PROYECTO SISTEMA DE SENSORES Y ADQUISICIÓN DE DATOS …
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1 PROYECTO “SWIMETRIX” SISTEMA DE SENSORES Y ADQUISICIÓN DE DATOS PARA MOVIMIENTOS DE (EN) NADADORES SEBASTIAN ALBERTO AVELLA ESCANDON BOGOTÁ D.C. PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA 2011
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PROYECTO
“SWIMETRIX”
SISTEMA DE SENSORES Y ADQUISICIÓN DE DATOS PARA MOVIMIENTOS DE
(EN) NADADORES
SEBASTIAN ALBERTO AVELLA ESCANDON
BOGOTÁ D.C.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
2011
2
PROYECTO
“SWIMETRIX”
SISTEMA DE SENSORES Y ADQUISICIÓN DE DATOS PARA MOVIMIENTOS
DE NADADORES
TRABAJO DE GRADO Nº 0971
SEBASTIAN ALBERTO AVELLA ESCANDON
DIRECTOR ING. KAMILO ANDRES MELO BECERRA M.Sc
BOGOTÁ D.C.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
2011
3
ARTICULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946
“La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de
grado.
Sólo se velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque los trabajos
no contengan ataques o polémicas puramente personales. Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de
buscar la verdad y la justicia”.
4
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
.
RECTOR MAGNÍFICO: PADRE JOAQUÍN SÁNCHEZ GARCÍA S.J.
DECANO ACADÉMICO - ING. FRANCISCO JAVIER REBOLLEDO MUÑOZ
DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO - P. SERGIO BERNAL RESTREPO, S.J. :
DIRECTOR DE CARRERA: ING. JUAN MANUEL CRUZ BOHORQUEZ M. SC
DIRECTOR DEL PROYECTO: ING. KAMILO ANDRES MELO BECERRA M.SC
5
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 7
2. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 8
2.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 8
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................... 8
3. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 9
3.1 BIOMECÁNICA DE LOS MOVIMIENTOS DEL NADADOR ................................... 9
3.2 ESTRUCTURA Y UBICACIÓN DE LOS SENSORES............................................... 9
3.3 MECÁNICA DE FLUIDOS (AGUA) .......................................................................... 11
3.4 DINÁMICA DE FLUIDOS (AGUA) .......................................................................... 11 3.5 SPECIFICACIONES, NECESIDADES Y CRITERIOS DE SELECCIÓN DE
COMPONENETES DEL SISTEMA ............................................................................... 11
3.5.1 ESPECIFICACIONES .............................................................................................. 11
3.5.1.1 ESPECIFICACIONES DE SOFTWARE ............................................................... 11
3.5.1.2 ESPECIFICACIONES DE HARDWARE ............................................................. 11
3.5.1.3 ESPECIFIACIONES DEL SISTEMA FÍSICO (TRAJE) ...................................... 11
3.5.2 NECESIDADES DEL PROTOTIPO ....................................................................... 11
3.5.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE COMPONENTES ............................................ 11 3.6 SENSORES .................................................................................................................. 11
3.6.1. SENSORES EXTENSIOMÉTRICOS ...................................................................... 11
3.6.1.1 SENSORES BI-FLEX-01 ...................................................................................... 12
3.6.1.2 SENSORES FLEX-03 ............................................................................................ 13
3.6.1.3 SENSOR DE NEOPRENO NEO-01 ...................................................................... 13
3.6.1.4 SENSOR STRETCH STRX-02 ............................................................................. 13
3.6.2 SENSOR HMC6352 .................................................................................................. 14
3.6.3 SENSOR MMA7361L .............................................................................................. 15
3.7MICROCONTROLADOR MICROCHIP PIC16F873A ............................................... 15
3.8 MATERIAL DE TRAJES DE CUERPO COMPLETO PARA NATACIÓN ................ 17
4 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA .................................................................... 18
4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ......................................................................................... 18
4.1.1 DESCRIPCIÓN MECÁNICA....................................................................................... 18
4.2.1 DESCRIPCIÓN ELECTRÓNICA ................................................................................ 18
5 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA ............................................................................. 20
5.1REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA .......................................................................... 20
5.1.1ASPECTOS BIOMECÁNICOS DEL SISTEMA ......................................................... 20
5.1.2ASPECTOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA........................................................... 20
