Em termos de implementação de hardware, as ponderações incidiram-se sobre diversos componentes como, a fonte de alimentação, sensor infravermelho, sensores de força, senso- res inerciais, placa Arduino (microcontrolador) e circuito de LEDs. Seguidamente, serão apre- sentadas, em detalhe, as considerações para cada um destes componentes.
Ø Fonte de Alimentação
necessário reduzir tensão proveniente da bateria para 5 V, para tal, recorreu-se à utilização de um regulador de tensão L7805. Este regulador é capaz de reduzir a tensão de entrada de 12 V, colocando à saída uma tensão de 5 V. Na
Figura 5.5 é apresentado o circuito implementado para a fonte de alimentação. Os conden-
sadores apresentados na figura têm como finalidade a redução do ruído na tensão de entrada do circuito. Os condensadores C1 e C2 são recomendados na montagem pelo fabricante (C1=330 nF e C2=100 nF), enquanto que o C3 (470 nF) foi colocado para melhorar a tensão à saída do regulador.
Figura 5.5 - Circuito de implementação da
fonte de alimenta- ção para os circuitos
de instrumentação.
Ø Sensor Infravermelho
O sensor de infravermelho da Sharp foi implementado no centro do guiador, de frente pa- ra o utilizador, monitorizando a cada intervalo de tempo a distância deste ao andarilho. A fun- ção deste sensor consiste na deteção de quedas e avaliação da proximidade do tronco do utilizador ao andarilho. Na Figura 5.6 é apresentado o esquemático deste sensor. Como se pode observar, o sensor apresenta 3 ligações, a primeira corresponde à saída (V0), ligação ao
microcontrolador para envio dos valores de leitura (entrada analógica - canal 2), a segunda à massa (GND) e a terceira corresponde à tensão de alimentação (5 V – VCC), estando acoplado
um condensador de 10 nF.
Ø Sensores de força
Os sensores de força utilizados para este estudo, apresentados na Figura 5.1, apresentam 4 fios, sendo o fio vermelho conectado a 5 V, o preto à massa (GND), o verde e branco cor- respondem à tensão de saída positiva e negativa do sensor, respetivamente. Na Figura 5.7 é apresentado um sensor de força colocado sobre o suporte de antebraço do andarilho e podem ser observados os 4 fios mencionados (preto, verde, branco e vermelho). A circunferência cin- zenta, disposta sobre o sensor, tem como intuito permitir uma maior área de contacto entre o antebraço e o sensor, facilitando a medição.
Figura 5.7 - Sensor de força colocado sobre o suporte de antebraço no andarilho de 4 rodas com suporte de antebraços utili- zado para o estudo. Indicação, por uma seta, dos 4 fios anteriormente referidos.
A saída deste sensor é um sinal elétrico de baixa amplitude, na ordem dos mV e, uma vez que este sensor será conectado ao microcontrolador, o sinal deverá ser devidamente amplifi- cado para que possa ser lido na entrada analógica do Arduino. Assim, deve ser utilizado um componente capaz de amplificar o sinal original na ordem dos mV para V. Para esse fim, foi utilizado um amplificador de instrumentação – INA125 – pois este componente apresenta uma elevada precisão na amplificação, uma tensão de referência precisa, simplicidade na al- teração do ganho, apresenta um baixo consumo, uma implementação simples e é recomen- dado para este tipo de sensores (Instrument 1998). Na Figura 5.8 é apresentado o esquemá- tico da conexão entre o sensor de força e o INA125P.
Figura 5.8 - Esquemático representativo da conexão entre o sensor de força e o INA125P utilizada neste estudo.
