António Rogério (2006); Comunicação com a Porta Série;

Consultado na World Wide Web a 19/11/08: < http://www.rogercom.com/>.

[10] Messias, António Rogério (2006); USB Motor Controle de motor de passo;

Consultado na World Wide Web a 21/11/08: < http://www.rogercom.com/>.

[11] Verny, Yang (2008); DS_FT232R_V201 Consultado no datasheet FT232 em

Future Technology Devices International Limited a 21/11/2008.


http://www-ssdp.dee.fct.unl.pt/leec/micro/20042005/teorica/6_comunicacao.pdf

http://www.rogercom.com/


Capítulo 4

[12] SEPÚVEDA Manuel J. (2006); Electrónica de Potência; Consultado na

disciplina de electrónica de potência na Universidade do Minho a 23/11/08.

[13] L7800 SERIES; (2000); Consultado no Datasheet regulador de tensão L7805 a

23/11/09:<datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXwrtr.pdf>.

[14] LM185-2.5/LM285-2.5/LM385-2.5 Micropower Voltage Reference Diode;

(1999); Consultado no datasheet da Nacional semicondutor a 23/11/09.

[15] BS (2007); TX433N; Consultado na Worl Wide Web na Velleman a

21/11/2008: <http://www.futuraelettronica.net/pdf_ita/8220-TX433N.pdf>.

[16] acrx_sheet; (2004) Consultado na World Wide Web em Aurel a 21/11/2008:

<http://www.aurelwireless.com/wireless/moduliwireless/manuali/650200473_mu.pdf>.

[17] +5V-Powered, Multichannel RS-232Drivers/Receivers; (2004) Consultado na

World Wide Web no datasheet RS232 da Maxim Integrated Products a 21/11/2008.

[18] DS89C430/DS89C450 Ultra-High-Speed Flash Microcontrollers; (2007);

Consultado na World Wide Web a 21/11/2008:<http://datasheets.maxim-

ic.com/en/ds/DS89C430-DS89C450.pdf>.

[19] 16-channel analogue multiplexer/demultiplexer; (1998); Consultado World

Wide Web em Philips Semiconductors a 21/11/08:

<http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4067B_CNV_3.pdf >.

[20] Barbosa Gabriel A. (2008); GEOSCUT Desenvolvimento de um sensor de

sismos utilizando um sensor de sismos piezoeléctricos; Consultado na Dissertação de

Mestrado da Universidade do Minho em Guimarães a 18/05/2009.

[21] Mendes, Paulo (2008); Aulas de Micro dispositivos de RF para comunicações

sem fios; Consultado na Universidade do Minho em Guimarães a18/05/09.

[22] Lopes, Francisco (2006); Comunicação de Informação a Longas Distância”;

Consultado na World Wide Web a 20 /05/ 2009: <http://www.esec-amato-

lusitano.rcts.pt/comunicacoes.pdf>.


http://www.futuraelettronica.net/pdf_ita/8220-TX433N.pdf



[23] Afonso José (2008); Wireless Communication at the Physical Layer;

Consultado na Dissertação de Mestrado na Universidade do Minho a 2/05/ 2009.

[24] Messias, António Rogério (2006); Lptwireless controlando 8 dispositivos via

RF (RR3 e RT4); Consultado na World Wide Web a 21/11/2008: <

http://www.rogercom.com/>.

[25] CodeProject (s.d.); Consultado na Worl Wide Web a 25/12/2008:

<http://www.codeproject.com/?cat=2>.

[26] Antunes J. M. (2004) A análise de assinatura no controlo de qualidade de

processos (O corte de rochas ornamentais) Consultado na Worl Wide Web a

12/06/2009: <http://digitalconcept.no.sapo.pt/Doc/JCAntunes%20Thesis.PDF>.

[27] Ferreira, Isabel (2004) Transdutores Consultado na World Wide Web a

18/03/09: <http://disciplinas.dcm.fct.unl.pt/ti/Files/Exercicios/Cap8-transdutores.pdf>

[28] Alpuim P.; Rocha P.F.; Marins E.S.; Gonçalves J.; Rocha J.G.; Mendez S.;

(2009) Ultra-Sensitive Shape Sensor test structures based on Piezoresistive Doped

Nanocrystalline Silicon Consultado a 20/09/09 em Vacuum, vol. 83, p. 1279–1282.

[29] Jornal Oficial da União Europeia (s.d.); Consultado na World Wide Web a

12/10/2009;<http//eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:C:2008:280:003

3:0064:PT:PDF>

[30] Alpuim P.; Filonovich S.A.; Ribeiro M. e Rolo A.G. (2008) Phosphorous and

boron doping of nc-Si:H thin films deposited on plastic substrates at 150º C by Hot-

Wire Chemical Vapor Deposition; Consultado a 5/10/2009 na ScienceDirect p.576-579.


mailto:[email protected]

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:C:2008:280:0033:0064:PT:PDF

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:C:2008:280:0033:0064:PT:PDF

Capítulo 5

Capítulo 5 Resultados


Após esta secção, é apresentado na secção 5.2, as funcionalidades dos módulos

usados para as diferentes placas de comunicação RF. Apresentando e analisando os

resultados, sendo estes a distância de transmissão do sistema Wireless (10 metros) e

tempo de amostragem.

Neste capítulo serão apresentados alguns testes em ambiente laboratorial, onde

foram registadas as leituras dos sensores.

Na secção 5.3, são apresentados resultados das deformações dos sensores

piezorresistivos e piezoeléctricos, caracterizando as suas respostas.

Na secção 5.4 apresenta-se as potências e correntes consumidas pela placa de

aquisição de dados e transmissão RF.

A secção 5.5 enumera-se novos desafios a serem alcançados para novas

soluções.

Na secção 5.6 apresenta-se os componentes usados para as diversas placas,

ilustrando, também o seu preço relativamente a algumas referências.

A secção 5.7 mostra o resultado deste documento, que foi um estudo

fundamentado em próteses.



5.2 – Funcionalidades dos módulos

A placa de aquisição de dados (fig. 5-1) permite adquirir dados analógicos

através de um conector, que faz ligação a outros módulos de amplificação

independentes. Esta tem a autonomia de cerca de 1 hora, sendo que, a sua capacidade de

comunicação é implementada pelo Módulo RF TX433N (para comunicação wireless).

