Sistema de medição de dados biomédicos – ritmo cardíaco

Laboratório de Sistemas - LABSI

Hardware

Fig. 1 - TCRT1000 [4]

Fig. 2 - Princípio de funcionamento [4]

Sensor

Modelo: TCRT1000 [4]

Fabricante: Vishay

Tensão inversa máxima: 5V

Corrente máxima no emissor: 50 mA

TCRT1000 é um sensor óptico reflexivo que integra um díodo emissor de infravermelho e um fototransístor: fig. 1. Estes encontram-se dispostos lado a lado, numa cápsula de chumbo que bloqueia a luz natural, reduzindo a sua influência no desempenho do sensor.

Este sensor funciona com base na absorção de radiação emitida pelo díodo, pelo receptor. Desta forma, sem obstáculo, a radiação emitida pelo díodo é recebida pelo fototransístor. O contacto com um obstáculo faz com que a radiação recebida pelo receptor seja menor, uma vez que parte dela é absorvida pela superfície: fig. 2.

No caso concreto, aplicado como sensor de batimento cardíaco, ao entrar em contacto com a pele, é capaz de detetar o batimento cardíaco uma vez que a variação do fluxo sanguíneo, altera a quantidade de radiação absorvida pelo recetor. Esta variação induz, por sua vez, uma variação de corrente na saída do sensor, traduzida em variação de tensão numa resistência em série.

O sinal adquirido possui variações de tensão bastante baixas (na ordem dos mV), o que antecipa dificuldades no condicionamento do sinal.

De moda a garantir que a tensão inversa máxima não é ultrapassada, alimentou-se o sensor a 5V. Dimensionou-se a resistência de entrada de forma a que a corrente máxima no emissor não fosse ultrapassada e, simultaneamente, maximizada. No circuito do receptor, adicionou-se uma resistência em série com o coletor de modo a que a diferença de tensão na saída entre o modo de espera e o modo de medição fosse maximizada: fig. 3. Importa ainda referir que foi implementado um circuito dedicado ao "enable" do sensor, controlado pela app/microcontrolador.

Fig. 3 - Esquema de alimentação - TCRT1000

Material utilizado:

TCRT1000;
Resistências: 1x 100 Ω, 1x 10 kΩ , 1x 1 kΩ ;
Transístor: 2N3904 [5].

Filtro

Fig. 4 - Esquema - Filtro passa-banda

Perante um sinal de saída do sensor com baixa amplitude, muito ruído e com gama de frequência de interesse apertada, projetou-se um filtro passa banda ativo.

Na construção do filtro passa-banda, utilizou-se a abordagem esquematizada no diagrama de blocos que se segue.

Material utilizado:

Condensadores eletrolíticos: 2x 10 uF; 2x 4,7 uF;
Resistências: 4x 10 kΩ;
Potenciómetros: 2x 50 kΩ; 2x 2 MΩ;
Amplificador operacional: 1x LM358 [6].

Fig. 5 - Diagrama de blocos - Filtragem

No dimensionamento considerou-se:

Banda de passagem: 0,67 Hz (40 BPM) < f < 3,67 Hz (220 BPM);
Ganho global teórico: 20 625 V/V (143 V/V por nível) - ajustado no ensaio.

Nos filtros activos utilizaram-se amplificadores operacionais LM358, adequados para a implementação de filtros, alimentados a 5 V.

Microcontrolador

Fig. 6 - Núcleo F446RE

Modelo: NUCLEO F446RE [7]

Fabricante: STMicroelectronics

Microcontrolador: STM32

Como unidade de controlo para o desenvolvimento deste projeto, utilizou-se a placa de desenvolvimento NUCLEO F446RE. É uma placa simples e versátil, com possibilidade de conexão direta ao arduino. Além disso, o processador inclui várias bibliotecas que facilitam a implementação dos projetos.

De entre as várias características/funcionalidades da placa, importa destacar:

Oscilador de 32 kHz;
Conversor ADC de 12 bits (3,3 V);
Controlo por PWM;
Interface de comunicação: I2C, USART, UART;
Programador/Debugger incorporado.

Fig. 7 - HC-06

Módulo Bluetooth

Modelo: HC-06

De modo a possibilitar a comunicação sem fios, e na ausência desta funcionalidade no NUCLEO F446RE, optou-se por adicionar um módulo bluetooth, com as seguintes características:

Alcance: 10 m;
Interface de comunicação: UART (Rx e Tx);
Apenas modo Slave;
Protocolo utilizado: RFCOMM.

Projeto de PCB

Um vez dimensionado e testado, realizou-se o projeto para uma placa de circuito impresso, para o circuito de aquisição e condicionamento de sinal.

Fig. 8 - Modelo de PCB

Neste projeto, recorreu-se ao software KiCad. Este software, open-source, revelou-se bastante intuitivo e fácil de utilizar. Dispõe de uma vasta biblioteca de footprints e modelos 3D de componentes e circuitos integrados que facilitam a elaboração do projeto. Caso necessário, permite também, em poucos passos, a importação de modelos externos.

O modelo da PCB foi desenvolvido em duas camadas, com componentes through-hole, semelhantes, na medida do possível, aos utilizados na versão real desenvolvida em breadboard. Houve a preocupação de minimizar o espaço livre entre componentes. Desta forma, foi possível obter uma PCB com uma dimensão de 60 mm de comprimento e 40 mm de largura.

O modelo final pode ser visualizado em 3D e apresenta-se na fig. 8.