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LUCIANO KENJI TAHO

APRIMORAMENTO DE UM SISTEMA

MICROPROCESSADO PARA MEDIÇÃO DO

BATIMENTO CARDÍACO

Londrina

2008

LUCIANO KENJI TAHO



BATIMENTO CARDÍACO

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Curso de Engenharia

Elétrica do Centro de Tecnologia e

Urbanismo da Universidade Estadual de

Londrina.

Orientador: Prof. Dr. Ernesto F. Ferreyra

Ramírez

Londrina 2008

LUCIANO KENJI TAHO



BATIMENTO CARDÍACO

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Curso de Engenharia

Elétrica do Centro de Tecnologia e

Urbanismo da Universidade Estadual de

Londrina.

COMISSÃO EXAMINADORA

______________________________________

Prof. Dr. Ernesto F. Ferreyra Ramírez - Orientador

Universidade Estadual de Londrina

______________________________________

Prof.ª Msc. Maria Bernadete de Morais França


______________________________________

Prof. Dr. Leonimer Flavio de Melo Universidade Estadual de Londrina

Londrina, ____ de novembro de 2008

Dedicatória

A Deus por tudo que me proporciona na vida.

Aos meus pais pelo exemplo de vida e família.

A meu irmão por tudo que me ajudou até hoje.

AGRADECIMENTOS

A minha família que, com muito carinho e apoio, não mediram esforços para

que eu chegasse até esta etapa de minha vida.

Ao professor e orientador Ernesto F. Ferreyra Ramírez, pela oportunidade

e por seu apoio ao longo deste trabalho.

Aos técnicos dos laboratórios do Departamento de Engenharia Elétrica que

sempre estavam dispostos a colaborar.

Aos amigos e colegas pelo incentivo e pelo apoio constantes.

“O único limite de nossas realizações do amanhã

são nossas dúvidas do hoje.”

Franklin Roosevelt

Taho, Luciano Kenji. Aprimoramento de um sistema microprocessado para medição do batimento cardíaco. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

RESUMO

A freqüência cardíaca é o parâmetro fisiológico mais utilizado para estimar o nível de

esforço ideal de uma pessoa, que deseje iniciar uma atividade física de forma segura

e eficiente. Assim, neste trabalho foi aprimorado um sistema microprocessado,

desenvolvido anteriormente em um trabalho de conclusão de curso de graduação na

Universidade Estadual de Londrina, para medição da freqüência cardíaca. Desta

forma, foram realizadas as seguintes etapas: montagem e testes, em protoboard,

dos circuitos desenvolvidos anteriormente para a leitura e o condicionamento do

sinal; correção do projeto original para retirada de ruídos na recepção do sinal e

redefinição da faixa de histerese dos comparadores; revisão e otimização do código

assembly que processa o sinal através do microcontrolador da família 8051; projeto

e implementação do layout interno (placa de circuito impresso) e externo do

protótipo. O resultado foi à obtenção de um equipamento final confiável, de fácil

operação e manipulação.

Palavras-chave: Frequência cardíaca, Sensor infravermelho, Microcontrolador 8051.

Taho, Luciano Kenji. Improvement of a heart rate measurement system based with microprocessor. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ABSTRACT

The heart rate is the most popular physiological parameter used to estimate the level

of ideal effort of a person wishing to start a physical activity in a safe and efficient

way. In this work it was improved a heart rate measuring system, developed

previously at the State University of Londrina. So, it was accomplished following the

steps: assembling and testing in protoboard, the circuit previously developed for

reading and conditioning the signal; correction of the original project to remove the

noise in signal reception and redefining the comparators’ range of hysteresis; revision

and optimization of assembly code that processes the signal through the 8051

microcontroller family; design and implementation of the internal layout (printed circuit

board) and external prototype. The result was the achievement of reliable equipment,

with easy operation and handling.

Key-words: Heart rate, Infrared sensor, 8051 microcontroller.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2. 1: Distribuição do sangue .......................................................................... 4

Figura 2. 2: Seção diagramática do coração ............................................................ 5

Figura 2. 3: Etetrocardiograma típico ....................................................................... 8

Figura 2. 4: Diagrama de blocos do sistema ............................................................ 11

Figura 2. 5: Fluxograma do programa principal ........................................................ 12

Figura 2. 6: Fluxograma da interrupção ................................................................... 13

Figura 3. 1: Diagrama funcional do sistema ............................................................. 14

Figura 3. 2: Sensor utilizado ..................................................................................... 15

Figura 3. 3: Sensor de batimentos cardíacos ........................................................... 15

Figura 3. 4: Diagrama esquemático do sensor ......................................................... 16

Figura 3. 5: Amplificador do sinal proveniente do sensor ......................................... 17

Figura 3. 6: Comparador inversor regenerativo ........................................................ 18

Figura 3. 7: LM311 ................................................................................................... 19

Figura 3. 8: Circuito de condicionamento ................................................................. 19

Figura 3. 9: Fluxograma da rotina vetor ................................................................... 20

Figura 3. 10: Fluxograma da rotina ordenar ............................................................. 21

Figura 3. 11: Fonte de alimentação de tensão ......................................................... 22

Figura 3. 12: Circuito gerador de clock interno ......................................................... 23

Figura 3. 13: Circuito de Reset ................................................................................. 23

Figura 3. 14: Ligações do LCD ................................................................................. 25

Figura 3. 15: Esquemático das ligações dos componentes ..................................... 26

Figura 4. 1: Sistema implementado em protoboard .................................................. 27

Figura 4. 2: Sinal após passar pelo filtro .................................................................. 28

Figura 4. 3: Sinal após passar pelo amplificador ...................................................... 29

Figura 4. 4: Sinal após passar pelo comparador ...................................................... 30

Figura 4. 5: Sinal digitalizado ................................................................................... 30

Figura 4. 6: Tela inicial ............................................................................................. 31

Figura 4. 7: Atualização da idade ............................................................................. 32

Figura 4. 8: Cálculo da frequência cardíaca máxima ............................................... 32

Figura 4. 9: Tela final ................................................................................................ 33

Figura 4. 10: Ausência de sinal no sensor ............................................................... 33

LISTA DE TABELAS

Tabela 2. 1: Exemplo dos cálculos dos limites da frequência cardíaca de esforço .. 10

Tabela 3. 1: Ligação dos pinos LCD ........................................................................ 24

Tabela 3. 2: Ligações dos pinos ............................................................................... 25

Tabela 4. 1: Valores da frequência cardíaca ............................................................ 34

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AV Atrioventricular

BPM Batimentos por minutos

CI Circuito integrado

ECG Eletrocardiograma

E/S Entrada/saída

FC

LCD

Frequência cardíaca

Liquid Crystal Display – Display de Cristal Líquido

LED Light Emission Diode – Diodo Emissor de Luz

UEL


USB Universal Serial Bus

SA Sinoatrial

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1

1.1OBJETIVO .............................................................................................................. 1

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ................................................................................. 2

2 REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................. 3

2.1 SISTEMA CIRCULATÓRIO ........................................................................................ 3

2.2 ANATOMIA DO CORAÇÃO........................................................................................ 4

2.3 FISIOLOGIA DO CORAÇÃO ...................................................................................... 6

2.3.1 Atividade Elétrica do Coração ......................................................................... 6

2.3.2 Sinal de ECG ................................................................................................... 7

2.4 CONDICIONAMENTO FÍSICO .................................................................................... 9

2.5 MICROCONTROLADOR 8051 ................................................................................... 10

2.6 EQUIPAMENTO IMPLEMENTADO ANTERIORMENTE (NERI, 2006) ............................... 11

3 MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................................... 14

3.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA ..................................................................................... 14

3.2 SENSOR DE FREQUÊNCIA CARDÍACA ....................................................................... 14

3.3 CONDICIONAMENTO DO SINAL ................................................................................ 16

3.4 PROGRAMA DO MICROCONTROLADOR ..................................................................... 19

3.5 MONTAGEM .......................................................................................................... 22

3.5.1 Fonte de Alimentação...................................................................................... 22

3.5.2 Clock ............................................................................................................... 23

3.5.3 Reset ............................................................................................................... 23

3.5.4 Display LCD .................................................................................................... 24

3.5.5 Microcontrolador .............................................................................................. 25

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 27

4.1 SENSOR DE FREQUÊNCIA CARDÍACA ....................................................................... 27

4.2 SISTEMA DE CONDICIONAMENTO ............................................................................ 28

4.3 MICROCONTROLADOR E LCD ................................................................................. 31

4.4 TESTES PARA VALIDAÇÃO DO SISTEMA .................................................................... 33

5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 35

5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................ 35

REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 37

APÊNDICES ............................................................................................................. 39

APÊNDICE A – PROGRAMA DO SISTEMA MICROPROCESSADO PARA MEDIÇÃO DO

BATIMENTO CARDÍACO ................................................................................................ 40

ANEXOS .................................................................................................................. 49

ANEXO A – DATA-SHEET DO COMPONENTE HDM16216H-B....................................... 50

ANEXO B – ARTIGO APROVADO NO 21O CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA

BIOMÉDICA ................................................................................................................. 51

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 OBJETIVO

Uma característica da sociedade moderna é a grande preocupação com a

saúde. Assim, a atividade física exerce um papel fundamental para a sua

manutenção.

