SEMIC Relatorio de Bolsista 2015

PIBIC / PIBITI / PIBITI / ICJr

Relatório Relatório das Ativid ades de Pesqu P esqu isa 24ªSE 24ªSE MIC - 20 15

ATIVIDADES EXECUTADAS PELO BOLSISTA BOLSISTA / VOLUNTÁRIO DADOS DE IDENTIFICAÇÃO: Do bolsista: Nome: Leonardo Montes Aligleri Curso: Engenharia Elétrica Período total de vigência da bolsa: de 01/08/2013 a 31/07/2016 Período de(tempo vigência da bolsa: de 01/11/2014 até o momento. em que o aluno ficou na bolsa) Tipo de bolsa: PIBIC/CNPq Do orientador: Nome: Pedro Lopes de Melo Unidade Acadêmica: Instituto de Biologia Roberto Alcantara Gomes Dos colaboradores (máximo de 3): Nome: Unidade/IES: Do Projeto aprovado para bolsa(s) PIBIC: Título do Projeto: Estudos experimentais e desenvolvimento de novos instrumentos visando o aprimoramento dos métodos de diagnóstico, telemedicina e terapia de doenças respiratórias

Informarapoio Informar apoio financeiro ao projeto por agências como CNPq, FAPERJ, CAPES, FINEP, PETROBRAS, MCT: (OBS.: Bolsas PIBIC, PIBITI e IC Jr não serão consideradas)

CNPq - Produtividade em Pesquisa nível 1D; Bolsa IC 2014 e Universal 2013. FAPERJ – APQ1 APQ1 2013; APQ1 2014; bolsa FAPERJ/UERJ InovUERJ nível superior 2013; PROCIÊNCIA 2014. RELATÓRIO: I - Título do Trabalho do Bolsista: Sintetizador de baixas freqüências baseado em Arduíno para o estudo do sistema respiratório II - Principais objetivos do projeto p rojeto original: Construir um sintetizador de sinais de dois canais que gere um somatório de senóides com freqüência(s) e defasagem(s) ajustáveis, capaz de servir de modelo para emular grandezas físicas mensuráveis do corpo humano.

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PIBIC / PIBITI / ICJr

Relatório das Ativid ades de Pesqu isa 24ªSE MIC - 20 15

III - Principais etapas executadas no período da bolsa visando ao alcance dos objetivos: Durante o desenvolvimento foram estudadas duas alternativas para o sintetizador, que são a alternativa analógica e a alternativa digital. 

Alternativa analógica (monofrequência): Foi construído um defasador analógico variável baseado no circuito proposto pela CALTECH através da apostila Analog Electronics Active Filters publicado pelo Sophomore Physics Laboratory. O circuito, que pode ser visto na figura 1, modifica a fase do sinal de entrada, a variação da fase pode ser controlada através to potenciômetro R. Sua principal desvantagem é a dependência do quanto o sinal é defasado com a freqüência de sinal, como pode ser visto pela equação1. (1)

Figura 1. Circuito defasador analógico

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Alternativa digital (monofrequência) Para a alternativa digital foi utilizado um Arduíno, que é descrito pelo fabricante como “... uma plataforma eletrônica open-source baseado em hardware e software de fácil utilização. É destinado para qualquer um fazer projetos interativos”. O Arduíno escolhido foi o Due que possui um micro-controlador AT91SAM3X8E da ATMEL ATMEL que tem um DAC integrado com resolução de 12bits, Sendo essa a principal razão para a sua escolha. O Arduíno foi programado utilizando-se a IDE Arduíno 1.5.8 beta, que no momento em que foi desenvolvido o programa era a única IDE compatível com o este Arduíno. Na figura 2 é possível observar o Arduíno DUE e a ide utilizada para sua programação.

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Figura 2 – Placa Arduíno Due e IDE Arduíno 1.5.8 beta

Com esse Arduíno foi possível gerar sinais de 0.1Hz - 240 Hz com tensão de saída de 2,18VPP e um offset de 1,64V. Para que fosse possível o ajuste do offset e da tensão de saída foram desenvolvidos um pares de circuitos analógicos baseados em amplificadores operacionais capazes de modificar o offset de cada canal individualmente para valores entre ±10V, a modificação é feita por um circuito somador tensão onde a tensão de referencia fornecida por um REF02 e ajustada por um potenciômetro. Um segundo par de circuitos é capaz de amplificar o sinal por um fator de 0V/V a 3 V/V. Na figura 3 pode-se ver o acabamento final após a montagem, Já na figura 4 é possível observar o diagrama esquemático da parte analógica do circuito.

Figura 3 - Gerador de sinais

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VDD

VSS 5V

VCC

R3

200KΩ

VCC 220kΩ VCC

U2 Vin GND

15V R1

15V U1A

2

Entrada CH1

1

220kΩ

TL084CN

BNC

TL084CN

5

7 5

J1

7

4

150kΩ

2

TL082CD

4

1 3

6

trim

REF02CZ

R4 110kΩ

TL082CD

VEE

VCC 15V

-15V

VEE

VEE VDD

VSS 5V

-5V

J2

5KΩ

VCC

R7 50KΩ

BNC

220kΩ VCC

11

C1 1mF

15V 11

U1D

13

C2 1mF

U1C

9

R6

16kΩ

14

8

220kΩ

TL084CN

12

15V

VCC 15V

Entrada CH2

8

-15V

4

-15V

R5

U3B

4

R9

3

6

R2

66kΩ

U1B

11

Vout

-15V

U3A

8

-5V

VEE 15V

15V

VCC

11

150kΩ R10

VEE

TL084CN

10

4

-15V

4

R8 110kΩ

-15V VEE

-15V VEE

VDD

VSS

5V

UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro Circuito Para Ajuste de Ganho e Offset com 2 Canais Independentes -5V LIB - Laboratório de Instrumentação Bioméd ica