Para além desta placa permitir comunicação wireless, também está habilitada para

comunicações RS232 através da porta DB9, que pode ser ligada directamente à porta

série do computador.


Resultados

Os módulos de amplificação são independentes, sendo utilizados em dois

diferentes tipos de sensores. O sensor piezoeléctrico utiliza um módulo de amplificação

com um ganho de 10 vezes e o sensor piezorresistivo utilizando uma ponte de

Wheatstone, atinge com o módulo amplificador um ganho de 500 vezes.

1. 2 Baterias de 9 V. 2. Conector porta série. 3. IC RS232 [17]. 4. LM7805 reg de tensão. 5. Interruptor start transmissão. 6. Led ligação do módulo. 7. Conector de ligação aos

módulos de amplificação. 8. IC do ADC série. 9. Fio como antena RF. 10. Microcontrolador 8052. 11. Reset do sistema. 12. Módulo RF TX433N. 13. Leds do controlo ADC.

fig. 5-1 Placa de transmissão de dados analógicos, evidenciando as suas aplicações.

A placa de aquisição e transmissão de dados RF utiliza uma banda europeia

normalizada para frequência livre, sendo esta banda de 433MHz a 464 MHz.

O módulo RF impõe o seu próprio protocolo por modulação de amplitude

(A.M.), este tem a capacidade de comunicar com o receptor de forma unidireccional

(modo simplex). Pode-se utilizar mais que uma placa de transmissão de dados, desde

que seja identificada pelo programador, este cria o seu próprio protocolo de

comunicação neste caso um START_BYTE de valor (0x99h). O dispositivo de

comunicação não é “plug and play”, como acontece com outros dispositivos que

comunicam de forma full-duplex. A placa de recepção de dados, serve de interface entre

as ondas de RF e o computador. Esta pode ser identificada na fig. 5-2.

1 - Modulo receiver AC-RX Receiver (433.92MHz). 2 - Led Activo/Inactivo => Transmissão ON/OFF. 3 3- Led Activo/Inactivo => Recepção ON/OFF. 4 Led Activo/Inactivo => Power ON/OFF. 5 Ligação USB [10]. 6 Antena receptora.

fig. 5-2 Placa de recepção de dados RF.


Capítulo 5

5.2.1 - Distância de transmissão e a qualidade

O módulo RF é alimentado a 5 volts. Se aumentar a alimentação até 12 volts, o

seu raio de alcance aumentará de 10 metros até cerca de 100 metros.

Tempo de amostragem e Baud Rate dos dados

Quando o interruptor de transmissão da placa é accionado, são transmitidos

continuamente três bytes, o START_BYTE, o MSB e o LSB. Considerando que cada

byte de dados tem 8 bits mais um start bit e um stop bit, então a string é 30 bits (10 3)

em cada transmissão. O tempo de transmissão total da string é de 12,5 milissegundos

(30/2400), que corresponde a uma frequência de amostragem de 80Hz.

Na programação de alto nível é feita a verificação dos diferentes bytes, tendo

em consideração os testes de aquisição de bits. Após isso, criou-se um algoritmo de

leitura e conversão de dados, fazendo-se posteriormente a sua impressão gráfica no

computador, para cada um dos transdutores especificamente.

5.3 – Resultados dos Transdutores

Os dois transdutores possuem um módulo de amplificação. O método de

fixação dos transdutores é com tinta de prata e fios de cobre isolados com verniz. Os

módulos de amplificação foram construídos de acordo com as características dos

sensores. Estes módulos são muito sensíveis pois funcionam com tensões na ordem dos

milivolts.

5.3.1 - Resultado dos Sensores Piezorresistivos

O sensor piezorresistivo, pretendido para este projecto era o sensor composto

por nano cristais de silício hidrogenado ( c-Si H). A adopção deste sensor advém do

facto de este possuir um elevado factor Gauge e a sua construção ser possível nos mais

diversos tipos de substratos, como cimento, vidro e vários tipos de plásticos.

Este sensor composto por c-Si H, permite que a sua construção seja feita

através da dopagem de diferentes tipos de substratos, o que permite obter neste um

conjunto de características importantes como, a sua flexibilidade, que é conseguida nos

substratos de plásticos como polimida (PI).


Resultados

Construiu-se na Universidade do Minho uma matriz de 4 sensores

piezorresistivos com c-Si H depositado num substrato de polimida (PI). Os sensores

possuíam as seguintes resistências 15,64 kΩ, 8,76 kΩ, 13,47 kΩ e 80,76 MΩ.

Após a construção dos sensores, estes foram afectados na sua resistência,

devido aos seus contactos em ouro e às diferentes temperaturas do ambiente, estando

assim a resistência do sensor em constante mudança. Deste modo, optou-se por calibrar

a ponte de Wheatstone (resistências 9,1 kΩ) em função do sensor piezorresistivo de

8,76 kΩ, utilizando um potenciómetro de 5 kΩ. De acordo com o referido no capítulo

anterior, este sensor apresenta também um factor de Gauge de -11,630 e uma máxima

deformação em “4-point bending” de = 0,00038 (l=5mm).

Realizaram-se vários testes electrónicos ao sensor, obtendo-se como referido

no anterior capítulo uma diferença de potencial na saída da ponte de Wheatstone de

∆ 0 0,005 volts, encontrando-se aqui alimentada a 5 volts.

Para além dos testes referidos no parágrafo anterior, realizaram-se também

testes para conseguir conjugar o sensor c-Si H à ponte de Wheatstone e ao respectivo

amplificador, mas sem sucesso. Procedeu-se ao aumento da alimentação da ponte de

Wheatstone de 5 volts para 9 volts, mas não foram conseguidos melhores resultados,

numa última tentativa realizou-se a amplificação do sinal para diversas gamas, mas

continuou-se sem se obter uma leitura de dados correcta pois o amplificador entrava em

saturação ou não apresentava tensão. Estes problemas deveram-se essencialmente a dois

factores, à difícil calibração do sensor devido ao seu comportamento oscilatório e à

deficiente construção dos contactos.