Contudo, antes da realização do exercício físico é necessário que o

indivíduo realize um teste de esforço. Este consiste em obter informações sobre

como o coração trabalha durante o exercício físico. Há muitas maneiras de

determinar qual o nível de esforço ideal, porém o mais utilizado é a freqüência

cardíaca.

Diante deste quadro, buscou-se desenvolver um equipamento capaz de

medir os batimentos cardíacos e determinar a frequência máxima de acordo com a

idade do usuário, assegurando, assim, que o indivíduo realize os exercícios de uma

forma segura e eficiente, e conseqüentemente melhore seu nível de

condicionamento.

Para desenvolver um equipamento com tais funcionalidades, torna-se

necessária a utilização de uma tecnologia que permita construir um sistema rápido,

de fácil operação e manipulação. Optou-se então por utilizar um microcontrolador e

componentes eletrônicos, que reúnem estas características.

Em um trabalho de conclusão de curso graduação na Universidade

Estadual de Londrina (UEL) (NERI,2006) foi realizado um equipamento com tais

características e qualidades. Assim, houve uma análise em relação a este trabalho

para identificar a viabilidade do equipamento.

O presente estudo visa analisar e identificar os elementos que não foram

tão satisfatórios na monografia anterior, assim determinar quais partes poderiam ser

melhoradas ou modificadas. Com base nesta análise, foram definidos os itens que

precisariam de mudanças.

2

Desta forma, no presente trabalho foram realizados: a correção de alguns

erros na recepção do sinal, que consiste em retirar os ruídos ao final do sistema do

condicionamento; e a otimização do código assembly.

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Neste capítulo foi exposta a principal motivação para a realização do

trabalho, enfocando a importância de um sistema para medição da frequência

cardíaca para um indivíduo que deseje iniciar uma atividade.

O capítulo 2 apresenta uma breve revisão da literatura do sistema

circulatório, anatomia do coração, fisiologia do coração, condicionamento físico, o

microcontrolador 8051 e a descrição do trabalho desenvolvido anteriormente (NERI,

2006).

O capítulo 3 trata da metodologia, detalhando o novo sistema proposto, a

aquisição do sinal do sensor, implementação do condicionamento do sinal e a

estrutura lógica de programação.

O capítulo 4 traz os resultados e discussão que foram adquiridos do sistema

implementado.

No capítulo 5 são apresentadas as conclusões e as sugestões para

trabalhos futuros.

3

2 REVISÃO DA LITERATURA

Neste capítulo são abordados o sistema circulatório, a anatomia e fisiologia

do coração, além de algumas informações importantes sobre condicionamento

físico (seção 2.1 a 2.4). Na seção 2.5 é feito um resumo da monografia de

conclusão de curso de graduação na UEL (NERI, 2006), que serviu como base para

a implementação deste trabalho.

2.1 SISTEMA CIRCULATÓRIO

O sistema circulatório é composto por sangue, vasos sanguíneos e o

coração. Ele tem como função atender às necessidades dos tecidos, a saber:

transportar nutrientes ou produtos de excreção; condução de hormônios de uma

parte do corpo à outra; e de forma geral, manutenção de um ambiente apropriado

para as condições ótimas de sobrevivência e de funcionamento das células.

Para o sangue percorrer todas as regiões do nosso organismo, ele utiliza

canais apropriados chamados vasos sanguíneos. Os vasos que saem do coração e

vão à periferia são chamados de artérias, e aqueles que seguem o percurso inverso

são chamados de veias. Nas artérias o transporte é de sangue rico em oxigênio e

em substâncias nutritivas, já nas veias ocorre o contrário, o sangue é rico em

anidrido carbônico e substâncias de rejeição.

As artérias, chegando à periferia do corpo humano, se dividem em artérias

menores (arteríolas). Estas se ramificam em vasos menores e mais finos chamados

capilares, e são a este nível que têm lugar as trocas entre sangue e células. Os

capilares vão se agrupando para pequenas veias (vênulas) que aos poucos vão

unindo-se umas com outras, tornam-se veias verdadeiras e trazem de volta o

sangue ao coração.

A circulação, mostrada na Figura 2.1, está dividida em circulação sistêmica

e circulação pulmonar. Como a circulação sistêmica supre de sangue todos os

4

tecidos do corpo, exceto os pulmões, ela também é chamada de grande circulação,

ou circulação periférica.

Figura 2. 1: Distribuição do sangue.

(Fonte: http://turmadomario.com.br/cms/ind.php/Conteudo/Sistema-Circulatorio-

Humano.html)

A grande circulação é o movimento do sangue que sai pelo ventrículo

esquerdo, através da artéria aorta, e retorna pelas veias cava inferior e superior de

volta ao átrio esquerdo. Na pequena circulação, ou circulação pulmonar, o sangue

sai do ventrículo direito, através da artéria pulmonar, passando pelos capilares

pulmonares, e retorna para o átrio esquerdo através das veias pulmonares.

2.2 ANATOMIA DO CORAÇÃO

O coração é uma estrutura complexa que está localizada na cavidade

torácica, ocupando uma posição aproximadamente central entre os dois pulmões. O

5

coração está revestido por um saco fibroso, o pericárdio. A parede do coração é

constituída por três camadas, epicárdio, miocárdio e endocárdio. O epicárdio,

lâmina fibrosa de revestimento, é a camada mais externa ou superficial do coração.

O endocárdio é a camada de revestimento interno, constituído por um tecido

elástico e mais liso, chamado de tecido endotelial. O miocárdio, situado entre o

epicárdio e endocárdio, é uma camada muscular que constitui o músculo cardíaco

responsável pela função contrátil.

O coração humano está dividido em duas metades, esquerda e direita, cada

uma delas constituídas de um átrio e de um ventrículo. Entre os átrios e os

ventrículos de cada metade do coração encontram-se as válvulas atrioventriculares

(AV), que permitem ao sangue fluir do átrio ao ventrículo, mas não do ventrículo ao

átrio. A válvula AV direita é chamada de tricúspide, pois possui três folhetos ou

cúspides. A válvula AV esquerda, que possui dois folhetos ou cúspides, é chamada

de válvula mitral.

Figura 2. 2: Seção diagramática do coração.

(Fonte: Manual Merck de Informação Médica – Saúde para a Família)

6

2.3 FISIOLOGIA DO CORAÇÃO

As partes do coração funcionam numa respectiva ordem: a contração dos

átrios (sístole atrial) é seguida pela contração dos ventrículos (sístole ventricular), e

o relaxamento de todas as quatros câmaras (diástole).

O batimento cardíaco tem origem em um sistema de condução cardíaco

especializado, propagando por meio deste sistema para todas as regiões do

miocárdio. O sistema de condução é constituído pelo nódulo sinoatrial (nódulo SA),

as vias atriais internodais, nódulo atrioventricular (nódulo AV), o feixe de His e seus

ramos, e o sistema de Purkinje. Estas partes do sistema de condução, e sob

condições anormais, partes do miocárdio, são capazes de despolarizarem-se

espontaneamente. No entanto, o nódulo SA descarrega-se rapidamente. Desta

forma, o nódulo SA é o marcapasso cardíaco, sendo que a velocidade de

despolarização determina a frequência dos batimentos cardíacos (GANONG, 1989).

2.3.1 Atividade Elétrica do Coração

As células cardíacas são altamente excitáveis, ou seja, são aptas a gerar

rapidamente variações nos impulsos eletroquímicos, os quais podem ser utilizados

para a transmissão de sinais ao longo das membranas das células.

Em situações normais, os potenciais de ação só podem ser propagados da

porção atrial para a porção ventricular por meio de um sistema especializado de

condução, o feixe atrioventricular (feixe AV), que consiste em fibras condutoras

especializadas.

Grande parte das fibras cardíacas são dotadas da capacidade de auto-

excitação, processo que pode provocar descarga e contrações automáticas e

rítmicas. Normalmente, o responsável por controlar a frequência de batimento de

todo o coração é o nódulo SA, uma vez que este possui uma auto-excitação em

maior grau e, portanto, gera impulsos elétricos que ocasionam toda a excitabilidade

do coração.

