O diagrama de blocos, representado na figura 5.13, permite ilustrar os procedi- mentos realizados de modo a levar a cabo os ensaios experimentais. Deste modo, os sinais oriundos dos sensores de press˜ao osm´otica e de referˆencia s˜ao amplificados por meio de unidades amplificadoras (amplificadores de instrumenta¸c˜ao) de acordo com um ganho pr´e-determinado. O microcontrolador desempenha a fun¸c˜ao principal de converter os sinais sensoriais amplificados e transmitir esses dados pela porta s´erie (RS-232) para o computador, onde s˜ao manipulados e amostrados por uma aplica¸c˜ao JAVA desenvolvida para o efeito.
Tendo em conta o diagrama de blocos da figura 5.13, projectou-se o sistema pr´e- amplificador e de aquisi¸c˜ao de dados apresentado na figura 5.14.
O objectivo principal consistia em implementar uma unidade amplificadora e de aquisi¸c˜ao de dados para posterior integra¸c˜ao no prot´otipo do sensor osm´otico j´a
5.4. SISTEMA PR´E-AMPLIFICADOR E DE AQUISIC¸ ˜AO DE DADOS 109
Sensor de Pressão Osmótica
SISTEMA DE MONITORIZAÇÃO DE GLICOSE
Amplificação do sinal Amplificação do sinal Posm + Patm Sensor de Referência Patm Microcontrolador Computador Patm Ganho 2 Ganho 1 Posm + Patm Ganho 1 Ganho 2 Patm Posm + Patm Aplicação JAVA
Posm - Pressão Osmótica
Patm - Pressão Atmosférica
Figura 5.13 – Diagrama de blocos ilustrador dos procedimentos de capta¸c˜ao e manipula¸c˜ao dos dados sensoriais.
desenvolvido, visando a redu¸c˜ao significativa das perdas produzidas ao longo das liga¸c˜oes compridas existentes no prot´otipo entre a unidade sensorial e a parte de acondicionamento de sinal. Deste modo, por meio deste aprimoramento s˜ao evitados efeitos prejudiciais na estabilidade e resolu¸c˜ao do sistema.
Como se pode verificar pelas figuras5.13e5.14, tanto o prot´otipo do sensor osm´otico como o sensor de press˜ao de referˆencia (SW415 PRT, SensorNor, Norway) foram ligados a unidades amplificadoras de ganho program´avel (AD8556 - Digitally Pro- grammable Sensor Signal Amplifier with EMI Filters).
Estes amplificadores foram escolhidos para ser parte integrante do sistema por pos- suir a caracter´ıstica de possibilitar a programa¸c˜ao do seu ganho, de extrema im- portˆancia quando se visa a defini¸c˜ao de um valor de ganho distinto para cada um
Alexandra Leal UTAD@2010 a) b) c) c) d) e) f)
Figura 5.14 – PCB do circuito do sistema pr´e-amplificador de aquisi¸c˜ao de dados desen-
volvido. a) Sensor de press˜ao osm´otica; b) Sensor de press˜ao de referˆencia; c) Unidades
amplificadores de ambos os sensores de press˜ao; d) Microcontrolador do sistema; e) Entrada
para liga¸c˜ao serial (RS-232); f) Entrada para o programador PICkit 2 v2.61.
dos transdutores de press˜ao. A performance do sistema ir´a melhorar significativa- mente caso os sinais electr´onicos oriundos dos sensores sejam amplificados a um n´ıvel ´optimo e o ru´ıdo originado nos cabos de liga¸c˜ao seja considerado insignificante. Os sinais `a sa´ıda dos dois amplificadores AD8556 foram filtrados, atrav´es de filtros passivos passa-baixo de 1a ordem com frequˆencia de corte de 500 KHz, antes de
darem entrada no microcontrolador (PIC18F2610) para posterior tratamento. Por sua vez, a escolha deste microcontrolador deveu-se ao facto deste possuir n˜ao s´o um m´odulo conversor anal´ogico-digital (A/D) de 10 bits, mas tamb´em por possibili- tar a comunica¸c˜ao por porta s´erie (RS-232) para uma aplica¸c˜ao JAVA desenvolvida. A frequˆencia de corte dos filtros passivos passa-baixo de 1a ordem (f
C)foi determi-
nada tendo em conta o tempo m´ınimo de aquisi¸c˜ao requerido do m´odulo conversor ADC (TACQ), que segundo a datasheet tem o valor de 2,4 µs:
fC =
1 TACQ
= 1
5.4. SISTEMA PR´E-AMPLIFICADOR E DE AQUISIC¸ ˜AO DE DADOS 111
Por outro lado, a aplica¸c˜ao JAVA desenvolvida permitiu a visualiza¸c˜ao dos dados provenientes do sensor de press˜ao osm´otica de forma num´erica e gr´afica (figura5.15).