5.1.3 SENSORES DEL SISTEMA ....................................................................................... 21
5.1.4 ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN SENSADA .......................................... 21
5.1.5 CIRCUITO DE CONTROL .......................................................................................... 21
5.2 ENTRADAS Y SALIDAS DEL SISTEMA ................................................................ 22
5.2.1 ENTRADAS .................................................................................................................. 22
5.2.2 SALIDAS ...................................................................................................................... 22
5.3 OPERACIONES DEL SISTEMA ................................................................................ 23
6 DESARROLLO ................................................................................................................. 25
6.1 SISITEMA ELECTRÓNICO-HARDWARE ............................................................... 25
6.1.1 COMPONENTES UTILIZADOS ................................................................................ 26
6.1.2 DESCRIPCION DE SISTEMAS ................................................................................. 26
6.1..2.1 COMUNICACIÓN .................................................................................................. 26
6.1..2.2 MEMORIA ............................................................................................................... 27
6.1..2.3 PROCESAMIENTO ................................................................................................. 27
6.1..2.4 SELECTORES DE DATOS ...................................................................................... 27
6.1..2.5 ALIMENTACIÓN .................................................................................................... 27
6.1..2.6 COMUNICACIÓN MODULO XBEE SERIES 2.5 ................................................ 28
6.1.3 CIRCUITO DEL SISTEMA ......................................................................................... 29
6.1.3.1 CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES ................................... 29
6
6.1.3.2 CIRCUITO DE SELECCIÓN PARA ENTRADAS ANÁLOGAS DEL PIC16F873A
..................................................................................................................................................... 31
6.1.3.3 CIRCUITO DE ALIMENTACION DEL SISTEMA ................................................ 32
6.1.3.4 CIRCUITO COMPLETO DEL SISTEMA ............................................................... 32
6.1.4 CIRCUITO DE PRUEBAS ........................................................................................... 32
6.1.5 CIRCUITO FINAL DEL SISTEMA ............................................................................. 33
6.1.6 ANOTACIONES ........................................................................................................... 33
6.2 SISTEMA ELCTRÓNICO-SOFTWARE ................................................................... 33
6.2.1 DESCRIPCIÓN ............................................................................................................. 33
6.2.2 DIAGRAMA DE FLUJO PROGRAMA PIC16F873A ................................................ 33
6.2.3 CONSIDERACIONES .............................................................................................. 34
6.3 SISTEMA MECANICO-FISICO ................................................................................. 35
6.3.1 SELECCIÓN, ADECUACIÓN E IMPERMEZILIZACIÓN DEL TRAJE ............. 35
6.3.2ANOTACIONES ........................................................................................................ 35
6.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE LOS SENSORES ..................................................... 35
6.3.3.1 SENSORES EXTENSIOMÉTRICOS BI-FLEX-01. FLEX-03, SENSOR STRETCH
STRX-02 Y SENSOR NEO-01 ...................................................................................... 35
6.3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR HONEYWELL HMC6352 (BRÚJULA
MAGNÉTICA) ................................................................................................................ 36
6.3.3.3 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR MMA7361L (ACELERÓMETRO) . 37
6.3.3.4 ACONDICIONAMIENTO MEMORA SD .......................................................... 38
6.4 AISLAMIENTO DE SENSORES CONTRA EL AGUA.............................................. 38
7. PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................ 40
7.1 PRUEBAS DE SENSORES ......................................................................................... 40
7.2PRUEBA DE CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO ....................................... 40
7.2.1 FLEX-01, FLEX-03, STRX-02, NEO-01 ................................................................. 40
7.2.2 CIRCUITO DE SELECCION ................................................................................... 41
7.2.3 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN ........................................................................... 41