7

Desta forma, qualquer impulso elétrico gerado pelo nódulo SA se propaga

de imediato para todas as regiões dos átrios, com velocidade de aproximadamente

1m/s. A faixa miocárdica interatrial anterior é a responsável por conduzir o impulso

do nódulo SA diretamente para o átrio esquerdo. A onda de impulsos elétricos,

responsáveis pela excitação, que prossegue inferiormente através do átrio direito,

finalmente alcança, por meio da vias internodais, o nódulo átrioventricular (AV),

considerada normalmente a única via de condução entre os átrios e os ventrículos.

O nódulo AV, é alcançado pela onda de impulsos elétricos, que é responsável pela

excitação, através das vias internodais, que percorrem o trajeto inferiormente do

átrio direito.

Existem dois tipos principais de potencias de ação: os potencias de ação

rápida e de ação lenta. O potencial de resposta rápida é característicos de células

musculares atriais e ventriculares normais e das fibras de Purkinje, com potencial

de repouso entre –80 a –90 mV, sendo a velocidade de ascensão do potencial de

ação em torno de 150 mV/s e uma velocidade de condução muito rápida. Já o de

ação lento é característico das células nódulos SA e AV normais, nas quais o

potencial de repouso é de –40 a –70 mV, a velocidade de ascenção do potencial de

ação é no máximo de 10 V/s e a velocidade de condução do impulso é muito baixa

(GUYTON e HALL, 2002).

2.3.2 Sinal de ECG

As variações de potencial que representam à soma algébrica dos potenciais

de ação das fibras cardíacas podem ser registradas na superfície do corpo, pois os

líquidos orgânicos são bons condutores. O eletrocardiograma (ECG) é o registro

destas variações de potencial durante o ciclo cardíaco, ou seja, um instrumento que

avalia os eventos elétricos do coração (VANDER, 1981).

O ECG pode ser registrado por meio de eletrodo ativo ou explorador em

conexão com um eletrodo indiferente com potencial zero (derivação unipolar) ou

entre dois eletrodos ativos (derivação bipolar). Colocando-se eletrodos em ambos

os braços e na perna esquerda, obtém-se, aproximadamente, um triângulo em cujo

8

centro situa-se o coração (triângulo de Einthoven). Ligando-se tais eletrodos a um

terminal comum, obtém-se um eletrodo indiferente com potencial próximo a zero. A

onda de despolarização que se desloca em direção a um eletrodo ativo num

condutor em volume produz uma deflexão positiva, enquanto a onda de

despolarização que se desloca em sentido oposto produz uma deflexão negativa.

A Figura 2.3 ilustra um eletrocardiograma normal típico registrado como a

diferença de potencial entre os braços, ao nível dos pulsos, direito e esquerdo.

Onde a despolarização atrial produz a onda P, e a despolarização ventricular, o

complexo QRS, e o segmento ST e a onda T representam a repolarização

ventricular.

Figura 2. 3: Etetrocardiograma típico.

(Fonte: VANDER et al.1981 pág. 312)

9

2.4 CONDICIONAMENTO FÍSICO

A frequência cardíaca é descrita pelo número de vezes que o coração se

contrai e relaxa, isto é, o número de vezes que o coração bate por minuto.

Durante a realização dos exercícios físicos prolongados num ritmo

constante, salvo em condições ambientais especiais ou em estado de morbidade,

ou ainda mediante condições psicológicas adversas, verifica-se que existe uma

relação relativamente linear entre a freqüência cardíaca de esforço e a proporção

de utilização do consumo máximo de oxigênio (GUEDES, 1995). Com isso, muitas

vezes, na falta de informações sobre o consumo máximo de oxigênio, a prescrição

da intensidade dos exercícios físicos é feita com base em proporções da freqüência

cardíaca.

Dessa forma, determinar a frequência cardíaca máxima de esforço do

indivíduo passa a ser o atributo preponderante na prescrição da intensidade dos

esforços físicos. Vários métodos têm sido preconizados na tentativa de determinar a

frequência cardíaca máxima de esforço. Um recurso bastante interessante utilizado

em sua estimativa é a idade de cada pessoa, uma vez que a capacidade funcional

máxima torna-se menor com o passar dos anos em ambos os sexos.

Como regra geral, após os 20-25 anos admite-se que ocorre diminuição de

um batimento cardíaco por minuto a cada ano. Assim, uma estimativa da frequência

cardíaca máxima de esforço pode ser realizada através da subtração da idade atual

do valor 220. Por exemplo, para um indivíduo de 30 anos de idade, a frequência

cardíaca máxima de esforço é calculada pela Equação 2.1:

FCmáx = 220 – 30 = 190 batimentos por minuto, Equação 2.1

onde FCmáx é a frequência cardíaca máxima de esforço.

De posse da freqüência cardíaca máxima de esforço, torna-se possível

determinar os limites da freqüência cardíaca equivalente à intensidade dos esforços

físicos desejada, utilizando-se da chamada freqüência cardíaca de reserva, que

corresponde à diferença entre a freqüência cardíaca máxima e a de repouso

(Karvonein, 1957).

10

Dessa forma, se uma pessoa com 30 anos de idade e com um batimento

cardíaco de repouso de 60 batimentos por minuto, o limite recomendado da

frequência cardíaca para esforços físicos a uma intensidade entre 50% e 80%

deverá estar entre 125 e 164 batimentos cardíacos por minuto, de acordo com a

tabela 2.1. Ou seja, os exercícios físicos deverão apresentar intensidade que possa

elevar a frequência cardíaca máxima de 125 bpm, mas não ultrapassar a 164 bpm.

Esta região de frequência preconizada para os esforços físicos, compreendida entre

os limites inferior e superior, é conhecida como zona-alvo de esforço físico.

Tabela 2. 1: Exemplo dos cálculos dos limites da frequência cardíaca de esforço.

(Fonte: KAVONEN et al., 1957 apud GUEDES et al, 1995, pág. 88).

220

Idade da Pessoa -30

Freqüência Cardíaca Máxima de

Esforço 190

Freqüência Cardíaca de Repouso -60

Freqüência Cardíaca de Reserva 130

Intensidade dos Esforços Físicos 130 130

(50 - 80%) x 0,50 x 0,80

65 104

Freqüência Cardíaca de Repouso + 60 + 60

Freqüência Cardíaca Preconizada

para Esforços Físicos

125

164

Limite Limite

Inferior Superior

2.5 MICROCONTROLADOR 8051

O microcontrolador é um componente presente no interior de um

dispositivo, contendo um processador, memórias e funções de entrada/saída. É um

11

microprocessador que além dos componentes lógicos e aritméticos de uso geral,

integra elementos adicionais tais como memória RAM, EEPROM ou Memória flash

para armazenamento de dados ou programas, dispositivos periféricos e interfaces

de E/S que podem ir de um simples pino digital do componente a uma interface

USB ou inteface serial (SICA, 2006).

Os microcontroladores podem ser encontrados em praticamente todos os

dispositivos eletrônicos digitais, com grande aplicação em produtos e dispositivos

de controle automático.

Neste trabalho foi utilizado o microcontrolador AT89C52 da ATMEL, devido

ao baixo consumo de energia, capacidade de armazenamento EPROM e facilidade

de programação, uma vez que este utiliza a mesma linguagem assembly da família

8051.

2.6 EQUIPAMENTO IMPLEMENTADO ANTERIORMENTE (NERI, 2006)

O trabalho anterior (NERI, 2006) consistiu em realizar um sistema

microprocessado para medição da frequência cardíaca, cujo resumo está

apresentado no diagrama de blocos da Figura 2.4.

Figura 2. 4: Diagrama de blocos do sistema.

Para a implementação deste projeto o autor, utilizou-se de um sensor

infravermelho, um circuito de condicionamento, um microcontrolador da família 8051

para efetuar os cálculos e um display de cristal líquido (LCD) para mostrar o valor

da frequência cardíaca medida.

O programa utilizado no microcontrolador seguiu os seguintes fluxogramas,

representados na Figura 2.5 e Figura 2.6.

12

Figura 2. 5: Fluxograma do programa principal.

13

Sensor

N = 0?

Ligar TIMER0CONT1 = 0CONT2 = 0

Tempo = 1ms?

CONT1 = CONT1 + 1

S

S

CONT1 < 100

CONT2 = CONT2 + 1CONT1 = 0

N

CONT2 , 40?

FC = 0

Retorna ao Programa Principal

S

S

N

Desligar TIMER0Armazenamento

do tempo

N

N

Figura 2. 6: Fluxograma da interrupção.

14

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA

O sistema a ser realizado é o aprimoramento de um medidor de frequência

cardíaca. O equipamento foi desenvolvido sempre com o objetivo de construir um

sistema simples, eficiente e de fácil configuração.

As etapas desenvolvidas serão apresentadas neste capítulo. Um diagrama

funcional do sistema é apresentado na Figura 3.1.