Figura 5.15 – Exemplo da aplica¸c˜ao JAVA desenvolvida para manipula¸c˜ao e tratamento de
dados sensoriais.
Como apresentado no diagrama de blocos da figura 5.13, o sensor de press˜ao utili- zado nesta disserta¸c˜ao para detectar a press˜ao osm´otica no interior da sua carca¸ca met´alica ´e absoluto e a informa¸c˜ao providenciada por ele ´e composta pelo valor de press˜ao osm´otica detectada assim como pela press˜ao atmosf´erica. Por esse mo- tivo foi utilizado um sensor de referˆencia que transmite `a mesma aplica¸c˜ao JAVA (figura 5.15) os dados referentes apenas `a press˜ao atmosf´erica (apresentado-os de forma num´erica e gr´afica). De modo a extrair apenas o valor de press˜ao osm´otica detectado pelo sensor, a aplica¸c˜ao JAVA da figura 5.15 efectua a diferen¸ca entre os dois sinais sensoriais e apresenta a press˜ao osm´otica actual (numerica e grafica- mente). Os procedimentos executados por esta aplica¸c˜ao JAVA para poder adquirir e amostrar os dados provenientes dos dois sensores de press˜ao s˜ao apresentados no fluxograma da figura 5.16.
Ínicio Interrupção (RX) Porta Serial Adição de novos dados no Buffer Buffer tem pacotes comple- tos? Busca dos dados do pacote S APLICAÇÃO JAVA Qual o botão pressionado? Análise dos dados do pacote Conversão dos dados nas suas
unidades Procura dos dados do pacote Actualiza o GUI com os dados novos N Cálculo do valor de pressão osmótica “STOP RECORD” “START RECORD”
Figura 5.16 – Fluxograma do funcionamento da aplica¸c˜ao JAVA desenvolvida.
A mesma aplica¸c˜ao JAVA permite ainda ao utilizador especificar o ganho desejado para cada uma das unidades amplificadoras dos sensores, que ir´a ser posteriormente transmitido ao microcontrolador e aos amplificadores para que o ganho especificado seja programado.
A programa¸c˜ao do ganho dos amplificadores (AD8556) foi realizada tendo em conta o formato da palavra s´erie de 38 bits especificada na sua datasheet:
• 12-Bit Start of Packet: 1000 0000 0001
5.4. SISTEMA PR´E-AMPLIFICADOR E DE AQUISIC¸ ˜AO DE DADOS 113
• 2-Bit Parameter : 00 (Second Stage Gain Code)
• 2-Bit Dummy: 10
• 8-Bit Value: O c´odigo do segundo estado do ganho depende do ganho que o utilizador deseja programar
C´odigo do primeiro estado do ganho:
C´odigo 0 – Ganho de 4,000 V/V (Definido por defeito) C´odigo do segundo estado do ganho:
C´odigo 0 – Ganho de 70 V/V C´odigo 1 – Ganho de 100 V/V C´odigo 2 – Ganho de 140 V/V C´odigo 3 – Ganho de 200 V/V C´odigo 4 – Ganho de 280 V/V C´odigo 5 – Ganho de 400 V/V C´odigo 6 – Ganho de 560 V/V C´odigo 7 – Ganho de 800 V/V
• 12-Bit End of Packet: 0111 1111 1110
A programa¸c˜ao do ganho de cada amplificador (AD8556) ´e realizada de forma in- dependente um do outro, na qual se optou por variar apenas o segundo estado do ganho e manter o primeiro estado do ganho constante em 4,000 V/V. Deste modo, o ganho dos amplificadores poder´a sofrer varia¸c˜oes entre 70 e 800 V/V, oferecendo uma gama de afina¸c˜ao de ganho bastante elevada.
Para o envio de cada bit do c´odigo de programa¸c˜ao do ganho do amplificador torna- se necess´ario respeitar determinadas especifica¸c˜oes temporais anunciadas pela da- tasheet e apresentadas na tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Especifica¸c˜oes temporais para a programa¸c˜ao do ganho dos amplificadores AD8556.