7.2.4 MODULOS XBEE .................................................................................................... 42
7.2.4.1 COMENTARIOS ................................................................................................... 42
7.3VERIFICACION DE FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA DE PRUEBA ................ 42
7.3.1 COMENTARIOS ...................................................................................................... 42
7.4 VERIFICACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA FINAL .......................... 42
7.4.1 COMENTARIOS ...................................................................................................... 42
7.5 PRUEBAS CON TRAJE REALIZADAS EN TIERRA .............................................. 43
7.5.1PRUEBA DE MOVIMIENTO Y COMUNICACIÓN ENTRE SISTEMA Y
COMPUTADOR EN TIERRA ................................................................................................... 51
7.5.2 COMENTARIOS ...................................................................................................... 57
7.5.3PRUEBAS CON TRAJE REALIZADAS EN AGUA CON CIRCUITO FINAL E
INTEGRACIÓN SOFTWARE-HARDWARE ............................................................................ 57
7.5.3.1 COMENTARIOS ................................................................................................... 65
7.6 SEGUIMIENTO DEL PROCESO DE DESARROLLO DEL SISTEMA COMPLETO E
INCONVENIENTES DURANTE EL MISMO........................................................................... 66
7.7 FACTOR DE RIESGO EN LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA ............................. 69
8.CONCLUSIONES ................................................................................................................... 70
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 71
ANEXOS
ANEXO1
ANEXO2
ANEXO3
7
1. INTRODUCCIÓN
El deporte en Colombia es una actividad que se encuentra en constante desarrollo técnico y
tecnológico, un ejemplo de esto es la natación. Sin embargo la fundamentación teórica [1], la
experiencia del autor como nadador de más de 15 años, la información recopilada a través de
entrenadores de diversas ciudades [2] y la poca evolución de resultados a nivel competitivo sin
importar cantidad y calidad de nadadores en Colombia [3], permite deducir que la poca disponibilidad
de herramientas requeridas (principalmente tecnológicas) para el desarrollo integral de los deportistas
desde un enfoque técnico (corrección de técnica basado en datos reales y no simple observación) y
médico (diagnóstico, tratamiento y rehabilitación del deportista basado en datos empíricos), inciden en
los resultados competitivos evidenciados en el país.
Un análisis de observación a partir de la experiencia del autor como nadador muestra cómo en
Colombia el aporte tecnológico al deporte ha estado rezagado respecto a otros países en el desarrollo
de software de juzgamiento, software de seguimiento técnico, entre otras técnicas de análisis, por
medio de las cuales, países del continente aventajan a Colombia como es el caso de Argentina donde
se han implementado diseños de software aplicados a deportes específicos [4]. Por otra parte, la
ingeniería electrónica en Colombia ha estado alejada del diseño de ayudas tecnológicas enfocadas
hacia el deportista, siendo esta un área muy importante y una oportunidad de exploración hacia
campos de progreso tecnológico local.
Con respecto al tema, en países como Estados Unidos y el Reino Unido entre otros, se han elaborado e
implementado apoyos tecnológicos para mejorar el rendimiento de las disciplinas deportivas las cuales
mejoran notablemente los resultados competitivos de estos deportes a nivel mundial, en comparación
con países con poco desarrollo en el deporte. Lo anterior plantea la necesidad de desarrollar ayudas
tecnológicas para mejorar los resultados en las diferentes disciplinas deportivas, en este caso,
haciendo énfasis en la natación. Siendo la natación un deporte en el cual se utilizan todos los
segmentos corporales, se requiere el uso de un sistema que permita recopilar datos de la actividad del
nadador con miras a mejorar el rendimiento desde el punto de vista formativo y competitivo.
A nivel mundial, en natación, Colombia no ha podido lograr un puesto importante en los rankings de
este deporte, salvo algunas excepciones de nadadores que entrenan en el extranjero [5]. Teniendo en
cuenta el soporte teórico, se infiere que: existen errores en el planeamiento técnico del entrenamiento
de los nadadores desde su diseño hasta la asistencia tecnológica para el desarrollo y corrección de los
estilos, agravado por no usar herramientas tecnológicas acordes con las necesidades del deporte; el
costo de estas herramientas puede ser muy alto, considerando los costos de importación por ser
desarrolladas en otros países; la falta de incentivos y cooperación en el desarrollo de estas
herramientas a nivel local por parte de ingenieros, técnicos y entrenadores conlleva a un proceso lento
en comparación con otros países; finalmente, la falta de interés y apoyo gubernamental para estos
proyectos ha limitado el avance de su desarrollo.