Para capturar a frequência cardíaca utilizou-se de um sensor de batimento

cardíaco. Como o sinal adquirido pelo sensor é um sinal elétrico muito fraco, fez-se

necessário um condicionamento eletrônico, conseguido por um circuito de

amplificação do sinal.

Figura 3. 1: Diagrama funcional do sistema.

3.2 SENSOR DE FREQUÊNCIA CARDÍACA

O sensor utilizado (vide Figura 3.2) para a medição de batimento cardíaco é

comercializado no Brasil em lojas de ginástica, sendo de fácil aquisição no

15

mercado*. Este consiste de um LED do tipo infravermelho OP140A, fixo numa das

extremidades de um clip e no outro lado um fototransistor do tipo OP550A,

conforme mostrado na Figura 3.3.

Figura 3. 2: Sensor utilizado.

A monitoração do fluxo de sangue nos vasos sanguíneos é feita

aprisionando o sensor na extremidade do dedo da pessoa, e conforme o coração

força o fluxo do sangue através dos vasos sanguíneos, a quantidade varia em

função do tempo, sendo captada pelo sensor. A Figura 3.3 apresenta à estrutura do

sensor preso a extremidade do indicador da mão de uma pessoa.

Figura 3. 3: Sensor de batimentos cardíacos.

O LED infravermelho (transmissor) emite uma luz constante. O

fototransistor (receptor) é um componente capaz de receber a luz, detector de

luminosidade, com intensidade variável. Desta forma, quando a quantidade de

sangue no vaso for alta, a quantidade de luz sensibilizada pelo fototransistor será

_____________

* O sensor infravermelho adquirido, em uma loja de manutenção de aparelhos de ginástica, no mês

de março de 2008 teve um custo de vinte e cinco (25) reais.

menor, pois o sangue funciona como um obstáculo à passagem da mesma. Para

evitar que a luz ambiente atrapalhe o fototransistor foi feito um encapsulamento de

tecido preto.

O fototransistor gera uma pequena corren

saída do sensor. Como a tensão proveniente é baixa, a captura da freqüência

cardíaca deve ser feita através de um circuito de condicionamento capaz de

amplificar este sinal. Este circuito é descrito a seguir.

3.3 CONDICIONAMENTO DO

No circuito da Figura 3.4, que corresponde ao sensor de freqüência

cardíaca, o LED infravermelho é alimentado por uma tensão

consistindo o circuito em apenas do LED e uma resistência de limitação, através do

resistor, R1, que limita uma corrente

operação do LED. A alimentação do fototransistor também é de

resistor de limitação, R2,

aproximadamente 50µA

através do capacitor de acoplamento

um sinal de corrente em um valor de te

a seguir. Os seguintes valores foram utilizados no circuito: R1 = 390

R3 = 1MΩ, C7 = 680nF e C8 = 220nF.

Figura 3.



O fototransistor gera uma pequena corrente elétrica, em que é o sinal de



amplificar este sinal. Este circuito é descrito a seguir.

ONDICIONAMENTO DO SINAL


cardíaca, o LED infravermelho é alimentado por uma tensão


resistor, R1, que limita uma corrente de aproximadamente 13mA, suficiente para

. A alimentação do fototransistor também é de

R2, de 100kΩ. Neste ramo do circuito, a corrente típica é de

A fazendo com que o circuito tenha sinal de saída filtrado

capacitor de acoplamento, C8. A função da resistência R3 é transformar

um sinal de corrente em um valor de tensão, e a tensão Vs é amplificada pelo bloco

s seguintes valores foram utilizados no circuito: R1 = 390

, C7 = 680nF e C8 = 220nF.

Figura 3. 4: Diagrama esquemático do sensor.

16



te elétrica, em que é o sinal de




cardíaca, o LED infravermelho é alimentado por uma tensão VCC igual a 5V,


de aproximadamente 13mA, suficiente para

. A alimentação do fototransistor também é de VCC igual a 5V com

. Neste ramo do circuito, a corrente típica é de

com que o circuito tenha sinal de saída filtrado

. A função da resistência R3 é transformar

nsão, e a tensão Vs é amplificada pelo bloco

s seguintes valores foram utilizados no circuito: R1 = 390Ω, R2 = 100kΩ,

O segundo estágio do condicionamento é

estágios conhecido como amplificador não

onde o ganho é obtido pela relação entre as resistências conectadas ao

amplificador operacional CA3140. O ganho pode se

conforme (Pertence, 2003):

Figura 3.

Como no circuito da Figura 3.5, R4=R6=1k

obtido é de 2.809 vezes. A tensão de saída deste estágio tem um valor de 8,4Vpp

para uma entrada de aproximadamente 3mVpp

Com finalidade de evitar flutuações, ruídos e falsos disparos foi introduzido

um comparador com histerese c

sensor FC, conforme ilustrado na Figura 3.6. A operação do comparador é

relativamente simples. C

da tensão de ruído presente no sinal normal

referência denominados tensão de disparo superior

as comutações ocorrem apenas quando o sinal atingir um dos níveis de disparo.

gio do condicionamento é constituído pela cascata de dois

conhecido como amplificador não-inversor, de acordo com a Figura 3.5,


amplificador operacional CA3140. O ganho pode ser calculado pela equação 3.1,

conforme (Pertence, 2003):

+

+==

6

71

4

51

R

R

R

R

V

VAvf

SINAL

AMPSINAL

Figura 3. 5: Amplificador do sinal proveniente do sensor

Como no circuito da Figura 3.5, R4=R6=1kΩ e R5=R6=52 k

809 vezes. A tensão de saída deste estágio tem um valor de 8,4Vpp

para uma entrada de aproximadamente 3mVpp.


um comparador com histerese como bloco posterior a amplificação do sinal do


Como é conhecida a ordem de grandeza do valor pico a pico

da tensão de ruído presente no sinal normal foi estabelecido

referência denominados tensão de disparo superior (VDS) inferior


17

constituído pela cascata de dois

inversor, de acordo com a Figura 3.5,


r calculado pela equação 3.1,

Equação 3.1

: Amplificador do sinal proveniente do sensor.

R5=R6=52 kΩ, o ganho

809 vezes. A tensão de saída deste estágio tem um valor de 8,4Vpp


omo bloco posterior a amplificação do sinal do


omo é conhecida a ordem de grandeza do valor pico a pico

cido dois níveis de

inferior (VDI). Desta forma,


Figura 3.

Para o circuito da figura 3.6, foram utilizados os seguintes parâmetros R8=

500Ω, R9=1kΩ e tensão de saturação (histerese) na faixa entre “

1,5V” (PERTENCE, 2006)

alimentação do comparador, que pode ser calculado pela equação 3.2.

O último estágio do condicionamento, circuito da Figura 3.7 é a

do sinal na saída do comparador em nível de tensão adequada

microcontrolador onde R10=R11=10k

Como o microcontrolador trabalha com 0 e 5V, utilizou

gera 0V quando a tensão de entrada for negativa e 5V quando a tensão de entrada

for positiva. Como na saída do LM

rede, foi colocado um capacitor de derivação (C9). Dessa forma, na saída do

circuito a forma da onda não possui estas interferências.

Figura 3. 6: Comparador inversor regenerativo.


ão de saturação (histerese) na faixa entre “

(PERTENCE, 2006). A tensão de disparo depende das tensões de

comparador, que pode ser calculado pela equação 3.2.

( )

( )SATDI

SATDS

VRR

RV

VRR

RV

−+

=

++

=

98

8

98

8

ltimo estágio do condicionamento, circuito da Figura 3.7 é a

do sinal na saída do comparador em nível de tensão adequada

onde R10=R11=10kΩ, R12 = 1kΩ e C9=100nF.

Como o microcontrolador trabalha com 0 e 5V, utilizou-se o LM311. Esse CI


for positiva. Como na saída do LM311 ainda possuía alguns ruídos provenientes da


circuito a forma da onda não possui estas interferências.

18


ão de saturação (histerese) na faixa entre “–V + 1,5V” e “+V -

. A tensão de disparo depende das tensões de

comparador, que pode ser calculado pela equação 3.2.

Equação 3.2

ltimo estágio do condicionamento, circuito da Figura 3.7 é a adaptação

do sinal na saída do comparador em nível de tensão adequada a porta do

.

se o LM311. Esse CI


311 ainda possuía alguns ruídos provenientes da


19

Figura 3. 7: LM311.

O esquema do circuito de condicionamento do sinal é mostrado na Figura 3.8.

Figura 3. 8: Circuito de condicionamento.

3.4 PROGRAMA DO MICROCONTROLADOR

O programa implementado no microcontrolador AT89C52, da ATMEL, foi o

mesmo utilizado por NERI (2006). No entanto, no intuito de aprimorar e otimizar foi

adicionado mais uma sub-rotina dentro do programa principal.

