UC: LABSI - Laboratório de Sistemas
2023
Autores:
Afonso Barreiro Nº1201126
1201126@isep.ipp.pt
João Guedes Nº1190753
1190753@isep.ipp.pt
Figura 1 - Protótipo do Projeto
Este relatório incide sobre o desenvolvimento de um projeto realizado no âmbito da Unidade Curricular de LABSI(Laboratório de Sistemas). Trata-se de uma balança concebida para calcular de forma autónoma o Índice de Massa Corporal (IMC) de um indivíduo. O IMC é uma medida utilizada para avaliar a relação entre a massa corporal e a altura de uma pessoa, fornecendo informações cruciais sobre a sua composição corporal e saúde geral. Assim, o projeto contempla a obtenção de dois parametros principais, a massa e a altura, e o posterior cálculo do IMC
Figura 2 - Fórmula IMC
Estado da Arte
Este protótipo teve como inspiração a Balança de Farmácia (Figura 2), onde num primeiro instante o utilizador insere num moedeiro eletrónico a quantia pedida para efetuar a sua medição. Seguidamente, o utilizador sobe para esse mesmo, onde serão registados os seus respetivos peso (m) e altura (h) atribuindo assim o seu Índice de Massa Corporal (IMC), obtido através da fórmula IMC = m * h * h. Uma vez obtido o respetivo IMC, é mostrado numa interface gráfica presente na máquina com os parâmetros anteriormente obtidos.
Figura 3 - Balança de Farmácia
Figura 4 - Diagrama de Blocos
Neste circuito, o microcontrolador Atmega328P [2](Figura 5) controla o sistema. Este possui um pinout (Figura 6) e tem como função gerir a obtenção da tensão, envio e receção de dados. O sonar HC-SR04 (Figura 9) encontra-se conectado diretamente ao Atmega328P através de 2 cabos, echo e trigger a pd2 e pb2 respetivamente. Este sensor é responsável por calcular a distância à qual um certo obstaculo se encontra da posição do mesmo. Para sabermos a altura de um individuo temos de definir uma altura padrão e subtrair à mesma o valor obtido pelo sensor.
A balança digital utilizada possui dois sensores de pressão em formato de barra. A função desta é calcular o peso de um individuo. Para tal, utilizamos 3 fios de cada lado da balança de forma a construir uma ponte de wheatstone, para ser igualmente distribuida a tensão.
Figura 7 - Esquema sensores Pressão
Ao microcontrolador está ligado o SONAR HC-SR04, através de um cabo de 4 condutores, e, é responsável pela obtenção do tempo de voo de sinais ultrasónicos e indiretamente obtençáo de uma distância. Uma vez obtida a diferença de tensão proveniente dos dois lados da balanca, necessitamos condicionar o sinal através de um Amplificador de Instrumentação, visto que os valores obtidos são na gama dos mV. Aplicou-se um ganho para se obter um sinal de [0-5]V a entrar no microcontrolador. Para tal utilizamos um sistema integrado de ampops - TL084. Como resistencias bases utilizamos 15kohm sendo a de ganho 680ohm. Posteriormente obtidos os valores provenientes da Balança e Sonar, enviamo-los através de um conversor usb to Serial TTL para um computador onde através de um programa desenvolvido no Processing 4.3 onde irá apresentar a altura, peso e IMC numa página e de forma automática identificar se existe falta, excesso ou situação regular de peso.
Esquema Elétrico e PCB
Na figura 11 encontra-se o esquema elétrico do circuito ao Atmega328P. Na figura 12 encontramos a PCB. Para elaboração utilizamos o software KICAD como sugerido.
Figura 11 - Esquema eletrico
Figura 12 - Placa PCB
Fora isto, foi desenvolvido uma interface gráfica com o intuito de demonstrar os valores obtidos do microcontrolador.
Para melhor compreensão foram criados os seguintes fluxogramas:
Figura 13 - Fluxograma main()
Figura 14 - Fluxograma ler_ad()
Figura 15 - Fluxograma Timer 2()
Figura 16 - Fluxograma distancia()
Figura 17 - Fluxograma sonar()
Figura 18 - Fluxograma INT1()
Figura 19 - Fluxograma Timer 0()
Numa folha de excel, fomos registando os valores de massa e tensão correspondentes, até que chegamos a uma reta linear de saída: y=0.0007x+0.0036 ou então V=0.0007m+0.0036
Logo após feito isto, construimos um amplificador de instrumentação de forma a ter uma saída [0-5]V. Determinamos o gráfico de saída do amplificador sendo essa função utilizada no código.
Figura 21 - Gráficos de saída da Balança
Figura 22 - Cálculo resistência de ganho
Figura 23 - Amplificador de Instrumentação
Para fechar, como pedido inicialmente e sendo um requisito para o projeto temos o led a piscar a 1Hz.
De uma forma geral, os objetivos foram cumpridos, ainda que certas tarefas tenham levado mais tempo a realizar do que aquele que seria esperado, o que acabou por dificultar a conclusão do projeto, assim como a dependência de material requisitado e os tempos de espera por material adquirido na internet.
o processo desde o planeamento, passando pelas várias fases e problemas/obstáculos encontrados, para os quais foram encontradas soluções, até a conclusão dos objetivos, fez com que os conhecimentos adquiridos ao longo dos anos e unidades curriculares passadas fossem, na sua maioria, postos em prática. As dificuldades obrigaram também a que fossem feitas pesquisas e aprendizagens que inevitavalmente se traduzem em conhecimento e experiências valiosas para o futuro. Disto é exemplo a utilização do atmega328 e do TL084, ambos já usados anteriormente, e também a pesquisa feita e posteriormente posta em prática sobre o USBasp e o conversor USB-Serial, e a temática de sensores no geral, visto terem sido usados os sensores da balança e o sonar.
Resta ainda mencionar algumas possíveis melhorias e acréscimo de funcionalidades ao projeto.
A nível de hardware, podia ser inserido um display que desse as informações de peso, altura e IMC no próprio protótipo. O seu aspeto geral também podia ser melhorado e tornado mais apelativo. Estas melhorias trariam a necessidade de melhorar também o software e as funcionalidades no geral. A existência de duas interfaces de consulta de dados poderia levar à introdução de mais opções e dados de medição, à criação de uma base de dados para que fosse possível acompanhar a evolução do indivéduo sujeito às medições (um display na balança que mostre dados instantâneos enquanto a tela do computador mostra todo o registo de medições passadas e um gráfico da evolução), e também à introdução de mais sensores que permitissem obter ainda mais dados sobre o físico do indivíduo.
[2]ATmega328 - https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf
[3]TL084 - https://www.ti.com/product/TL084
[4] Sonar HC-SR04 - https://mauser.pt/catalog/product_info.php?products_id=096-6220 - https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Proximity/HCSR04.pdf
[5] USB-Serial TTL - https://www.quora.com/What-is-a-TTL-signal-in-communication-and-when-using-a-USB-port-why-do-we-use-a-USB-to-TTL-converter
[6] USBasp - https://www.fischl.de/usbasp/
[7] AVRDUDESS - https://blog.zakkemble.net/avrdudess-a-gui-for-avrdude/
[8] https://www.lusiadas.pt/blog/prevencao-estilo-vida/nutricao-dieta/imc-que