Por lo tanto, si el objetivo es mejorar el rendimiento de un deportista, se debe crear un plan integral
que involucre la parte técnica y médica haciendo uso de tecnología (donde la ingeniería electrónica es
fundamental), que funcione como puente entre el deportista, el entrenador y el médico, y así buscar el
mejoramiento de su rendimiento.
Como antecedente local, en Colombia se han desarrollado algunos proyectos desde el punto de vista
de la ingeniería [6], [7], [8], que sirven como base de partida para un desarrollo específico en el
deporte.
A través de este proyecto se diseña e implementar un sistema de sensores y adquisición de datos para
movimientos de nadadores por medio de una red de sensores y de un módulo de procesamiento de
datos que permite la recopilación de la información para su posterior análisis. Tomando como base los
sistemas de análisis biomecánico utilizados en medicina (en laboratorios), los sistemas in situ (en pis-
cinas) implementados principalmente en estados Unidos [6] y algunos proyectos desarrollados en la
Pontificia Universidad Javeriana dirigidos a robótica y redes de sensores [7],[8], se diseñó e imple-
mentó un sistema completo de adquisición, acondicionamiento y procesamiento de datos.
8
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un sistema de sensores para registrar el movimiento de nadadores en tierra y en
agua, que mande las señales registradas al computador y así poder seleccionar diferentes tipologías
de medición.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir las especificaciones para la selección de los sensores a utilizar en la medición de la
flexión de las articulaciones del nadador.
Determinar la adecuada ubicación de estos sensores basada en estudios antropométricos.
Diseñar e implementar los circuitos que permitirán el acondicionamiento de las señales que
provienen de los sensores.
Diseñar e implementar el programa de ejecución de un circuito microcontrolador que permita
la adquisición y registro de los datos que provienen de los sensores.
Ejecutar un protocolo de pruebas para evaluar el sistema en diferentes tipologías
antropométricas de medición
Evaluar el desempeño del sistema implementado, basado en el análisis de la ejecución de un
protocolo de pruebas.
9
3. MARCO TEÓRICO
SWIMETRIX es un proyecto que busca realizar aportes a la electrónica aplicada en las ciencias depor-
tivas, haciendo énfasis en la natación, donde se crea un dispositivo el cual es capaz de sensar los mo-
vimientos desarrollados por el nadador durante su actividad en el agua y de esta manera recuperar los
datos obtenidos para hacer un análisis e interpretación de los mismos. Para poder realizar esto se de-
ben estudiar y comprender algunos fenómenos físicos que caracterizan algunas partes de este trabajo
tales como la biomecánica de los movimientos del nadador (caracterizada por los estilos correctos
practicados), el estudio del movimiento de objetos en el agua, los fenómenos de fricción, resistencia,
conductividad y trabajo desarrollados en el agua.
Con el fin de entender los fenómenos físicos relevantes para el desarrollo de este trabajo se debe estu-
diar la mecánica de fluidos (en este caso en el agua) i.e., aplicación de la física mecánica que describe
el comportamiento de los cuerpos en el agua y su evolución en el tiempo bajo la acción de los movi-
mientos desarrollados por un sujeto (el nadador). Esta también define los conceptos de energía y fuer-
za necesarios para el análisis del movimiento.
3.1 BIOMECÁNICA DE LOS MOVIMIENTOS DEL NADADOR
La biomecánica deportiva es una ciencia de muy reciente aparición y consolidación en el ámbito
científico internacional. Su objetivo es doble: por un lado, mejorar el rendimiento deportivo y, por
otro, la prevención de lesiones. Para lograr este doble objetivo, se centra en la optimización de la
técnica deportiva y del material y equipamiento utilizado por los deportistas.
En la natación, la biomecánica proporciona conocimientos de aplicación general a las actividades
acuáticas (Principio de Arquímedes para explicar la flotación) y conocimientos de aplicación
específica (trayectorias y velocidades de la mano durante la tracción en cualquiera de los estilos de
competición). Además, y como todas las ciencias, proporciona un instrumental de medida que permite
el análisis y la evaluación de la actividad natatoria de los deportistas.