A sub-rotina seguiu os seguintes fluxogramas representados nas figuras:

3.9 e 3.10.

20

Figura 3. 9: Fluxograma da rotina vetor.

A rotina vetor tem como objetivo armazenar os valores das frequências

cardíacas em um vetor de sete posições de 2 bytes cada. Como o valor do

batimento cardíaco é gerado através da interrupção, a rotina espera este ocorrer

para inicializar-se. Após a interrupção, o ponteiro R0 recebe o endereço do vetor

para realizar os cálculos de todos os endereços. A primeira posição do vetor recebe

o byte MSB e o byte LSB do batimento cardíaco, assim como as outras sete

posições. Dessa forma, este ciclo é realizado até as posições do vetor estiverem

totalmente preenchidas com os valores da frequência cardíaca. Caso este ciclo

esteja terminado, a rotina vetor é encerrada e a rotina ordenar é inicializada.

21

INÍCIO

ALOCA VETDEFINE NUM

NUM = 7

a 39h40h aa 38h41h a

S

C = 0

R1 = 40h

a @ R0

NUM + +

N

a = @ R1

C = 0R1 = R1 + 1R0 = R0 + 1a @ R0

a > @ R1R0 = R0 + 1R1 = R1 + 1

R1 = R1 – 1R0 = R0 – 1

@ R0 @ R1INC R0INC R1

@ R0 @ R1INC R0INC R1

a > @ R1R0 = R0 + 2R1 = R1 + 2

S

S

S

S

N

N

N

N

R0 # VETR1 # VET + 2

Figura 3. 10: Fluxograma da rotina ordenar.

A rotina ordenar tem como função analisar o vetor de sete posições,

ordená-lo em ordem crescente.

através dos bytes MSB de cada posição, e caso estes bytes sejam iguais a

comparação é feita com os bytes LSB.

sua mediana, e esta será o val

3.5 MONTAGEM

Nesta seção são apresentados os procedimentos de montagem e ligações

dos componentes, display de cristal líquido (LCD), dos circuitos de clock interno,

reset e fonte de alimentação no microcont

3.5.1 Fonte de Alimentação

No circuito da fonte de alimentação foi utilizado um regulador de tensão

positiva de 5V (LM7805) e regulador de tensão negativa de 5V (LM7905), 2 baterias

de 9V para alimentar o circuito e 6 capacitores para f

esquemático do circuito da fonte de alimentação está mostrado na Figura 3.1

onde C1 = C2= 10 F/ 16V e C3 = C4 = C5 = C6 = 100nF.

Figura 3.

A rotina ordenar tem como função analisar o vetor de sete posições,

lo em ordem crescente. As comparações são realizadas primeiramente


comparação é feita com os bytes LSB. Deste vetor ordenado, será encontrada a

sua mediana, e esta será o valor do batimento cardíaco apresentado no LCD.



reset e fonte de alimentação no microcontrolador AT89C52.

Fonte de Alimentação



de 9V para alimentar o circuito e 6 capacitores para filtrar o sinal DC. O

esquemático do circuito da fonte de alimentação está mostrado na Figura 3.1

onde C1 = C2= 10 F/ 16V e C3 = C4 = C5 = C6 = 100nF.

Figura 3. 11: Fonte de alimentação de tensão.

22

A rotina ordenar tem como função analisar o vetor de sete posições, e

As comparações são realizadas primeiramente


Deste vetor ordenado, será encontrada a

or do batimento cardíaco apresentado no LCD.





iltrar o sinal DC. O

esquemático do circuito da fonte de alimentação está mostrado na Figura 3.11,

3.5.2 Clock

O circuito gerador de clock interno, é mostrado na Figura 3.1

R18=6MΩ, C9 = C10 = 33 pF e X1 = 12 MHz. Este é ligado aos pinos 18 e 19 do

microcontrolador.

Figura 3.

3.5.3 Reset

O circuito a ser ligado no reset do microcontrolador (pino 9) é apresentado

na Figura 3.13, onde C11 = 10 F/ 25V, R12

constituído de um reset automático e um reset forçado.

gerador de clock interno, é mostrado na Figura 3.1

C9 = C10 = 33 pF e X1 = 12 MHz. Este é ligado aos pinos 18 e 19 do

Figura 3. 12: Circuito gerador de clock interno.

to a ser ligado no reset do microcontrolador (pino 9) é apresentado

, onde C11 = 10 F/ 25V, R12 = 8,2kΩ e R1

constituído de um reset automático e um reset forçado.

Figura 3. 13: Circuito de Reset.

23

gerador de clock interno, é mostrado na Figura 3.12 sendo

C9 = C10 = 33 pF e X1 = 12 MHz. Este é ligado aos pinos 18 e 19 do

to a ser ligado no reset do microcontrolador (pino 9) é apresentado

e R13 = 100Ω. Este é

24

3.5.4 Display LCD

As ligações do LCD foram realizadas de acordo com a Tabela 3.1. No pino

3, foi inserido um divisor de tensão para ajustar a intensidade do LCD. Na Figura

3.14 está mostrada as ligações do LCD nos pinos do microcontrolador, onde

R20=10kΩ e R19=4,7kΩ. No Anexo A, encontra-se o datasheet do HDM16216H-B

da HANTRONIX.

Tabela 3. 1: Ligação dos pinos LCD.

Número do Pino (LCD) Ligação (Pino no Microcontrolador)

1 Terra 0V

2 Alimentação 5V

3 Divisor de tensão

4 Porta P2.0 (21)

5 Terra 0V

6 Porta P2.1 (22)

7 Porta P1.0 (1)

8 Porta P1.1 (2)

9 Porta P1.2 (3)

10 Porta P1.3 (4)

11 Porta P1.4 (5)

12 Porta P1.5 (6)

13 Porta P1.6 (7)

14 Porta P1.7 (8)

15 Não conectado

16 Não conectado

25

Figura 3. 14: Ligações do LCD.

3.5.5 Microcontrolador

Na Tabela 3.2 encontram-se as ligações dos pinos do microcontrolador.

Tabela 3. 2: Ligações dos pinos

Número do Pino Ligação

1 Display LCD (DB0)

2 Display LCD (DB1)

3 Display LCD (DB2)

4 Display LCD (DB3)

5 Display LCD (DB4)

6 Display LCD (DB5)

7 Display LCD (DB6)

8 Display LCD (DB7)

9 Circuito de Reset

12 Circuito de condicionamento

18 Circuito do Clock

18 Circuito do Clock

20 Terra 0V

21 Display LCD (RS)

22 Display LCD (E)

32 CH2 - Aumenta

33 CH3 - Diminui

34 CH4 - Enter

40 Alimentação 5V

Onde as chaves CH1 = reset , CH2 = aumenta, CH3 = diminui e CH4 =

enter. Sendo R14 = R15 = R16 = R17 = 10k

está mostrado na Figura 3.1

Figura 3.


do R14 = R15 = R16 = R17 = 10kΩ. O esquemático do

está mostrado na Figura 3.15.

Figura 3. 15: Esquemático das ligações dos componentes

26


. O esquemático do circuito completo

: Esquemático das ligações dos componentes.

27

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Um protótipo do sistema de batimento cardíaco foi montado em protoboard,

para verificar e analisar o seu funcionamento. A Figura 4.1 mostra uma foto do

protótipo onde estão presentes o sensor de batimento cardíaco, o circuito de

condicionamento do sinal, o circuito de alimentação de tensão, o circuito de clock, o

circuito de reset, o microcontrolador e o display LCD.

Figura 4. 1: Sistema implementado em protoboard.

4.1 SENSOR DE FREQUÊNCIA CARDÍACA

Durante os experimentos com o protótipo foi verificado que a recepção do

sinal do sensor variava muito quando se realizava movimentos mecânicos. No

entanto, com mais estudos e observações foi comprovado que a falha na aquisição

28

do sinal era devido à luz do ambiente, e não aos movimentos do sensor.

Dessa forma, o encapsulamento feito com tecido preto, apesar de simples,

reduziu bastante à interferência da luz no fototransistor. E consequentemente, a

recepção do sinal ficou com melhor qualidade do que a apresentada no sensor sem

a capa.

4.2 SISTEMA DE CONDICIONAMENTO

O sistema de condicionamento sofreu algumas mudanças em relação ao

TCC (NERI, 2006). No circuito correspondente ao sensor de frequência cardíaca,

Figura 3.4, houve uma mudança do capacitor C7 de 1uF para 680nF. Apesar do

ruído no sinal ter aumentado, a alteração no valor do capacitor fez com que o sinal

ficasse periódico e com amplitude maior. Desta forma, o sinal ficou melhor para as

outras etapas do condicionamento. A Figura 4.2 mostra o sinal após passar pelo

sensor e pelo filtro.