Parˆametro
temporal Descri¸c˜ao Especifica¸c˜ao
tw0
Largura do pulso por carregar um bit 0 para o
Shift Register
entre 50 ns e 10 µs
tw1
Largura do pulso por carregar um bit 1 para o
Shift Register ≥ 50 µs
tws Largura entre pulsos ≥ 10 µs
A figura 5.17 apresenta um diagrama temporal para o c´odigo exemplo 0 0 1 0 1 1, aplicando as especifica¸c˜oes temporais para os bits de programa¸c˜ao do ganho da tabela 5.1. 1 1 1 0 0 0 Código de bits Forma de onda tws tw1 tw0 tws tw1 tws tws tw0 tws tw0 Largura de pulso tw1 1 1 1 0 0 0 Código de bits Forma de onda tws tw1 tw0 tws tw1 tws tws tw0 tws tw0 Largura de pulso tw1
Figura 5.17 – Diagrama temporal para o c´odigo 0 0 1 0 1 1 de acordo com as especifica¸c˜oes
6
Resultados e discuss˜oes
pr´aticas
Este cap´ıtulo apresenta o processo de calibra¸c˜ao dos dois transdutores de press˜ao utilizados como meio de teste do sistema de monitoriza¸c˜ao de glicose desenvolvido, no qual um se destina a exercer a fun¸c˜ao de fornecer o valor de referˆencia de press˜ao atmosf´erica enquanto o restante ir´a ser incorporado no prot´otipo do sensor osm´otico com a finalidade de medir a press˜ao osm´otica presente na solu¸c˜ao.
Os ensaios experimentais de press˜ao osm´otica ao sistema de monitoriza¸c˜ao de glicose desenvolvido nesta disserta¸c˜ao foram realizados e documentados neste cap´ıtulo por forma a demonstrar as varia¸c˜oes de press˜ao osm´otica induzidas pelas diferentes con- centra¸c˜oes de soluto, assim como amostrados os respectivos resultados e conclus˜oes pr´aticas.
6.1
Calibra¸c˜ao dos transdutores de press˜ao
De modo a conseguir completar os ensaios experimentais pretendidos sobre o sistema de monitoriza¸c˜ao de glicose desenvolvido, os dois transdutores de press˜ao (sensor de press˜ao osm´otica e sensor de referˆencia) necessitaram de ser previamente calibrados. No entanto, antes de prosseguir o seu processo de calibra¸c˜ao o transdutor de press˜ao
osm´otica, teve de ser removido da sua carca¸ca met´alica.
O sistema de ensaio de calibra¸c˜ao dos transdutores de press˜ao utilizado encontra- se ilustrado na figura 6.1. O respectivo processo de calibra¸c˜ao passou pela liga¸c˜ao e coloca¸c˜ao de cada transdutor de press˜ao no interior de uma cˆamara de press˜ao (figura 6.2), `a qual se encontrava conectado um gerador de press˜ao pneum´atica. Por meio deste gerador de press˜ao pneum´atica, um determinado valor de press˜ao pneum´atica foi induzido a essa cˆamara de press˜ao, onde se encontrava o transdutor de press˜ao que se pretendia calibrar.
A
B
C
D
Figura 6.1 – Sistema de calibra¸c˜ao dos transdutores de press˜ao. A) Cˆamara de press˜ao;
B) Monitor digital indicador da press˜ao injectada na cˆamara de press˜ao; C) Sistema pr´e-
amplificador ligado ao transdutor de press˜ao; D) Gerador de press˜ao pneum´atica.
Atrav´es da varia¸c˜ao da press˜ao na cˆamara de press˜ao de 0 a 1 bar, em intervalos de 100 mbar, registou-se para cada valor de press˜ao diferente um vector constitu´ıdo
6.1. CALIBRAC¸ ˜AO DOS TRANSDUTORES DE PRESS˜AO 117
A
B
Figura 6.2 – Meio de conex˜ao dos transdutores de press˜ao `a cˆamara de press˜ao. A) Sistema
pr´e-amplificador ligado ao transdutor de press˜ao que se encontra no interior da cˆamara de
press˜ao; B) Pinos de liga¸c˜ao do transdutor de press˜ao `a cˆamara de press˜ao.
pelas respostas de tens˜ao obtidas do sensor de press˜ao ligado `a sua unidade ampli- ficadora com ganho constante de 70 V/V ao longo de um determinado intervalo de tempo. Para cada valor de press˜ao induzido, foi estimado o valor m´edio do vector de amostras obtido dos ensaios de calibra¸c˜ao. Todo o processo de calibra¸c˜ao foi ainda repetido 3 vezes para cada um dos transdutores de press˜ao e os dados m´edios destes ensaios foram estimados por forma a obter dados de calibra¸c˜ao precisos. Por fim, os dados de calibra¸c˜ao resultantes de cada transdutor de press˜ao deram origem `a constru¸c˜ao de curvas de calibra¸c˜ao distintas.
Os ensaios de calibra¸c˜ao dos transdutores de press˜ao ligados `as suas unidades am- plificadoras foram realizados tendo em conta a incapacidade da fonte pneum´atica externa utilizada em atingir valores inferiores a 0,17 bar, resultando na obten¸c˜ao de dados de calibra¸c˜ao referentes a valores de press˜ao na gama 0,17 – 1 bar.