3.2 ESTRUCTURA Y UBICACIÓN DE LOS SENSORES
Las variables antropométricas en la natación dependen del tipo de estilo practicado (Libre, mariposa,
espalda, pecho) y de las diferentes modalidades (natación lisa, subacuática, saltos, waterpolo) que se
involucran en el deporte, pero en forma general incluye los diferentes arcos de movilidad de las gran-
des articulaciones especialmente las relacionadas con la cintura escapular que incluye el hombro, el
codo y la mano como ejes principales de propulsión en el segmento superior del cuerpo, y, la cintura
pélvica conformada por la cadera, la rodilla, el cuello de pie y el pie en el segmento inferior del cuer-
po, ambos comunicados biomecánicamente por el tronco y la cabeza que, en el caso específico de la
natación, cumple un papel importante en el mantenimiento del eje de flotación, de ingreso o de giro en
el agua [9].
Biomecánicamente estos segmentos requieren de activaciones musculares centradas en el objetivo
principal de la natación que corresponde a la propulsión horizontal en un medio agreste como es el
agua a una mayor velocidad y con una mejor eficiencia mecánica y metabólica [10].
Desde el punto de vista anatómico, los músculos involucrados en el proceso de propulsión en la nata-
ción se caracterizan por poseer un buen volumen tanto en los miembros superiores como inferiores,
dentro de los cuales son preponderantes en el segmento superior el deltoides, el bíceps, el tríceps, los
flexores de mano y muñeca y los extensores de mano y muñeca; en el segmento inferior son importan-
tes los glúteos, el cuádriceps, los isquiotibiales , los gemelos y el tibial anterior, mientras que en el
tronco se puede mencionar el trapecio, el dorsal ancho, los abdominales y el cuadrado lumbar (obser-
var Figura 3.2.1).
10
Figura 3.2.1. Músculos del cuerpo tomada de “músculos del cuerpo 1
Estos grupos musculares conforman ejes biomecánicos de movimiento necesarios en cada uno de los
estilos y en cada uno de las fases del movimiento dentro y fuera del agua, de modo que actúan de ma-
nera sincronizada aportando, en cada uno de los momentums energéticos, una posición definida y me-
dible que puede ser registrada mediante sensores ubicados en las áreas de mayor importancia de los
segmentos antes mencionados [10].
Los segmentos que ofrecen una mayor información biomecánica desde el punto de vista eléctrico son:
el eje brazo-antebrazo, el eje antebrazo-mano en los miembros superiores, el eje muslo pierna en los
miembros inferiores y el eje anterior del tronco (tórax-abdomen) ya que estos reflejan los cambios
biomecánicos en todas las fases del movimiento tanto en la partida, en el agua, en los giros y en la
llegada [9]. De acuerdo a esto, se instaló una red de sensores tal como se muestra en la figura 3.2.2 de
forma que se obtenga la caracterización del movimiento en las partes del cuerpo involucradas en el
movimiento en el agua.
Figura 3.2.2 Distribución de los sensores en el cuerpo.
1 <http://archivo.laprensa.com.ni/archivo/2004/octubre/14/en_clases/en_clases-20041014-02.html>
11
3.3 MECÁNICA DE FLUIDOS (AGUA)
La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de
la física) que estudia el movimiento de los fluidos (líquidos en este caso) así como las fuerzas que los
provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para
resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las
interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa
toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo [11].
3.4 DINÁMICA DE FLUIDOS(AGUA)
En la dinámica del agua se consideran, entre otras cosas, la velocidad, presión, flujo y gasto del fluido.
Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes: el
fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a
diferencia de lo que ocurre con los gases, la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que
un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su
movimiento y, se supone que el flujo de los líquidos ocurre en régimen estable o estacionario, es decir,
que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo [12].
3.5 ESPECIFICACIONES, NECESIDADES Y CRITERIOS DE SELECCIÓN DE
COMPONENETES DEL SISTEMA
Para el desarrollo de este proyecto se requiere, en primer lugar, identificar las variables y necesidades
que influyen en el funcionamiento del sistema para definir los componentes que se van a utilizar.
3.5.1 Especificaciones
3.5.1.1 Especificaciones de software
El programa desarrollado consiste en un software abierto, el cual permite variar sus parámetros bási-
cos.
Sus funciones principales deberán incluir:
_ Adquisición de los datos necesarios en un tiempo requerido.
_ Procesamiento de los datos necesarios definidos por el fabricante
_ La visualización de los datos recibidos y procesados vía serial desde el prototipo al computador.