Figura 4. 2: Sinal após passar pelo filtro

29

Outra mudança foi no segundo estágio do sistema, amplificação do sinal,

em que foram utilizados dois amplificadores operacionais CA3140 ao invés de

apenas um. Ao utilizar um único CI o ganho era elevado, atingindo a saturação do

amplificador, e consequentemente, deixando de trabalhar na região de operação

linear. Assim, usando dois CI’s o ganho ficou reduzido de aproximadamente 1/52,

não levando a saturação do AMPOP e podendo trabalhar na região linear. A leitura

do sinal após passar pelo amplificador operacional CA 3140 tem a forma conforme

a figura 4.3.

Figura 4. 3: Sinal após passar pelo amplificador

A terceira etapa é a passagem do sinal amplificado por um comparador com

histerese, este sinal é mostrado na Figura 4.4.

30

Figura 4. 4: Sinal após passar pelo comparador

Na última etapa o sinal é transformado em um sinal compatível com a porta

do microcontrolador AT89C52 (Figura 4.5).

Figura 4. 5: Sinal digitalizado

31

4.3 MICROCONTROLADOR E LCD

Apesar do sistema de condicionamento do sinal ter apresentado um bom

resultado, foi visto que em alguns momentos da medição surgiam valores

discrepantes em relação aos padrões normais. Por isso, foi inserida uma rotina de

ordenar as freqüências cardíacas dentro do programa principal. Assim, a sub-rotina

funciona como um filtro inteligente que separa os valores desejados dos

inapropriados.

As telas em que o LCD mostra está apresentado nas figuras: Figura 4.6,

Figura 4.7, Figura 4.8, Figura 4.9 e Figura 4.10. Na primeira tela, Figura 4.6, mostra-

se o início do programa.

Figura 4. 6: Tela inicial

A segunda tela, Figura 4.7, pede ao usuário que atualize a sua idade,

utilizando as chaves. A faixa de idade está entre um e noventa e nove anos.

32

Figura 4. 7: Atualização da idade

De acordo com a idade do usuário, o programa calcula a frequência

cardíaca máxima para a prática do exercício supondo um esforço de oitenta por

cento da capacidade. Esta terceira tela, Figura 4.8, mostra a idade escolhida do

usuário e a frequência cardíaca máxima em bpm.

Figura 4. 8: Cálculo da frequência cardíaca máxima

Na quarta tela, Figura 4.9, é apresentada a frequência máxima na primeira

linha, e na segunda linha, a frequência cardíaca atual medida através do sensor.

33

Figura 4. 9: Tela final

Caso o sistema identifique uma ausência de sinal no sensor, o valor da

frequência cardíaca atual é forçado à zero. Mostrado na Figura 4.10.

Figura 4. 10: Ausência de sinal no sensor

4.4 TESTES PARA VALIDAÇÃO DO SISTEMA

Para verificar o funcionamento do equipamento, foram realizados medidas

da frequência cardíaca através do pulso e simultaneamente verificava-se a leitura

do equipamento. A medição através do equipamento foi realizada durante um

34

período de um minuto.

O procedimento para medição da frequência cardíaca através do pulso

consiste em contar o número de batimentos cardíaco em um intervalo de 15

(quinze) segundos. Após esse tempo o valor é multiplicado por 4 (quatro),

permitindo encontrar a frequência cardíaca em bpm.

Ambas as medições foram feitas com uma amostragem de 8 indivíduos,

com idades variadas e ambos os sexos. Para minimizar o erro as medições foram

realizadas seis vezes para cada indivíduo. Os resultados da validação do

equipamento estão na Tabela 4.1.

Tabela 4. 1: Valores da frequência cardíaca

Indivíduo Sexo Idade FC pulso FC equipamento Erro

(anos) (bpm) (bpm) (%)

1 F 21 71,33 ± 2,23 74,78 ± 4,46 4,83

2 M 23 72,52 ± 3,30 73,40 ± 3,98 1,21

3 M 25 76,80 ± 2,68 73,30 ± 5,81 4,55

4 F 32 77,30 ± 3,54 76,70 ± 1,54 0,77

5 M 38 79,83 ± 2,73 84,52 ± 5,33 5,87

6 M 45 81,56 ± 3,30 78,23 ± 1,37 4,08

7 F 52 72,80 ± 2,86 71,95 ± 3,18 1,16

8 M 56 78,66 ± 4,45 78,85 ± 1,18 0,24

Erro Médio 2,84 ± 0,80

35

5 CONCLUSÃO

Neste trabalho, foi aprimorado um sistema para medição de batimentos

cardíacos, atingindo os objetivos de melhorar a recepção do sinal do sensor e

principalmente ao circuito de condicionamento do sinal.

Considera-se que o sistema desenvolvido atingiu as finalidades de

assegurar que a atividade física possa a ser um benefício à saúde, uma vez que o

sistema não permite ao usuário fazer seus exercícios físicos de forma a extrapolar a

freqüência cardíaca máxima recomendada.

Os resultados obtidos da frequência cardíaca com o sistema desenvolvido

estão de acordo com os dados obtidos através da medição do pulso, que conforme

a Tabela 4.1 apresenta um erro médio de 2,84±0,80%.

Várias dificuldades foram encontradas neste projeto, entre elas pode se

ressaltar a montagem do circuito de condicionamento para capturar a frequência

cardíaca a partir da utilização de sensores comerciais e a familiarização com a

linguagem assembly do microcontrolador AT89C52.

5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Este sistema certamente ainda pode ser aprimorado, e até mesmo

expandido para outros equipamentos. Um projeto alternativo seria introduzir um

sistema capaz de transmitir dados via Universal Serial Bus (USB) para um

computador pessoal (PC), permitindo a possibilidade de manipular estes dados.

Além de transmitir dados, o microcontrolador poderia armazenar os dados

(medidas das freqüências cardíacas) na sua memória, passando para o PC quando

desejasse realizar tabelas e gráficos para analisar o batimento cardíaco do usuário

durante certo período de tempo.

Outros aprimoramentos são possíveis, como: desenvolvimento de um

oxímetro de pulso, que além de medir os batimentos cardíacos, permite medir a

36

saturação parcial de oxigênio no sangue.

37

REFERÊNCIAS

GANONG, W. F. Fisiologia Médica. Atheneu, São Paulo, 1989.

GUEDES, D. P. Exercício Físico na Promoção da Saúde. Editora Midiograf,

Londrina, 1995.

GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica, 10ª edição. Guanabara

Koogan, Rio de Janeiro, 2002.

PERTENCE JR. , A. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos, 6ª edição.

Editora Bookman, São Paulo, 2003.

MCARDLE, W. D. Fisiologia do Exercício. 5ª edição. Guanabara Koogan, Rio de

Janeiro, 2003.

NERI, F. M. Sistema microprocessado para medição da freqüência cardíaca.

Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica) –

Departamento de Engenharia Elétrica do Centro de Tecnologia e Urbanismo da

Universidade Estadual de Londrina (DEEL/CTU/UEL), Londrina, 2006.

NICOLOSI, D. E. C. Microcontrolador 8051 Detalhado. Editora Érica, São Paulo,

2004.

SICA, Carlos. Sistemas Automáticos com Microcontroladores 8031/8051. 1ª

edição. Editora Novatec, São Paulo, 2006.

SILVA, V. P. Aplicações Práticas do Microcontrolador 8051. Editora Érica, São

Paulo, 2004.

SPIEGEL, M. R. ESTATÍSTICA. 3ª edição. Editora Makron books, São Paulo,1993.

38

VANDER, A. J.; SHERMAN, J. H.; LUCIANO, D. S. Fisiologia Humana. Editora

McGraw-Hill do Brasil, São Paulo, 1981.