Posteriormente realizaram-se testes com um sensor piezorresistivo de

“polímeros compósitos com fibras de carbono”. Este sensor possui um factor Gauge

muito inferior ao do sensor piezorresistivo de nano cristais de silício, no entanto é um

sensor mais duro e robusto, uma vez que não possui contactos extras além de pequenos

fios de cobre revestidos com verniz de 5 cm. Dada a sua constituição, este é também

menos sensível a variações de temperatura ambiente.

O sensor piezorresistivo de fibras de carbono possui uma resistência de 1,022

kΩ, quando não sofre qualquer pressão.

Dado o comportamento oscilatório, apresentado pelo sensor piezorresistivo de

nano cristais de silício hidrogenado, o sensor piezorresistivo de “polímeros compósitos


Capítulo 5

com fibras de carbono” foi a solução mais eficiente encontrada para prosseguir com o

trabalho proposto nesta dissertação.

Assim sendo, este sensor foi testado para provar o funcionamento do módulo

amplificador piezorresistivo, módulo de aquisição de dados, módulo de transmissão

wireless e o software de monitorização construído em Microsoft Visual C++.

Caracterização da resposta resistiva e factor Gauge

Para se verificar a correcta leitura do sensor, fez-se a sua caracterização através

da sua resposta resistiva à aplicação de uma deformação conhecida. A sua

caracterização pode ser identificada pela fig. 5-3, tendo sido realizada, recorrendo a três

componentes:

- máquina de deformação universal (Shimadzu-AG-IS 500 N Testing

Instrument), para aplicação de uma deformação conhecida ao sensor;

- multímetro digital (Agilent – 34401) para registo e comunicação da

resistividade do sensor;

- Software Lab ViewTM 8 para recepção dos dados de resistividade em períodos

de 500 ms.

Analisando graficamente o sensor, pode-se verificar, que a resistência do

mesmo vai aumentando à medida que a deformação mecânica também aumenta, isto

acontece, porque o sensor apresenta características tipo p (aumenta a resistência com a

compressão). A diferença resistiva do sensor, a 1 mm de deslocamento é de ∆ 12Ω,

sendo que a deformação resistiva por milímetro é de ∆ / 12Ω/mm.

fig. 5-3 Caracterização da piezorresistência de 1,022 K com compósito de carbono.


Resultados

Com base nos dados da deformação da resistência do sensor e da deformação

mecânica do mesmo utiliza-se a técnica “4-point bending”. Construindo-se assim, o

gráfico da fig. 5-4, de modo a obter o factor Gauge do sensor, que é 1,9316.

fig. 5-4 Gráfico do factor Gauge do sensor piezorresistivo com fibras de carbono.

Caracterização da resposta em tensão

Sabendo que o sensor piezorresistivo possui uma resistência RG de 1,022KΩ,

na construção da ponte Wheatstone utiliza-se resistências da mesma ordem de grandeza

1 kΩ, que podem ser visualizadas na fig. 5-5.

1- Alimentação da ponte de Wheatstone 9 volts.

2- Alimentação da ponte de Wheatstone GND.

3- Onde se mede a diferença de potencial.

4- Local de ligação do sensor de Rg=1kΩ.

5- Potenciómetro de calibração para a ponte de

Wheatstone de acordo com o sensor.

6- Resistências iguais a Rg do sensor de 1kΩ.

7- Módulo amplificador. fig. 5-5 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezorresistivo.

Para melhor caracterização do sensor a nível electrónico, fez-se a leitura

gráfica do sensor na ponte de Wheatstone (fig. 5-6), sendo esta alimentada a 9 volts.

A caracterização da resposta em tensão do sensor é realizada de igual forma à

caracterização da sua resposta resistiva, sendo que aqui o multímetro digital regista a

diferença de potencial da ponte de Wheatstone.


Capítulo 5

fig. 5-6 Diferença de potencial da ponte de Wheatstone medida directamente no multímetro digital.

Caracterização da resposta em tensão utilizando placa de aquisição de

dados e transmissão RF

De forma testar a comunicação wireless incorporada na placa de aquisição de

dados e transmissão RF, procedeu-se à substituição do multímetro digital por a mesma.

A recepção de dados deixa de ser realizada pelo software Lab ViewTM 8 ficando agora a

cargo do software desenvolvido em Microsoft Visual C++.

Após a calibração gráfica do software de monitorização realizou-se a

comparação gráfica dos diferentes sistemas.

A monitorização dos dados foi conseguida com sucesso e apresentada na fig.

5-7. Para efeitos de comparação de resultados, na figura referida foi caracterizado o

comportamento em tensão do sensor piezorresistivo de “polímeros compósitos com

fibras de carbono” ao longo de um período.

fig. 5-7 Gráfico do sensor piezorresistivo adquirido por wireless.


Resultados

Na fig. 5-7 verifica-se que a deformação máxima ocorre para o valor de 0,028

volts. É de sublinhar que a calibração da ponte de Wheatstone se encontra de acordo

com as características dos sensores, o que implica uma nova calibração se as

características destes forem alteradas.

O gráfico é apresentado em níveis de tensão e não deformação, porque tanto o

sensor piezoeléctrico como o piezorresistivo têm de sofrer melhoras a nível de

calibração e filtragem de valores de acordo com a construção das próteses mecânicas.

5.3.2 – Resultado dos Sensores Piezoeléctricos

O resultado da construção do módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico

pode ser visto na fig. 5-8, esta ilustra os dois sensores piezoeléctricos e as suas ligações.

Na mesma figura pode-se verificar que o módulo de amplificação, se encontra ligado a

um dos sensores e à placa de aquisição de dados.

Durante o processo de caracterização dos sensores em baixo descrito,

verificou-se que um dos sensores, devido ao seu modo de ligação se torna mais sensível

a ruídos. Um dos sensores (A) encontra-se fixo no PCB, sendo que o outro (B) se

encontra praticamente solto, ligado por fios de cobre ao PCB. Este último é o sensor

mais sensível e por conseguinte menos estável.

A caracterização deste sensor piezoeléctrico procedeu-se nos mesmo moldes

que a caracterização do sensor piezorresistivo, diferindo apenas na máquina de

deformação universal, sendo utilizado aqui um motor de corrente contínua e seu

variador de velocidade em PWM (Pulse Width Modulation) a uma rotação de

aproximadamente 300 rpm.