3.5.1.2 Especificaciones de hardware
El módulo de hardware implementado deberá cumplir con las siguientes características:
Dimensiones de la caja donde se almacena el circuito inferiores a 8cm x 7,5cm x 4cm.
Consumo a plena carga del circuito inferior 50mA.
Voltaje de alimentación igual a 9V.
ADC del microcontrolador con resolución de 10bits.
Impermeabilización de los circuitos para poder probar y utilizar el prototipo en agua
3.5.1.3 Especificaciones del sistema físico (traje)
El traje en el cual se va a probar el sistema debe:
Ser de fácil acomodación corporal
12
Facilitar los movimientos de nadado
Estar hecho de un material flexible y de larga duración
Permitir la acomodación de sensores y de la caja de almacenamiento del circuito
3.5.2 Necesidades del prototipo
Para la comunicación del prototipo, el microcontrolador deberá contar con un módulo de transmisión
y recepción USART, configurado para operar asincrónicamente a una velocidad seleccionada, de
acuerdo con el formato RS-232. Para su correcto funcionamiento, las señales digitales del modulo
USART, que entran y salen de los pines de recepción y transmisión, deben tener valores máximos y
mínimos de 5V y 0V respectivamente. Sin embargo, el puerto serial del computador opera con señales
digitales de +12V y –12V por lo tanto se deberá utilizar el convertidor MAX232 para la conversión de
los voltajes.
Por otro lado, Los tiempos de adquisición de datos del microcontrolador deben ser más cortos que el
tiempo de adquisición de las muestras de los sensores seleccionados. La memoria del microcontrola-
dor deberá ser capaz de guardar los datos mientras se hace el procesamiento de los mismos. En caso
de que los datos obtenidos de los sensores saturen la memoria del mismo, se deberá buscar una me-
moria externa para evitar cualquier inconveniente de este tipo. Así mismo, esta Deberá tener mínimo 5
puertos análogos y 2 digitales para recibir las conexiones de los sensores que se necesiten, deberá con-
tar con convertidores A/D, en caso de que se trabaje con señales análogas y, deberá permitir la comu-
nicación I2C y SPI, en caso de ser necesaria. Para la parte de control, por medio de sus diferentes pe-
riféricos, el microcontrolador regulará el funcionamiento de todos los sistemas en el prototipo.
3.5.3 Criterios de selección de los componentes
El proceso de selección de componentes se hizo, inicialmente, considerando aplicaciones
realizadas en otros proyectos y teniendo en cuenta, principalmente, las variables de medición
que surgen a partir de los movimientos efectuados al nadar
En primera estancia, observando trabajos realizados en [13] cuando se realiza el análisis del
movimiento en agua, se observa que se utilizan acelerómetros en los brazos para identificar la
aceleración que tiene el nadador cada vez que realiza una brazada y para orientar el movimiento de
las extremidades,. Según este estudio, las mediciones se toman a una taza de 16 muestras por
segundo, razón por la cual, se necesita un acelerómetro que pueda operar a esta frecuencia.
Por otra parte en el estudio realizado en [14], se hace uso de giroscopios y acelerómetros aplicados
en el monitoreo y ubicación de las extremidades del nadador. En un estudio más práctico, en donde
se hacen mediciones antropométricas manualmente, se realiza la medición de ángulos cada vez
que el nadador flexiona la espalda, las rodillas y las muñecas, indicando una referencia para la
ubicación de un tipo de sensor que identifique las variaciones de los movimientos y de esta forma,
poder saber a qué ángulo se encuentra la extremidad dependiendo del movimiento. [15]
En ninguno de los estudios encontrados, se ubica el cuerpo completo del nadador ya que esto se hace
teniendo en cuenta únicamente las extremindades (brazos y piernas) y tampoco se indican los angulos
de rotación del cuerpo sobre su eje o la dirección hacia donde se orienta el nadador durante la
actividad, como se muestra en las siguientes figuras. Ver figuras 3.5.3 #1 y #2.