O ponto A e B representados são referentes às tensões de alimentação, 5 V e 0 V, respeti- vamente. O ponto Vo corresponde à saída do amplificador de instrumentação, ou seja, o sinal do sensor amplificado, e R à resistência responsável pela atribuição do ganho ao amplificador. Como se pode observar na Figura 5.8, o pino 1 (V+) e 2 estão conectados ao ponto A, ou seja, 5 V, porque o pino 1 corresponde à tensão de alimentação positiva e o pino 2 ao pino SLEEP. Este pino (pino 2) quando conectado a 0 V providencia um melhor desempenho ao amplifica- dor e, uma vez que é a negação de SLEEP, é conectado a 5 V para obter o desejado (0 V). Os pinos 3 (V-), 5 (IAref) e 12 (VrefCOM) são conectados ao ponto B, ou seja, à massa (0V ). O pino V- corresponde à tensão de alimentação negativa, já a tensão aplicada no pino IAref pro- voca o deslocamento da linha de base do sinal original e como para esta aplicação esse des- locamento não é preciso, este pino é colocado a 0 V. O pino 4 (VrefOUT) é responsável pela definição da tensão de referência, a qual foi estabelecida a 5 V, providenciando uma fonte de tensão precisa para este tipo de aplicações. Os pinos 6 (Vin+) e 7 (Vin-) correspondem às en- tradas positivas e negativas do amplificador de instrumentação e estão conectadas aos fios verde e branco, respetivamente. Entre os pinos 8 e 9 (Rg) está conectada uma resistência identificada na figura por R, a qual é a responsável pela atribuição do ganho ao amplificador
de instrumentação. Através da fórmula apresentada na Equação 5.1 é possível determinar o ganho,
𝐺 = 4 +60𝑘Ω 𝑅
Equação 5.1
sendo R a resistência externa, aplicada entre os pinos 8 e 9. Para este estudo, após a realiza- ção de vários testes, conclui-se que para o peso aplicado durante a realização dos testes um ganho de aproximadamente de 972 seria adequado, correspondendo à utilização de uma re- sistência de 62 Ω. Desta forma, consegue-se amplificar o sinal de mV para V, permitindo a sua leitura no Arduino. Por fim, a última conexão na Figura 5.8 é entre os pinos 11 (Vo) e 12 (Sense), na qual está representada por Vo, e corresponde à saída do amplificador de instru- mentação. O pino Vo, posteriormente, será conectado à entrada analógica do Arduino mas, antes de estabelecer essa ligação, foi necessário implementar um circuito de proteção para as tensões dispostas à entrada analógica do microcontrolador. O circuito de proteção referido é apresentado na Figura 5.9.
Figura 5.9 - Circuito de proteção implementado à saída do amplificador de instrumentação (INA125P).
A saída do INA125P, representada por Vo, será conectada ao circuito de proteção exposto na Figura 5.9. A resistência e o condensador representados têm como objetivo estabilizar a tensão à entrada do microcontrolador, enquanto que o díodo de zener tem a função de prote- ger o microcontrolador contra picos de tensão, ou seja, caso a tensão seja superior a 5.1 V, este díodo entra em condução. A saída deste circuito, identificada por Vout, será, por sua vez, conectada à entrada analógica do Arduino. Como referido na secção 5.2, são utilizados dois sensores de força, cada um para um suporte de antebraço do andarilho. Como tal, uma vez que os dois sensores são iguais, os circuitos apresentados na Figura 5.8 referente à conexão
cada um dos sensores de força utilizados. Assim, recorreu-se à mesma implementação tanto para o INA125P como para o circuito de proteção, diferindo apenas nas entradas analógicas na placa Arduino, isto é, a saída do circuito de proteção do sensor de força direito e esquerdo, estão conectados ao canal 3 e ao canal 4, respetivamente, na placa Arduino.
Ø Sensores Inerciais
Os sensores inerciais utilizados são os apresentados na Figura 5.3. Estes sensores são alimentados com uma tensão de 3.3 V, aconselhada pelo fabricante, proveniente da placa de Arduino. Na Figura 5.10 é apresentado um exemplo da montagem para um dos sensores utili- zados.