1- Módulo de ampliação 2- Valor de referência do amplificador 2,5Volts através do Lm185_2.5V. 3- Sensor piezoeléctrico (A). 4- Sensor piezoeléctrico (B).

fig. 5-8 Conjunto do módulo amplificador do sensor piezoeléctrico.


Capítulo 5

Caracterização da resposta em tensão

A caracterização da resposta em tensão do sensor, foi realizada recorrendo de

igual forma ao multímetro digital e ao software Lab ViewTM 8, para uma frequência de

amostragem de 2 Hz.

Na fig. 5-9 pode-se encontrar a resposta em tensão do sensor piezoeléctrico,

verificando-se a produção de tensões na ordem dos 0,25 volts, ∆ 0,5 volts. É de

realçar que a sua resposta em tensão é distinta dependendo da face de impacto, superior

ou inferior, sendo o seu valor simétrico.

fig. 5-9 Medição do sensor piezoeléctrico.

O módulo de aquisição de dados desenvolvido, não consegue ler tensões

negativas, porém o amplificador possui um valor de referência que neste caso é 2,5 volts

atribuídos pelo “LM185-2,5”, sendo a tensão metade de 5 volts que é próximo do valor

máximo da palavra do ADC (4,095 volts).

Assim, o amplificador amplifica 10 vezes o sinal obtido e converte os sinais em

valores que possibilitam a sua leitura no módulo de aquisição de dados.

Caracterização da resposta em tensão do sensor B utilizando placa de

aquisição de dados e transmissão RF

A leitura dos sinais piezoeléctricos, mostrou ser um processo de difícil

concepção comparativamente ao processo de construção electrónica, uma vez que o

elevado ganho do amplificador conduz a graves oscilações. É de realçar que a

caracterização deste sensor foi realizada num ambiente ruidoso.

Pelo facto do sensor estar solto, este é mais sensível a pequenas vibrações e

outros ruídos (ex: música alta, trepidação de uma ventoinha do computador etc). Neste


Resultados

caso o sensor encontra-se sujeito a vibrações rápidas na ordem dos 20 Hz. Por este

motivo, facilmente se pode evidenciar o seu comportamento oscilatório na fig. 5-10.

fig. 5-10 Gráfico do Sensor piezoeléctrico menos estável.

A representação gráfica da fig. 5-10 ilustra as frequências existentes no meio

envolvente, assim como as rápidas vibrações provocadas pelo motor eléctrico.

O resultado com o sensor piezoeléctrico solto, apresenta valores em tensão com

elevadas oscilações, uma vez que este lê todo o índice de frequências e tensões.

Caracterização da resposta em tensão do sensor A utilizando placa de

aquisição de dados e transmissão RF Neste ponto, pretendeu-se caracterizar a resposta do sensor em tensão para

baixas vibrações (5 Hz) do motor eléctrico, com o sensor fixo e utilizando uma caixa de

Faraday (folha de alumínio) para reduzir as radiações electromagnéticas.

Pelas observações já referidas, este sensor apresenta como é esperado e

verificado na fig. 5-11 menores oscilações, sendo de facto menos sensível a ruídos

externos. Assim, apenas se podem verificar oscilações na frequência de vibração do

motor.

fig. 5-11 Gráfico do sensor piezoeléctrico mais estável.


Capítulo 5

O transdutor não pode sofrer contacto directo com tecido humano, pois cria

impedâncias no sensor devido à ligação do tecido humano à terra, produzindo assim

erros na leitura.

O transdutor dependendo do fim aplicativo, têm de ser ajustado ao meio

envolvente e sofrer vários tipos de filtragem, sendo esta a nível de localização

estrutural, filtragem electrónica e programável.

5.4 – Potência da placa de aquisição de dados As baterias têm a duração de cerca de 1 hora em funcionamento constante.

Quando a placa está ligada às duas baterias de 9 volts, os valores das correntes e

potências são os expostos na Tabela 5-1. Tabela 5-1Consumo de corrente das baterias pela placa de aquisição de dados, nos diferentes modos de transmissão.

RF RS232 +Vcc GND -Vcc Potência

Transmite ------------- 93 mA 90,5 mA -2,3 mA 18 1,62 W 90 =

------------ ------------- 87 mA 84,8 mA -2,2 mA 18 = 1,53W 84,8

------------ Transmite 94,8 mA 92 mA -2,2 mA 18 92 = 1,656 W

Tendo em atenção os resultados apresentados, verifica-se que quando as

baterias baixam um pouco os seus níveis de tensão, deturpam os dados lidos pelos

módulos amplificadores, assim como condicionam a transmissão do módulo RF.

5.5 - Desafios

A construção de um dispositivo/placa que permita agregar os módulos

concebidos e sensores, reduzindo a utilização excessiva de fios condutores, permitirá

certamente obter um dispositivo que apresente um comportamento menos oscilante e

ruidoso, sendo por isso mais fiável para futuros procedimentos experimentais. Esta

proposta, não invalida a necessidade de uma prévia caracterização dos sensores.

O processo de fixação do sensor piezorresistivo de c-Si H apresenta algumas

dificuldades no depósito dos seus contactos em ouro. A boa condutibilidade destes não

é condição suficiente, para que o sensor apresente um correcto comportamento, devem

por isso ser colmatadas as dificuldades do seu processo de deposição.

Verificou-se que o sensor piezoeléctrico, apresenta maiores variações com

impactos intensos, do que com deformações e dobras. Os resultados dos impactos são


Resultados


dados mais duradouros, esclarecedores e de melhor resposta, contudo, este

comportamento poderá condicionar o universo de aplicações que este tipo de sensores

poderá ser alvo.

É de considerar, a utilização de filtros electrónicos e algoritmos programáveis

para reduzirem os níveis de ruído na recepção dos dados.

5.6 – Preços e qualidade das placas

A Tabela 5-2 mostra as referências, quantidades e preços dos materiais

utilizados na construção do módulo de amplificação para os sensores piezorresistivos. Tabela 5-2Material utilizado na construção da placa de amplificação do sensor piezorresistivo.