13
Figura 3.5.3 #1 dirección hacia donde se orienta el nadador. Imagen tomada de
<http://1.bp.blogspot.com/_7Eij2SaWVuk/TEEyE1kOdDI/AAAAAAAADPg/qDDG8VF2LAI/s1600/Nado+de+
crol+1.jpg>
Figura 3.5.3 #2 Variación de ángulo de rotación sobre un eje de movimiento de nadador. Imagen
tomada de <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Freestyle_swimming3.gif>
Teniendo en cuenta lo anterior, los estudios realizados y la teroia antropométrica, se busca
analizar variables relevantes que se presentan en los movimientos que realiza un nadador,
tales como:
Angulo de flexión de las extremidades (brazos, rodillas, muñecas, espalda) en cierto tiempo
Dirección del nado del deportista (hacia donde se dirige dependiendo de un sistema de ubicación de
ángulos, entre 0 y 360 grados)
Giro del cuerpo del nadador sobre su eje de movimiento, como se vio en la figura 3.5.3v #2, durante la
actividad de nadado
Aceleración en tres ejes del movimiento del cuerpo del nadador(esto es precisamente para saber si el
nadador esta hundiéndose mucho o si tiende a moverse hacia un lado más que hacia otro durante la
actividad de nado)
14
Sabiendo que el tiempo promedio de brazada en una población de nadadores entre los 11 años y los
16 años (edades en las que se está formando una base de corrección y perfeccionamiento de estilo) de
aproximadamente 50 ms [16]. Se puede determinar que, trabajar con una frecuencia mayor a 20 Hz es
una buena aproximación para determinar la frecuencia de muestreo del sistema propuesto.
Para seleccionar qué tipo de acelerómetro se va a usar, se debe considerar algunos parámetros
mínimos para poder escogerlo. En primer lugar, se debe definir la sensibilidad del instrumento ya
que, entre mayor sea, mayor será la resolución de las mediciones. Sin embargo, el buen desempeño del
sistema depende, principalmente, de la frecuencia de muestreo que se vaya a utilizar. Para hallar la
orientación del nadador, una frecuencia de 10 a 20 muestras por segundo es suficiente pero, si lo que
se necesita es analizar el movimiento del nadador, teniendo en cuenta las brazadas y patadas, es
necesario realizar el muestreo a una taza de 100 muestras por segundo.
Para la aplicación se requiere, por ahora, (en el desarrollo post-proyecto se recomendará una
reacomodación de sensores y aumento de los mismos) una frecuencia de muestreo de 100Hz, tal
como se indica en [17] ya que, para el caso de estudio, solo analizará el movimiento del nadador
mientras realiza la actividad. Debido a las restricciones descritas anteriormente, la selección del sensor
es muy importante para el buen funcionamiento del sistema. Para ello se seleccionará un sensor que
opere a una frecuencia, mínimo, de 300Hz, en todos sus ejes. Esto permitirá utilizar el mismo
acelerómetro en futuras aplicaciones.
Entonces, si lo que se quiere es medir la orientación del nadador (10 muestras por segundo), por el
teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, que dice que la frecuencia de muestro debe ser por lo
menos el doble de la frecuencia de trabajo de la señal, se concluye que la frecuencia de la señal
muestreada debe ser igual o menor a 5Hz.
El alcance de este proyecto se limita al análisis del movimiento del nadador y no incluye las
mediciones de su orientación. Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, la taza d emuestreo que
se requiere es de 100Hz por lo que la señal muestreada deberá tener máximo una frecuencia de 50Hz.
Comparando diferentes acelerómetros y, teniendo en cuenta sus costos, inicialmente se consideró
utilizar el acelerómetro mma7260q el cual, en los ejes X y Y trabaja con una frecuencia de 350 Hz.
Sin embargo, en el eje Z opera a una frecuencia de 150 Hz , por lo que no cumple con las
restricciones del problema y no se utilizará. Por esta razón se selecciona el acelerómetro mma7361L el
cual, en los ejes X y Y trabaja una frecuencia de 400 Hz y en el eje Z trabaja a una frecuencia de 300
Hz.
Para el análisis del movimiento de las extremidades se calculan las variaciones de los ángulos en el
tiempo. Para ello se seleccionarán sensores extensiométricos. Estos, al igual que el acelerómetro, son
dispositivos análogos y operan con una frecuencia máxima de 160Hz, de acuerdo a las
especificaciones de IMAGESCO, su fabricante.