Figura 5.10 - Representação da montagem eletrónica de um sensor inercial. Legenda dos pinos (de cima para baixo): VCC, GND, SCL, SDA, XDA, XCL, AD0 e INT.
Como referido, a tensão de alimentação é de 3.3 V (pino VCC) e tanto o pino GND como o XDA estão ligados à massa (0 V). Quanto aos pinos SDA (Serial Data) e SCL (Serial Clock) cor- respondem às duas linhas do protocolo I2C (Inter-Integrated Circuit) e devem estar conectadas
exatamente aos mesmos pinos na placa Arduino, de forma aos dois componentes estarem sincronizados. O último pino com interesse para esta aplicação é o AD0, que corresponde ao endereço do sensor. Este pino pode assumir 2 estados, o estado LOW quando está conectado a 0 V ou HIGH se estiver a 3.3 V. Deste modo, possibilita a distinção em software de cada um dos sensores utilizados, sendo neste caso apenas 2 sensores, um localizado no quadril e outro no tornozelo. Na Figura 5.10 é apresentado o sensor com AD0 HIGH, correspondendo ao en- dereço de 0x69, enquanto que o LOW é identificado por 0x68. Resumindo, este pino AD0 permite a distinção entre os sensores inerciais, mas para tal é necessário estabelecer essa diferenciação em hardware, pela conexão a 0 ou a 3.3 V e em software, pela atribuição dos endereços consoante o estado definido.
Ø Placa Arduino – Microcontrolador
Como referido na secção 3.3, o microcontrolador selecionado para este estudo foi uma placa Arduino Mega 2560, conectada por USB ao PC. Para além da placa, foi utilizada o software fornecido pelo Arduino para programar o microcontrolador e a interface Processing. Quanto à interface, esta foi apenas utilizada numa primeira fase do estudo, para gravar cada um dos testes realizados num ficheiro de texto. A gravação dos ficheiros permitia uma análise detalhada de cada teste, conseguindo extrair os padrões e comportamentos para cada estado abordado e o desenvolvimento offline do algoritmo apresentado de seguida. Numa fase mais avançada, apenas foi utilizado o software facultado pelo Arduino para programar a placa e es- tabelecer a comunicação série com o Matlab, para uma aplicação online do algoritmo.
Ø Circuito de LEDs
De modo a tornar o resultado final mais visível e percetível para o utilizador, foi desenvol- vido um circuito de saída de LEDs, conectado à placa Arduino. Para cada condição do estado avaliado, por exemplo, muito ou pouco peso aplicado sobre o andarilho, maior ou menor pro- ximidade ao andarilho, entre outros, está associado um LED. Assim, sempre que o utilizador se encontrar numa das condições testadas, o LED correspondente acenderá. Na Figura 5.11 é apresentado o circuito de saída de LEDs, num total de 10 LEDs, um para cada condição. Cada LED está associado a uma saída digital do microcontrolador e a uma resistência (470 Ω) para limitar a corrente que atravessa o LED.
Figura 5.11 - Montagem do circuito de saída de LEDs. Descrição: 1 – próximo, 2 – afastado do andarilho, 3 - queda para a frente, 4 – queda para trás, 5 - curva à esquerda, 6 – curva à direita, 7 - mais peso, 8 – menos peso, 9 – sem peso (1 ou nos 2 sensores de força) e 10 – oscilação do quadril.
Na Figura 5.12 é apresentada a placa com todo o material eletrónico utilizado para aquisi- ção dos dados e, ainda, a respetiva identificação da conexão de cada componente referido à placa, à exceção do circuito de LEDs.
Figura 5.12 - Representação da placa utilizada para este estudo. Legenda dos componentes: 1 – Sensor inercial para o torno- zelo, 2 – Sensor inercial para o quadril, 3 – Sensor de força direito, 4 – Sensor de força esquerdo, 5 – Circuitos de proteção, 6 – Sensor Infravermelho, 7 – Tensão de alimentação de 5 V, 8 – Tensão de 0 V e 9 – Tensão de 3.3 V.