Material Identificação Referência de

compra

Quantidade Preço/Unidade

Resistências R1 (100 Ω) [1] 1 0,10 €

Amplificador IC1 (INA114) [3] 1 10,0 €

Condensadores C1 e C2 (0,1 F) [1] 2 0,10 €

Conector SL1 (8 pinos) [1] 1 0,50 €

Placa 1 3,00 €

No total o módulo de amplificação do sensor piezorresistivo custou 14 €, sem a

ponte de Wheatstone e o transdutor.

A Tabela 5-3 mostra as referências, quantidades e preços dos materiais

utilizados na construção do módulo de amplificação para os sensores piezoeléctricos.

Tabela 5-3Material utilizado na construção da placa de amplificação do sensor piezoeléctrico.

Material Identificação Referência

de compra


Resistências R1 (5,56 k ) Ω

R2 (200 kΩ)

[1] 2 0,10 €

Amplificador IC1 (INA114) [3] 1 10,0 €

Condensadores C1 e C2 (0,1 F) [1] 2 0,10 €


Regulador de tensão

(2,5 volts)

IC2 [1] 1 1,29 €

Placa 1 3,50 €

No total o módulo de amplificação do sensor piezoeléctrico custou 15,89 €,

sem o transdutor.

Capítulo 5


A placa de recepção RF construída, possui os seguintes materiais e preços

apresentados na Tabela 5-4, relativamente às referências. Tabela 5-4 Material utilizado na construção da placa de recepção de dados RF.

Material Identificação Referência de

compra


Resistências R1,R2 e R3(100 Ω) [1] 3 0,10 €

FTDI_RS232 IC1 [1] 1 4,45 €

Condensadores C1, C2, C3 e C4

(0,1 F)

[1] 4 0,20 €

Leds LED1, LED2 e

LED3

[1] 3 0,40 €

Conector USB IC2 [1] 1 4,60 €

Módulo AC-RX

Receiver

PAD0 a PAD7 [2] 1 8,33 €

Placa PCB 1 6,00 €

Cabo USB 1 3,5 €

O valor da construção da placa de recepção de dados RF e dos seus

componentes é de 29,18 €, podendo identificar-se os mesmos na placa de recepção de

dados, através da fig. 5-12.

fig. 5-12 Diagrama esquemático da placa de recepção de dados RF.

A placa de aquisição de dados analógicos e transmissão RF, é construída pela

conjugação de vários módulos, que possuem os seguintes materiais e preços

apresentados na Tabela 5-5, relativamente às suas referências.

Resultados


Tabela 5-5 Material utilizado na construção da placa de aquisição de dados.

Material Identificação Ref. de

compra

Qt. Preço/Unidade

Resistências R1, R2, R3,R4 e R5 (100 Ω) [1] 5 0,10 €


Condensadores

cerâmicos

C1, C2 e C13 (0,1 F)

C9 e C10 (2,2 F) p

[1] 5 0,20 €

Condensadores

electrolíticos

C3 e C12 (4,7 F);

C4,C5,C7, C8 (0,1 F)

C14 e C15 (10 F)

[1] 8 0,25 €

Leds LED1, LED2, LED3 e LED 4 [1] 4 0,40 €

Conector das

baterias (3 pinos)

GND1, GND2 e GND3 [1] 1 1,20 €

Baterias

recarregáveis

Bateria 1 e Bateria 2 [1] 2 3,99 €

Max 232 IC4 [1] 1 1,97 €

Regulador de tensão

78x05

IC2 [1] 1 0,77 €

Conector porta série DB9 [1] 1 2,75 €

ADC Max 187 IC4 [1] 1 7,85 €

Microcontrolador IC5 [1] 1 7,00 €

Interruptores S1 e S2 [1] 2 0,15 €

Conector SL1 (8 pinos)

JP2 (4 pinos)

[1] 2 0,50€

Módulo TX- RF IC de JP2 [2] 1 5,83 €

Placa 1 15 €

O valor da construção da placa e dos seus componentes é de 57,25 €.

Pode-se também, identificar o diagrama esquemático da placa de aquisição de

dados analógicos e transmissão RF na fig. 5-13.

Capítulo 5

fig. 5-13 Diagrama esquemático de placa de transmissão de dados analógicos.

O valor total das placas é 116.32 € s/ IVA. O preço global das placas não é

muito acessível, mas consegue-se uma redução muito maior, retirando alguns

componentes de carácter adicional, como o módulo de RS232. Este produto tem uma

vantagem, que é a implementação por módulos, podendo assim, só usar os módulos que

se achar necessários para um futuro desenvolvimento do projecto ou sua posterior

comercialização.

A qualidade do projecto desenvolvido sofre limitações, por ser o primeiro

passo a ser dado na Universidade do Minho, no estudo de próteses com monitorização

wireless através dos transdutores piezorresistivos e piezoeléctricos. Não sendo o

protótipo final, porque pretende-se que as próteses consigam ser autónomas e

carregáveis através dos transdutores. Foi feita a construção das placas em módulos, para

que no futuro um possível investigador não precise de os estudar nem investir mais

dinheiro neles. Simplesmente poderá utiliza-los ou retira-los de acordo com o que achar

necessário, ou fazer as mudanças que achar convenientes. O projecto é de fácil uso, tem

qualidade e funciona correctamente para o propósito a que se destina.


Resultados

5.7 – Mercado e aplicações do produto

Numa primeira fase deste documento, começou-se por estudar o corpo humano

para neste introduzir o conceito de próteses. Este conceito foi estudado com apoio em

bases físicas de estudo de transdutores, estudando-se e desenvolvendo-se em electrónica

a sua aplicação para com o utilizador comum. Estes transdutores não têm só utilidade no

mundo protésico, podendo ser utilizado directamente no corpo humano. Deste modo é

necessário, não só um desenvolvimento ao nível electrónico, mas também ao nível

mecânico. O diagrama exposto na fig. 5-14 ilustra os vários níveis para se implementar

um produto.

fig. 5-14 Diagrama de estudo do mercado.

O resultado deste documento foi um estudo fundamentado em próteses,

introduzindo neste mercado um novo conceito de sensores de filme e sua electrónica

envolvente. Esta, foi desenvolvida de forma experimental aproveitando-se também para

introduzir um conceito de técnicas não invasivas como comunicação wireless. Sendo

um pequeno passo para entrar num mundo mais exigente e novo da mecanografia e

ciber-tecnologia.