39

APÊNDICES

40

APÊNDICE A – PROGRAMA DO SISTEMA MICROPROCESSADO PARA MEDIÇÃO DO

BATIMENTO CARDÍACO

;############################################################### ;### Programa do Sistema microprocessado ### ;### para medição da freqüência cardíaca ### ;### ### ;### Programado por: Fernando Moscato Neri - 14/10/2006 ### ;### ### ;### Adaptado por: Luciano Kenji Taho - 02/10/2008 ### ;### [As novas sub-rotinas estão em negrito] ### ;### ### ;############################################################### DEFSEG TCC_Final, CLASS = CODE, START = 0 SEG TCC_Final ;================DECLARAÇÃO DAS INTERRUPÇÕES================ ORG 0000h ;endereço do RESET LJMP INICIO ;desvio incondicional para INICIO ORG 0003h ;endereço da interrupção INT0 LJMP SENSOR ;desvio incondicional SENSOR ORG 000Bh ;endereço da interrupção TIMER 0 LJMP CONT0 ;desvio incondicional para CONT0 ;================DECLARAÇÃO DAS EQU'S======================== SAIDA EQU P1 ;saída de dados/instruções RS EQU P2.0 ;controle de dado/instrução EN EQU P2.1 ;habilitação do display CH1 EQU P0.7 ;chave aumenta CH2 EQU P0.6 ;chave diminui CH3 EQU P0.5 ;Enter CONT1 EQU 30h ;registradores para contagem CONT2 EQU 31h ;de 1ms a 4 segundos VET EQU 60h ;define vetor i EQU 59h ;variavel i NUM EQU 58h ;variavel NUM N EQU 56h ;variável número de interrupções ;================PROGRAMA PRINCIPAL========================== INICIO: MOV i,#00h ;i recebe 00h LCALL CONFIG ;configura o display MOV a,#80h ;posição da linha 1 coluna 1 LCALL INST ;sub-rotina para enviar instrução ao LCD MOV DPTR,#MSG1 ;busca endereço inicial da mensagem 1 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY1S ;delay de 1 segundo LCALL DELAY1S ;delay de 1 segundo MOV a,#01h ;limpa display LCALL INST ;sub-rotina para enviar instrução ao LCD MOV a,#80h ;posição da linha 1 coluna 1 LCALL INST MOV DPTR,#MSG2 ;busca endereço inicial da mensagem 2 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST MOV R7,#1Eh ;move 30d (1Eh) para R7 - idade inicial LCALL IDADE ;chama a sub-rotina IDADE

41

LCALL CONFERE1 ;chama a sub-rotina para conferir as chaves MOV a,#01h ;limpa dispay LCALL INST MOV a,#80h ;posição da linha 1 coluna 1 LCALL INST ;posiciona o cursor LCALL DELAY LCALL IDADE MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST MOV DPTR,#MSG5 ;busca endereço inicial da mensagem 5 LCALL LCD LCALL DELAY LCALL CALCULO ;sub-rotina que calcula e mostra a FCmax MOV DPTR,#MSG6 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY1S MOV a,#01h ;limpa dispay LCALL INST MOV a,#80h ;posição da linha 1 coluna 1 LCALL INST MOV DPTR,#MSG5 ;busca endereço inicial da mensagem 5 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY MOV a,52h ;move para A o valor do endereço 52h LCALL DADO ;envia centena da FCmax LCALL DELAY MOV a,51h ;move para A o valor do endereço 51h LCALL DADO ;envia dezena da FCmax LCALL DELAY MOV a,50h ;move para A o valor do endereço 50h LCALL DADO ;envia unidade da FCmax LCALL DELAY MOV DPTR,#MSG6 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY MOV IE,#83h ;habilita INT0 e TIMER 0 MOV IP,#03h ;prioridade alta para INT0 e TIMER 0 MOV TCON,#01h ;INT0 detecta borda de descida SETB P3.2 ;reseta pino P3.2 (INT0) JMP $ ;retenção do programa ;================INTERRUPÇÃO=============================== SENSOR: MOV a,N CJNE a,#00h,PULA ;compara N com zero, se diferente PULA MOV N,#1 ;carrega N com 01h MOV TMOD,#01h ;TIMER 0 no modo 1 (16 bits) MOV CONT1,#0 ;zera posição de memória 30h MOV CONT2,#0 ;zera posição de memória 31h LOOP5: MOV TH0,#0FCh ;conta ciclos de 1ms (1000 ciclos) MOV TL0,#17h SETB TR0 ;liga TIMER 0 RETI PULA: MOV N,#0 ;carrega N com 00h CLR TR0 ;desliga TIMER 0 CLR TF0 ;reseta flag overflow LJMP ARM ;chama sub-rotina ARM RETI ;================Contagem de tempo (TIMER 0)======================= CONT0: CLR TF0 ;reseta flag de overflow INC CONT1 ;incrementa CONT1

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MOV a,CONT1 ;copia o valor de CONT1 para ACC CJNE a,#64h,LOOP5 ;enquanto CONT1<100 vai para LOOP5 INC CONT2 ;incrementa CONT2 MOV CONT1,#00h ;zera CONT1 MOV a,CONT2 CJNE a,#28h,LOOP5 ;enquanto CONT2<40 vai para LOOP5 CLR TR0 ;desliga TIMER 0 MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST LCALL DELAY MOV DPTR,#MSG9 LCALL LCD LCALL DELAY MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST LCALL DELAY MOV DPTR,#MSG8 LCALL LCD LCALL DELAY RETI ;================Armazenamento do tempo=========================== ARM: MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST MOV DPTR,#MSG7 LCALL LCD LCALL DELAY MOV 40h,#00h ;zera conteúdo do endereço 40h MOV 41h,#00h ;zera conteúdo do endereço 41h MOV a,CONT2 MOV b,#64h MUL ab ;multiplica CONT2 por 100d = 64h MOV @40h,a ;armazena o byte LSB no endereço 40h MOV a,b MOV @41h,a ;armazena o byte MSB no endereço 41h CLR c ;zera carry MOV a,40h ;copia para ACC o byte LSB ADD a,CONT1 ;soma ACC com CONT1 MOV @40h,a ;move para 40h o byte LSB da soma MOV a,41h ;ACC=byte MSB da multiplicação ADDC a,#0 ;ACC + valor do endereço 41h + carry MOV @41h,a ;move para 41h o byte MSB da soma ;================Vetor================================================= MOV A,i ;move i para ACC CJNE A,#07h,VAI ;compara se ACC=07h ;senão pula pra VAI LJMP ORDENA ;chama sub-rotina ORDENA VAI: MOV B,#02h ;B recebe 02h MUL AB ;multiplica AB ADD A,#VET ;A=#VET+2*i MOV R0,A ;R0=A MOV A,41h ;A recebe byte MSB MOV @R0,A ; INC R0 ;incrementa R0 MOV A,40h ;A recebe byte LSB MOV @R0,A ; INC i ;incrementa i RETI ; ;================Ordena================================================ ORDENA :MOV i,#00h ;i recebe zero

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MOV A,#vet ;Coloca no ponteiro R0 MOV R0,a ;o endereço do vetor ADD A,#02h ;R1 recebe o valor da posição do MOV R1,a ;segundo número do vetor CLR C ;Limpa carry MOV a,NUM ;Compara se NUM é igual a 7 CJNE a,#07,CONT ;senão vai pra CONT SJMP MEDIANA ;Vai pro label MEDIANA CONT: CLR C ;Limpa carry MOV A,R1 ;Compara se o ponteiro R1 chegou ao fim do vetor CJNE A,#110,PULA1 ;Senão vai pra para PULA1 INC NUM ;incrementa NUM SJMP ORDENA ;Vai pra ORDENA PULA1:CLR C ;Limpa carry MOV A,@R0 ;Compara se o byte MSB de R0 é igual a R1 SUBB A,@R1 ; JZ LSB ;Se sim vai para LSB CLR C ;Limpa carry MOV A,@R0 ;Compara se o byte MSB de R0 é maior do que R1 SUBB A,@R1 ; JC INC ;Senão pula para INC MUDA: MOV A,@R0 ;Troca o conteúdo... MOV 110,A ; MOV A,@R1 ; MOV @R0,A ; MOV @R1,110 ;...do bite MSB INC R0 ; INC R1 ; MOV A,@R0 ;Troca o conteúdo... MOV 110,A ; MOV A,@R1 ; MOV @R0,A ; MOV @R1,110 ;...do byte LSB DEC R0 ; DEC R1 ; INC: INC R0 ;Incremeta os ponteiros R0 e R1 INC R0 ; INC R1 ; INC R1 ; CLR C ;Limpa carry SJMP CONT ;Vai para CONT LSB: INC R0 ; INC R1 ; CLR C ; MOV A,@R0 ;Compara se o byte LSB de R0 é maior do que R1 SUBB A,@R1 ; JC INC2 ;Senão pula para INC2 DEC R0 ; DEC R1 ; SJMP MUDA ;Se sim vai para MUDA INC2: INC R0 ;Incremeta os ponteiros R0 e R1 INC R1 ; LJMP CONT Vai para CONT MEDIANA:MOV A,67h ;Coloca o byte LSB da mediana do vetor MOV @40h,A ;no endereço 40h MOV A,66h ;Coloca o byte MSB da mediana do vetor MOV @41h,A ;no endereço 41h ;================Calculo da Freqüência cardíaca======================== MOV R1,#0EAh ;copia o valor 60000d = EA60h