Ap´os a conclus˜ao do processo de calibra¸c˜ao, os transdutores de press˜ao foram remo- vidos e desconectados da cˆamara de press˜ao da fonte pneum´atica.
Enquanto o transdutor de press˜ao de referˆencia foi integrado `a placa de circuito impresso (PCB) onde se encontra o sistema pr´e-amplificador e de aquisi¸c˜ao de dados com a fun¸c˜ao de medir a press˜ao atmosf´erica, o transdutor de press˜ao osm´otica foi colocado no interior da base da carca¸ca met´alica e isolado com silicone transl´ucido
e resina ep´oxica (Araldite 2020, Vantigo, Switzerland ).
A curva m´edia de calibra¸c˜ao resultante dos 3 testes de calibra¸c˜ao realizados sobre o transdutor de press˜ao osm´otica ligado `a sua unidade amplificadora com ganho constante de 70 V/V encontra-se ilustrado da figura 6.3 e traduz-se na seguinte equa¸c˜ao linear:
y = m x + b = 0,270531 x + 0,170036 (6.1)
Onde a vari´avel y representa a press˜ao pneum´atica induzida (bar), a vari´avel x representa o valor de tens˜ao obtido para tal press˜ao aplicada (V), o coeficiente angular m expressa o gradiente ou declive da recta e adopta o valor de 0,270531, e o coeficiente linear b determina o intercepto-y e define que a recta atravessa o eixo-y no valor de 0,170036.
Tendo em conta a curva de calibra¸c˜ao do transdutor de press˜ao osm´otica, o erro assimpt´otico standard associado ao c´alculo da constante angular m ´e de ±0,001166 (0,431%), enquanto o erro assimpt´otico standard associado ao c´alculo do coeficiente linear b ´e de ±0,002051 (1,206%).
As percentagens de erro associadas aos ensaios de calibra¸c˜ao realizados ao transdutor de press˜ao osm´otica foram calculadas individualmente e encontram-se apresentadas na tabela 6.1.
Por outro lado, a figura 6.4 apresenta a curva m´edia de calibra¸c˜ao resultante dos 3 testes de calibra¸c˜ao realizados sobre o transdutor de press˜ao de referˆencia ligado `a sua unidade amplificadora com ganho constante de 70 V/V, a qual se encontra traduzida segundo a equa¸c˜ao linear seguinte:
y = m x + b = 0,264434 x + 0,165239 (6.2)
Onde a vari´avel y representa a press˜ao pneum´atica induzida (bar), a vari´avel x representa o valor de tens˜ao obtido para tal press˜ao aplicada (V), o coeficiente
6.1. CALIBRAC¸ ˜AO DOS TRANSDUTORES DE PRESS˜AO 119 P re ss ure [ba r] Voltage [V]
Calibration Curve of Osmotic Pressure Sensor
Legend Calibra on Data 1 Calibra on Data 2 Calibra on Data 3 y=0.270531*x+0.170036 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25
Figura 6.3 – Curva de calibra¸c˜ao do transdutor de press˜ao osm´otica quando combinado com
a sua unidade amplificadora com ganho constante de 70V/V.
angular m expressa o gradiente ou declive da recta e adopta o valor de 0,264434, e o coeficiente linear b determina o intercepto-y e define que a recta atravessa o eixo-y no valor de 0,165239.
O c´alculo da constante angular m da curva de calibra¸c˜ao do transdutor de press˜ao de referˆencia possui um erro assimpt´otico standard associado de ±0,0006911 (0,2613%). Por outro lado, o c´alculo do coeficiente linear b da curva de calibra¸c˜ao do trans- dutor de press˜ao de referˆencia possui um erro assimpt´otico standard associado de ±0,001254 (0,7587%).
As percentagens de erro associadas aos ensaios de calibra¸c˜ao realizados ao trans- dutor de press˜ao de referˆencia foram calculadas individualmente e encontram-se apresentadas na tabela 6.2.
Tabela 6.1 – Erro aos ensaios de calibra¸c˜ao do transdutor de press˜ao osm´otica. Press˜ao induzida (bar) - y1 Sa´ıda do sensor (V) - x y2= 0,270531 x+0,170036 Erro(%) = |y2−y1| |y1| × 100 0,17 0,000518381 0,170176238 0,103669488 0,20 0,101750523 0,197562671 1,218664676 0,30 0,474466091 0,298393786 0,535404675 0,40 0,848606068 0,399610248 0,097437977 0,50 1,222785 0,500837249 0,167449767 0,60 1,599131367 0,602650608 0,441767959 0,70 1,970564812 0,703134869 0,447838451 0,80 2,337820454 0,802488905 0,311113166 0,90 2,711054091 0,903460174 0,38446381 1,00 3,037104359 0,991666879 0,833312066