Capítulo 5

5.8 – Conclusões

Este capítulo começou por estudar os módulos construídos, apresentando as

funcionalidades dos módulos tal como as suas limitações. Exemplo disso é a distância

de funcionamento dos módulos de RF, como o número de bits transmitidos por segundo

e seu processamento.

O resultado prático dos transdutores piezoeléctricos e piezorresistivos foi

exposto neste capítulo, através de uma aplicação em C++, que faz a monitorização

gráfica no computador. Foi feita a leitura piezorresistiva através de uma ponte de

Wheatstone e a sua electrónica associada, que fará a sua posterior representação gráfica

num computador. Foram apresentados os resultados gráficos e análise dos sensores

piezoeléctricos, um mais constante e outro instável.

Foi feito uma análise dos consumos efectuados e assim, chegou-se a um valor

da potência consumida pela placa de transmissão.

Fez-se uma análise de preço das placas desenvolvidas e do preço global do

produto. Por fim, efectuou-se reflexo prático da introdução teórica e o seu estudo

protésico para interligação com o mercado.


[1] RS (s.d.); Consultado na World Wide Web a 12/05/08 :

< http://es.rs-online.com>;

[2] Aquario net (s.d.) Consultado na World Wide Web a 12/05/08:

<http://www.aquarionet.com/>;

[3] Farnell (s.d.) Consultado na World Wide Web a 12/05/08:

<http://pt.farnell.com/>


http://es.rs-online.com/

Resultados


Capítulo 6

Capítulo 6

6.1 - Conclusão

A execução deste trabalho mostrou ser uma experiência enriquecedora e

proveitosa, quer a nível teórico pelos temas abordados, quer a nível prático pela

realização em todo o processo. No decorrer deste trabalho elaborou-se um paper

científico, que sintetiza o projecto realizado nesta dissertação.

O projecto teve como principal objectivo, a elaboração de um sistema capaz de

converter as tensões lidas nos transdutores, em gráficos medidos pelo utilizador, tudo

isto, sem que haja fios de comunicação entre o computador e os transdutores.

No início deste documento começou-se por fazer um estudo anatómico do

corpo humano e das tecnologias existentes para leitura muscular. Através deste capítulo

fundamentou-se o segundo, ilustrando a diversidade de próteses existentes no mercado.

Os dois primeiros capítulos, são criados para mostrar as diferentes

possibilidades aplicativas na saúde, do transdutor piezoeléctrico e piezorresistivo.

Fazendo por isso, uma análise física dos mesmos, caracterizando-os no seu modo de

construção e as respostas às diferentes deformações (tensão e resistividade).

Na construção do projecto, foram efectuados vários tipos de testes, que

originaram diferentes resultados. A primeira análise dos resultados é a transmissão de

dados por wireless em campo aberto, à distância de cerca de 10 metros, fazendo

amostragens gráficas (no computador), das deformações existentes nos transdutores.

Efectuou-se a deformação do transdutor piezorresistivo numa máquina de

deformação universal de ensaios. Enquanto, que a deformação do transdutor

piezoeléctrico foi efectuada com um motor (corrente contínua) em rotação.

Obteve-se as respostas em deformação/tensão dos diferentes transdutores,

através do multímetro Agilent, servindo para efeitos comparativos, com a placa de

aquisição de dados e transmissão RF. Apresentou-se os resultados das deformações de

cada transdutor em gráficos, sendo eles semelhantes nos diferentes sistemas de

aquisição. Existindo assim, uma correcta leitura dos transdutores através da placa.

O principal objectivo da dissertação foi conseguido com êxito, concluindo que

a transmissão por wireless foi realizada com sucesso, e a deformação dos transdutores

apresentou os resultados esperados, nos diferentes sistemas de aquisição dados (tensão).


Conclusão e Trabalhos Futuros


6.2 - Trabalhos futuros

• Os trabalhos futuros consistem em efectuar novas experiências em

ambiente laboratorial que simulem as vibrações produzidas pelas próteses.

• Poder-se-á futuramente projectar ou implementar um módulo para

carregamento de baterias, através dos transdutores piezoeléctricos.

• Dever-se-á fazer novos testes para filtrar a electrónica analógica dos

transdutores, bem como a fixação dos mesmos. Para isso, poder-se-á desenvolver uma

placa de circuito impresso para a aquisição de dados, mas esta sem fios de ligação entre

os módulos de amplificação e os transdutores. Devendo estes estarem muito bem

fixados na placa, tal como a alimentação o deve estar directamente ligada à placa, para o

amplificador não ser afectado.

• Reduzir significativamente o tamanho e preço das placas, retirando

alguns componentes supérfluos e utilizando componentes de menores dimensões.

• Outra melhoria que se pode introduzir, é no uso da

“ISR_EXTERNA_0”, esta pode ser mais tarde activada por eventos externos, como os

transdutores, não consumindo assim corrente do sistema, enquanto o transdutor não for

deformado.

• Poder-se-á desenvolver uma implementação, sobre módulos wireless

que funcionam de forma Plug-play e full-duplex fazendo a detecção de erros e com um

maior alcance, podendo estes ser zig-bee, Wi-fi, bluetooth etc.

• Poder-se-á também desenvolver um software de monitorização para

um telemóvel, PDA ou outro dispositivo portátil, em vez de ser um computador.

• Existe ainda a possibilidade de desenvolver uma base de dados dos

diferentes utilizadores, para saber o grau de dificuldade de cada utente e as suas

necessidades.

• Outro projecto futuro é poder-se trocar os módulos RF por módulos

GSM (Global System for Mobile Communications) para estes enviarem os dados, por

SMS (Short Message Service).

• O sensor piezoeléctrico pode ser aplicado para leituras musculares

através do som, bem como deformações de diferentes estruturas físicas (ex: aviões).