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MOV R0,#60h MOV R2,40h ;copia o tempo MOV R3,41h LCALL DIV16 MOV a,R0 ;copia somente o LSB do resultado MOV b,#10 DIV ab MOV R1,a MOV a,b ADD a,#30h ;converte unidade pra ASCII MOV R2,a ;guarda a unidade em R2 MOV @53h,a ;guarda a unidade no endereço 53h MOV a,R1 MOV b,#10 DIV ab ADD a,#30h ;converte centena em ASCII MOV @55h,a ;guarda centena no endereço 55h LCALL DADO ;envia centena MOV a,b ADD a,#30h ;converte dezena em ASCII MOV @54h,a ;guarda dezena no endereço 54h LCALL DADO ;envia dezena MOV a,R2 ;move R2 (unidade) para acumulador LCALL DADO ;envia unidade em ASCII MOV DPTR,#MSG6 LCALL LCD LCALL DELAY RETI ;================Divisão de 16 bits================================= DIV16: MOV R7,#0;limpa resto parcial MOV R6,#0 MOV b,#16 ;seta contador b DLOOP:CLR C ;zera o carry MOV a,R0 ;carrega o byte MSB do dividendo... RLC a ; MOV R0,a ; MOV a,R1 ; RLC a ; MOV R1,a ; MOV a,R6 ; RLC a ;...byte LSB MOV R6,a ;byte LSB do resto parcial <=Acc MOV a,R7 ;Acc <= byte MSB do resto parcial RLC a ;move em 1 bit para a esquerda os 8 bits de ;Acc e do Carry. ;Acc(0) <= Carry e Carry <= Acc(7) MOV R7,a ;byte MSB do resto parcial <= Acc MOV a,R6 ;Acc <= byte LSB do resto parcial CLR C ;subtrai o divisor... SUBB a,R2 ; MOV DPL,a ; MOV a,R7 ; SUBB a,R3 ; MOV DPH,a ;...do resto parcial CPL C ;complementa o carry JNC DIV1 ;se carry=0 vai para DIV1 MOV R7,DPH ;carrega o resto parcial com novo valor MOV R6,DPL DIV1: MOV a,R4 ;carrega o resultado...

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RLC a ; MOV R4,a ; MOV a,R5 ; RLC a ; MOV R5,a ; DJNZ b,DLOOP ;se b for diferente de zero retorna para ;DLOOP MOV a,R5 ;carrega o quociente... MOV R1,a ; MOV a,R4 ; MOV R0,a ;...em R0 e R1 MOV a,R7 ;carrega em R2 e R3... MOV R3,a ; MOV a,R6 ; MOV R2,a ;..antes da ultima subtração RET ;================Confere as chaves================================= CONFERE1:MOV a,P0 CJNE a,#7Fh,CONFERE2 ;se não disparou aumenta, vai para ;confere2 CJNE R7,#63h,AUMENTA;se R7 for diferente de 99d (63h) ;vai pra aumenta MOV R7,#01h ;se igual a 99d recebe 0d SJMP AUMENTA2 AUMENTA:INC R7 ;incrementa R7 AUMENTA2:MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST LCALL DELAY LCALL IDADE ;atualiza idade LCALL DELAY130 CONFERE2:CJNE a,#0BFh,CONFERE3 CJNE R7,#01h,DIMINUI ;se R7 for diferente de 1d, vai para ;diminui MOV R7,#63h ;se 1d recebe 99d SJMP DIMINUI2 DIMINUI:DEC R7 ;decrementa R7 DIMINUI2:LCALL DELAY MOV a,#0C0h ;posição da linha 2 coluna 1 LCALL INST LCALL DELAY LCALL IDADE ;atualiza idade LCALL DELAY130 CONFERE3:CJNE a,#0DFh,CONFERE1;se não disparou enter, volta para ;confere1 RET ;================Calculo do limite superior da freqüência cardíaca========== CALCULO:MOV a,#0DCh ;carrega 220d (DCh) no acumulador Acc CLR C ;reseta o carry SUBB a,R7 ;subtrai R7 e borrow de A: A=A-CY-Rn CLR C ;reset carry SUBB a,#3Ch ;subtrai 60d (3Ch) e borrow de A MOV b,#04h ;carrega b com 4d (4h) MUL ab ;multiplica o resultado por 4 MOV R1,b ;move MSB para R1 MOV R0,a ;move LSB para R0 MOV R3,#00h ;move 05h para R3 e R2 MOV R2,#05h LCALL DIV16 MOV a,R0 ;coloca em A somente o LSB

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ADD a,#3Ch ;soma o resultado com 60d MOV b,#10 DIV ab MOV R1,a MOV a,b ADD a,#30h ;converte unidade pra ASCII MOV R2,a ;guarda o a unidade em R2 MOV @50h,a ;guarda a unidade no endereço 50h MOV a,R1 MOV b,#10 DIV ab ADD a,#30h ;converte centena em ASCII MOV @52h,a ;guarda centena no endereço 52h LCALL DADO ;envia centena MOV a,b ADD a,#30h ;converte dezena em ASCII MOV @51h,a ;guarda dezena no endereço 51h LCALL DADO ;envia dezena MOV a,R2 ;move R2 (unidade) para acumulador LCALL DADO ;envia unidade em ASCII RET ;================Delay de 130ms================================== DELAY130:MOV R3,#02 ;2x255x255=130050 ciclos =0,130s LOOP2: MOV R2,#0FFH LOOP1: MOV R1,#0FFH DJNZ R1,$ ;decrementa R1 e fica aqui DJNZ R2,LOOP1 ;decrementa R2 e devia para LOOP1 se ;diferente de zero DJNZ R3,LOOP2 ;decrementa R3 e devia para LOOP2 se ;diferente de zero RET ;retorna da sub-rotina ;================Atualização da Idade=============================== IDADE: MOV DPTR,#MSG3 LCALL LCD LCALL DELAY MOV a,R7 ;carrega em A o valor de R7 - idade MOV b,#10 DIV ab ;divide idade/10 ADD a,#30h ;converte dezena em ASCII LCALL DADO MOV @33h,a ;transfere valor para endereço 33h MOV a,b ADD a,#30h ;converte unidade em ASCII LCALL DADO MOV @32h,a ;transfere unidade para endereço 32h MOV DPTR,#MSG4 LCALL LCD ;exibe mensagem no display LCALL DELAY RET ;================Delay de 1 segundo================================ DELAY1S: MOV R3,#16 ;16x255x255=1040400 ciclos = 1,04s LOOP4: MOV R2,#0FFH LOOP3: MOV R1,#0FFH DJNZ R1,$ ;decrementa R1 e fica aqui DJNZ R2,LOOP3 ;decrementa R2 e devia para LOOP3 se ;diferente de zero DJNZ R3,LOOP4 ;decrementa R3 e devia para LOOP4 se ;diferente de zero RET ;retorna da sub-rotina

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;================DISPLAY DE CRISTAL LIQUIDO==================== ;Configuração do display CONFIG: MOV a,#38h ;LCD com 2 linhas 5x7 (8 bits) LCALL INST MOV a,#38h LCALL INST MOV a,#06h ;desloca o cursor para a direita LCALL INST MOV a,#0Eh ;cursor fixo LCALL INST MOV a,#01h ;limpa display LCALL INST RET ;Este transfere a instrução carregado no acumulador para o display INST: MOV SAIDA,a ;transfere para a saída a instrução CLR RS ;seleciona instrução SETB EN ;habilita display LCALL DELAY CLR EN ;finaliza operação RET ;Transferência de DADOS para o Display DADO: MOV SAIDA,a ;transfere para a saída o dado SETB RS ;seleciona dado SETB EN ;habilita display LCALL DELAY CLR EN ;finaliza operação RET ;Busca endereço da mensagem e escreve no Display LCD: MOV a,#0 ;zera o acumulador Acc MOVC a,@a+DPTR ;busca o dado JZ FIMDADO ;se for zero fim da linha LCALL DADO ;escreve dado no display INC DPTR ;incrementa ponteiro JMP LCD ;busca proximo dado FIMDADO:RET ;Gera DELAY de 15ms DELAY:MOV TH1,#0C5h;(65535 - 50535 = 15000 ==>C567h) 15000 ;ciclos MOV TL1,#067h ;15 ms CLR TF1 ;reset flag de overflow SETB TR1 ;liga TIMER 1 JNB TF1,$ ;enquanto TF1 = 0 fica aqui CLR TF1 ;reset flag de overflow CLR TR1 ;desliga TIMER 1 RET ;Declaração das mensagens MSG1: DB "INICIANDO..." DB 0 MSG2: DB "ATUALIZE A IDADE" DB 0 MSG3: DB "IDADE=" DB 0 MSG4: DB "anos" DB 0 MsG5: DB "FCmax=" DB 0 MSG6: DB "bpm" DB 0

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MSG7: DB "FC=" DB 0 MSG8: DB "FC=0" DB 0 MSG9: DB " " DB 0 END

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ANEXOS

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ANEXO A – DATA-SHEET DO COMPONENTE HDM16216H-B

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ANEXO B – ARTIGO APROVADO NO 21O CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA

BIOMÉDICA

aprimoramento de um sistema microprocessado … · luciano kenji taho aprimoramento de um sistema...

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