Autor: Leon ardo Montes Aligleri

5KΩ

Orientador: Pedro Lopes de Melo

Data: 07/11/2014 Revisão: 1.0

Figura 4 – Circuito para ajuste do offset e da amplitude

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Alternativa digital (multifrequência) Esta alternativa utilizou a mesma montagem que o anterior (o mesmo hardware) tendo sido modificado apenas o software para que fosse possível a geração do somatório de freqüências. Nessa modificação devem ser inseridas no código do programa as freqüências desejadas, suas respectivas defasagens e sua amplitude relativa às demais senóides, e então deve ser carregado o programa no gerador de sinais. O sinal é gerado nos dois canais, porem as configurações de defasagem e amplitude relativa somente são aplicadas ao canal um, no canal dois todas as defasagens são de 0º e amplitude relativa unitária. Nessa configuração ainda é possível alterar os valores de offset e amplitude durante o uso, porem não e possível alterar a freqüência, defasagem e amplitude relativa, para isso é necessário carregar novamente o programa com as devidas alterações.

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Software para medição da diferença de fase Foi desenvolvido no ambiente gráfico LabVIEW uma aplicação capaz de medir a diferença de fase entre as componentes de um somatório de senóides, sendo necessário para isso que cada componente desse somatório possua também uma senóide de referencia com fase conhecida. A aquisição do sinal é feita através do DAQ NI USB-6009 da National Intruments que é responsável por converter os sinais analógicos para grandezas digitais. Os dados aquisitados são analisados pela VI Spcetral Measurements e de seu resultado são extraídas as informações desejadas de amplitude e fase, sendo que a fase é medida entre uma senóide e sua correspondente de mesma freqüência no outro canal. Seu diagrama esquemático pode ser visto na figura 7.

Figura 7 – Diagrama esquemático do software desenvolvido em LabView

Seu painel frontal, foi desenvolvido de modo a apresentar os sinais aquisitados suas informações de amplitude e as fases relativas. Na figura 8 é possível visualizar o painel frontal desenvolvido.

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Figura 8 – Painel frontal do software desenvolvido em LabView

IV - Apresentação e discussão sucinta dos principais resultados obtidos: 

Alternativa analógica Com a alternativa analógica foi possível realizar a defasagem entre as senóides, porem, como esperado, foi possível perceber que a resposta em freqüência da defasagem não era linear e que seria difícil de operar o circuito na faixa de freqüência desejável.

Gráfico 1 - Capacidade de defasagem do circuito

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Alternativa digital (monofrequência)

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Na alternativa monofrequência digital obteve-se a defasagem esperada com erro absoluto menor que 0,07º, e uma relação sinal/ruído (harmônicos) maior que 45dB. Na figura 5 é possível observar o sinal gerado, e sua analise FFT, o conjunto foi configurado para operar a 5Hz e uma defasagem de 45º.

Figura 5 – Sinal gerado e FFT

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Alternativa digital (multifrequência) Na alternativa digital multifrequência também se obteve a defasagem com um erro absoluto Maximo menor que 0,07º, porem obteve-se uma melhor relação sinal harmônico, isso porque para as freqüências escolhidas, em geral, o harmônico também era um sinal desejado. O sinal gerado, bem como e sua analise de fase e frequência podem ser vistos na figura 6.

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Figura 6 - Analise do Sinal gerado pela alternativa digital (multifrequência) com o software desenvolvido em LabView

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Software para medição da diferença de fase

Esse software foi desenvolvido visando verificar se os sistemas descritos anteriormente estavam funcionando como previsto. Nesse quesito ele apresentou um bom funcionamento. Na figura 6 é possível observá-lo em uso medindo fase e amplitude relativa entre um somatório de senóides. V - Relacione os principais fatores negativos e positivos que interferiram na execução do projeto. A. FATORES POSITIVOS: - Experiência enriquecedora em diversas áreas. - O aprendizado de programação na linguagem gráfica LabVIEW - A ajuda do orientador permitiu a aprendizagem de novos conhecimentos, relacionados às áreas de programação, construção de hardware, etc... - A disponibilidade de um computador exclusivo para e elaboração deste projeto no laboratório.

B. FATORES NEGATIVOS:

O desconhecimento prévio das diversas áreas abordadas tornou lento o inicio do projeto.

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VI - Informe se houve produção científica no período: Trabalhos publicados e/ou aceitos para publicação: Apresentações em Congressos: VII - Informe se houve atividades desenvolvidas em outras IES (Instituição de Ensino Superior): VIII - Autoavaliação do bolsista:

O projeto foi de grande importância no sentido de proporcionar a ambientação com as tecnologias utilizadas, a experiência de planejamento e construção dos hardwares e softwares desenvolvidos. O contato com outras áreas de conhecimento ajudou a desenvolver as habilidades de criação com base em requisitos necessários, e ajudou a melhorar a comunicação com diferentes áreas de conhecimento, alem de permitir a interação com áreas da engenharia que não são normalmente abordadas nos cursos de graduação.

IX - Avaliação do bolsista pelo orientador: O bolsista desempenhou com competência e dedicação suas tarefas. A etapa de divulgação dos instrumentos e dos resultados obtidos encontra-se em fase inicial. Em nome de toda a equipe do Laboratório de Instrumentação Biomédica da UERJ, o bolsista e o coordenador do projeto agradecem a UERJ pelo apoio financeiro.

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