Apêndice A

Apêndice A

Código do Microcontrolador DOUT BIT P1.2 SCLK BIT P1.0 CS BIT P1.1 T2CON DATA C8H ;DECLARAR POSIÇAO DO TIMER2 0RCAP2H DATA 0CBH RCAP2L DATA 0CAH BSEG AT 0H BUSY : DBIT 1 BUSY2: DBIT 1

DSEG AT 30H //Não da para usar Dbit at 30 nem MSB BIT 1 devidos aos Movke usa dados MSB: DS 1 LSB: CSEG AT 0H

DS 1

JMP MAIN CSEG AT 03H LJMP ISR_EXT_0 CSEG AT 0BH LJMP ISR_TIMER_0

CSEG AT 33H CONVERSAO:

CLR SCLK SETB CS SETB SCLK //pulso de clock CLR SCLK CLR CS JNB DOUT,$ RET

READ_ADC: CLR ACC.0 MOV R0,#0CH SETB SCLK CLR SCLK

RETVALOR1: MOV A,LSB RLC A MOV LSB,A MOV A,MSB RLC A MOV MSB,A MOV A,LSB JNB DOUT,RETVALOR2 SETB ACC.0 //faço a comutação no bit 0 para o cary so ser afectado no MSB

RETVALOR2: MOV LSB,A SETB SCLK CLR SCLK DJNZ R0,RETVALOR1 MOV R0,#5H

RETVALOR3: //envia 3 pulsos de clock para garantir que o buffer esta vazio

SETB SCLK


Código do Microcontrolador


CLR SCLK DJNZ R0,RETVALOR3 SETB CS RET

CONF_ISR_EXT0: SETB EX0 SETB IT0 SETB P3.2 RET

CONF_ISR_TR0: SETB ET0 MOV TCON,#00H MOV TMOD,#02H MOV TH0,#156D MOV TL0,#156D RET

ISR_EXT_0: SETB TR0 CLR BUSY RETI

ISR_TIMER_0: CALL CONVERSAO MOV LSB,#0 MOV SB,#0 MCALL READ_ADC mov sbuf,#099h JNB TI,$ CLR TI MOV A,MSB MOV SBUF,A//envia 2 valores pelo tx o LSB e MSB JNB TI,$ CLR TI MOV SBUF,LSB JNB TI,$ CLR TI RETI

MAIN: MOV P1,#0FFH ;CONMOV RCAP2H,#0FFH

FIGURAR TIMER 2

MOV RCAP2L,#64H MOV T2CON,#34H ;CONFIGURAR SCON MOV SCON,#50H SETB EA CALL CONF_ISR_EXT0 CALL CONF_ISR_TR0 MOV R2,#0D MOV R3,#0D SETB BUSY SETB BUSY2//OBRIGAR A IR A UM P3.2

LOOP: JB BUSY,$ JMP LOOP

N_FIM_SEGUNDO: CLR C JMP LOOP END

Apêndice B

Apêndice B

Código Microsoft Visual C++ // c_diss0Dlg.cpp : implementation file // #include "stdafx.h" #include "c_diss0.h" #include "c_diss0Dlg.h" #include<stdio.h> #include<math.h> #include<conio.h> #ifdef _DEBUG #define new DEBUG_NEW #undef THIS_FILE static char THIS_FILE[] = __FILE__; #endif #define TesteBit(x,n) (BYTE)((x&(1<<n))>0?1:0) ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // CAboutDlg dialog used for App About int tempo=0; int tx=0; int memoria=0; int x,y; class CAboutDlg : public CDialog public: CAboutDlg(); // Dialog Data //AFX_DATA(CAboutDlg) enum IDD = IDD_ABOUTBOX ; //AFX_DATA // ClassWizard generated virtual function overrides //AFX_VIRTUAL(CAboutDlg) protected: virtual void DoDataExchange(CDataExchange* pDX); // DDX/DDV support //AFX_VIRTUAL // Implementation protected: //AFX_MSG(CAboutDlg) //AFX_MSG DECLARE_MESSAGE_MAP() ; CAboutDlg::CAboutDlg() : CDialog(CAboutDlg::IDD) //AFX_DATA_INIT(CAboutDlg) //AFX_DATA_INIT void CAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX) CDialog::DoDataExchange(pDX); //AFX_DATA_MAP(CAboutDlg) //AFX_DATA_MAP BEGIN_MESSAGE_MAP(CAboutDlg, CDialog) //AFX_MSG_MAP(CAboutDlg) // No message handlers //AFX_MSG_MAP END_MESSAGE_MAP() ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // CC_diss0Dlg dialog CC_diss0Dlg::CC_diss0Dlg(CWnd* pParent /*=NULL*/) : CDialog(CC_diss0Dlg::IDD, pParent) //AFX_DATA_INIT(CC_diss0Dlg)


Código Microsoft Visual C++

m_W_LSB = 0; m_W_MSB = 0; m_W_SBITE = 0; m_TIME = _T(""); m_LER = 0; //AFX_DATA_INIT // Note that LoadIcon does not require a subsequent DestroyIcon in Win32 m_hIcon = AfxGetApp()->LoadIcon(IDR_MAINFRAME); void CC_diss0Dlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX) CDialog::DoDataExchange(pDX); //AFX_DATA_MAP(CC_diss0Dlg) DDX_Text(pDX, IDC_LSB, m_W_LSB); DDX_Text(pDX, IDC_MSB, m_W_MSB); DDX_Text(pDX, IDC_START_BITE, m_W_SBITE); DDX_Text(pDX, IDC_STATICtime, m_TIME); DDX_Text(pDX, IDC_LER, m_LER); //AFX_DATA_MAP BEGIN_MESSAGE_MAP(CC_diss0Dlg, CDialog) //AFX_MSG_MAP(CC_diss0Dlg) ON_WM_SYSCOMMAND() ON_WM_PAINT() ON_WM_QUERYDRAGICON() ON_BN_CLICKED(IDC_BUTTON1, OnSTART) ON_WM_TIMER() ON_BN_CLICKED(IDC_BUTON_STOP, OnButonStop) //AFX_MSG_MAP END_MESSAGE_MAP() ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // CC_diss0Dlg message handlers BOOL CC_diss0Dlg::OnInitDialog() CDialog::OnInitDialog(); // Add "About..." menu item to system menu. // IDM_ABOUTBOX must be in the system command range. ASSERT((IDM_ABOUTBOX & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX); ASSERT(IDM_ABOUTBOX < 0xF000); CMenu* pSysMenu = GetSystemMenu(FALSE); if (pSysMenu != NULL) CString strAboutMenu; strAboutMenu.LoadString(IDS_ABOUTBOX); if (!strAboutMenu.IsEmpty()) pSysMenu->AppendMenu(MF_SEPARATOR); pSysMenu->AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu); // Set the icon for this dialog. The framework does this automatically // when the application's main window is not a dialog SetIcon(m_hIcon, TRUE); // Set big icon SetIcon(m_hIcon, FALSE); // Set small icon // TODO: Add extra initialization here return TRUE; // return TRUE unless you set the focus to a control void CC_diss0Dlg::OnSysCommand(UINT nID, LPARAM lParam) if ((nID & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX) CAboutDlg dlgAbout; dlgAbout.DoModal(); else CDialog::OnSysCommand(nID, lParam); // If you add a minimize button to your dialog, you will need the code below


Apêndice B

// to draw the icon. For MFC applications using the document/view model, // this is automatically done for you by the framework. void CC_diss0Dlg::OnPaint() if (IsIconic()) CPaintDC dc(this); // device context for painting stop=false; SendMessage(WM_ICONERASEBKGND, (WPARAM) dc.GetSafeHdc(), 0); // Center icon in client rectangle int cxIcon = GetSystemMetrics(SM_CXICON); int cyIcon = GetSystemMetrics(SM_CYICON); CRect rect; GetClientRect(&rect); int x = (rect.Width() - cxIcon + 1) / 2; int y = (rect.Height() - cyIcon + 1) / 2; // Draw the icon dc.DrawIcon(x, y, m_hIcon); else CDialog::OnPaint(); //*********desenha fundo**************************** CDC *dc=GetDC(); dc->SetTextColor(RGB(0,0,255)); dc->SetBkColor(RGB(232,232,232)); dc->TextOut(190,100,"Comportamento do Piezo"); dc->TextOut(10,100,"Tensão (volts)"); dc->TextOut(555,440,"Tempo"); int i=450; int j=0; //(x0,y,x,y0) dc->Rectangle(40,120,550,450); //escala y (Temperaturas) dc->TextOut(1,420,"-0.2"); dc->TextOut(1,370,"-0.1"); dc->TextOut(10,320,"0"); dc->TextOut(1,280,"+0.1"); dc->TextOut(1,230,"+0.2"); dc->TextOut(1,170,"+0.3"); do dc->MoveTo(35,i); dc->LineTo(40,i); i=i-18; while(i>120); //escala x (Tempo) dc->TextOut(40,452,"0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25"); i=40; do dc->MoveTo(i,450); dc->LineTo(i,455); dc->MoveTo(i,450); dc->LineTo(i,455); i=i+20; while(i<=550); //linhas de pontos horizontais for(j=450;j>=120;j=j-18) for(i=40;i<=549;i=i++) dc->SetPixel(i,j,RGB(230,230,230)); //linhas de pontos verticais for(i=60;i<=549;i=i+20)



for(j=119;j<=449;j=j++) dc->SetPixel(i,j,RGB(230,230,230)); //************************************* // The system calls this to obtain the cursor to display while the user drags // the minimized window. HCURSOR CC_diss0Dlg::OnQueryDragIcon() return (HCURSOR) m_hIcon; void CC_diss0Dlg::OnSTART() // TODO: Add your control notification handler code here SetTimer(1,100,NULL); int i = 0; bool sample = false; int savedData [100000]; void CC_diss0Dlg::OnTimer(UINT nIDEvent) CTime curTime = CTime::GetCurrentTime(); // Display the current time m_TIME.Format("%.2d:%.2d:%.2d", curTime.GetHour(),curTime.GetMinute(),curTime.GetSecond()) ; UpdateData(false); LER(); //************desenha linha da temp************** UpdateData(true); if(sample==true) CDC *dc=GetDC(); double temp; temp=(ler*50)/4095; int tmp; tmp = (int)temp*5.4; //(cast)Converter para inteiro. 5.4 = pixeis por grau dc->MoveTo(x,y); if(tempo==0) dc->MoveTo(40,450-tmp); if(tx>490) tx=0; dc->MoveTo(40,450-tmp); else tx+=2; x=40+tx; y=450-tmp; dc->LineTo(x,y); tempo++; sample = false; CDialog::OnTimer(nIDEvent); int CC_diss0Dlg::LER()//int argc, char* argv[]) //bool start=0; int decimal[10]; int msb,lsb; char buff[1]; int l=0; int d_msb=0; int d_lsb=0; port.OPenSerialPort("COM4"); DCB myDCB; myDCB = port.GetSerialPortStade(); myDCB.BaudRate = 2400; // Current baud


Apêndice B


myDCB.ByteSize = 8; // Number of bits/bytes, 4-8 myDCB.StopBits = ONESTOPBIT; // 0,1,2 = 1, 1.5, 2 // see CCom.h for more fields port.SetSerialPortState(myDCB); // WriteSerialPort("ATI7\r"); // FILE *le_tudo = fopen("tudo_le.xls", "w"); do while (port.ReadSerialPort(buff,1)==FALSE) /* wait */; decimal[0]=0xFF & buff[0]; if(decimal[0]==0x99)//4) m_W_SBITE = decimal[0]; while (port.ReadSerialPort(buff,1)==FALSE) /* wait */; decimal[1] = 0xFF & buff[0]; msb = decimal[1]; while (port.ReadSerialPort(buff,1)==FALSE) /* wait */; decimal[2] = 0xFF & buff[0]; lsb = decimal[2]; if ((msb<=0x0F && msb>=0x00) && (lsb<=0xFF && lsb>=0x00)) sample = true; ler = ((256*msb)+(lsb)); savedData[i] = ler; i++; // m_LER=i; m_W_MSB = msb; m_W_LSB = lsb; m_LER = ler; UpdateData(false); while(sample==false); port.CloseSerialPort(); return 0; void CC_diss0Dlg::OnButonStop() sample = true; KillTimer(1); UpdateData(false); UpdateData(true); void CC_diss0Dlg::OnOK() sample = true; KillTimer(1); UpdateData(false); UpdateData(true); // TODO: Add extra validation here FILE *le_tudo = fopen("tudo_le.xls", "w"); for(int j=0;j<=i;j++) fprintf(le_tudo, "%d\n", savedData[j]); fclose(le_tudo); CDialog::OnOK();



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Monitorização do Comportamento dos Sensores ...intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/40509.pdf · Jaime Henrique Silva Gonçalves ... Agradeço a todos que leram e propuseram