Al igual que en el caso anterior, la frecuencia de muestreo debe ser de 100Hz. Los sensores Flex 01,
Flex 3 Strx 02 y neo 01, cumplen con esta condición y son ideales para el desarrollo de este proyecto
al utilizarlos para medir la flexión de las extremidades del cuerpo del nadador.
Al revisar los estudios mencionados anteriormente, con respecto a las mediciones prácticas
antropométricas de los estudiantes de Chile, se observa que los ángulos de flexión varían desde 0°
hasta 150°, cuando la articulación esta estirada o flexionada, respectivamente(cada medición varía
según las característica propias del nadador). Al tener en cuenta que al doblar completamente los
brazos y piernas, los sensores alcanzan a flexionarse 180°, se observa que de acuerdo a las
características de los sensores escogidos, se cumple con esta condición.
Se quiere utilizar un multiplexor para seleccionar las señales que salen de los sensores
extensiomètricos. Si se utilizan 8 sensores, se deberán enviar 3 señales de control del
microcontrolador a una frecuencia igual a 8 veces la frecuencia de muestreo (por cada dato del
acelerómetro se recibirán 8 datos de los sensores extensiométricos) de forma que el último dato
obtenido coincida con los datos de las señales del acelerómetro.
15
Figura 3.5.3 #3 Diagrama de adquisición de datos de ls señales esperadas del prototipo
Hasta el momento se han definido las especificaciones de los sensores análogos que se van a utilizar,
teniendo en cuenta que el microcontrolador que se seleccione tenga conversores A/D.
Por último para la orientación del nadador se necesitará una brújula. Para poder tener una orientación
real del nadador, se podrá trabajar con una taza de muestreo menor a la de los sensores análogos. Es
decisión del autor trabajar con un sensor digital, el HMC6352. Como se había mencionado
anteriormente para la parte de orientación del nadador, una taza de 10 muestras por segundos es
suficiente. Este sensor trabaja con una frecuencia de 20 Hz por lo cual cumple con los requerimientos
deseados y el teorema propuesto (la taza de muestreo será de 10 mediciones por segundo y la
frecuencia de trabajo será de 5Hz).
Luego de la selección de los sensores para el proyecto, será necesario saber si, para los sensores
análogos, el conversor A/D del microcontrolador es lo suficientemente veloz para capturar los datos.
Se seleccionó el pic16f873a el cual. Según las hojas de especificación, opera con un tiempo de
muestreo de 19.72us De esta forma la velocidad con la que se reciben los datos será configurada
desde el microcontrolador con el fin de poder recibir los datos a la tasa deseada. Por esta razón no hay
ninguna condición que impida la utilización de los conversores del microcontrolador. Por otra parte
para la comunicación digital se trabajará con el protocolo serial I2C.
Se deberá tener en cuenta entonces en el software del microcontrolador que la taza de muestreo para el
acelerómetro será de 100 muestras por segundo, la de los sensores extensiométricos desde 800
muestras por segundos( esto debido al envío de las 3 señales de control que operan la entrada de datos
al microcontrolador del multiplexor) y la de la brújula electrónica de 10 muestras por segundo. De
esta forma, los sensores seleccionados funcionan para la aplicación del proyecto. Se recomienda que
para una futura aplicación se tenga para cada sensor un puerto de entrada, de esta forma no se tendrá
que trabajar con estas divisiones de tiempo y retardos. Se aclara que el objetivo principal de este
proyecto es el de diseñar un prototipo y que las consideraciones encontradas serán aplicadas en el
desarrollo post proyecto de tesis, de igual forma se tomarán referencias para continuar el proyecto en
futuras aplicaciones[18] . En la figura 3.5.3 #3 se observa que las señales 1,2,3 son las entradas
análogas (entran cada 10 ms) la señal análoga 4 del multiplexor (realmente hace 8 sondeos internos
16
cada 1,25 ms, para que a los 10 ms estén los 8 datos de los sensores extensiométricos) y la señal digital
5 de la brújula que envía datos cada 100 ms por lo que por cada 10 mediciones de las señales 1,2,3,4
se tendrá una de la señal 5.
3.6 SENSORES
3.6.1 SENSORES EXTENSIOMÉTRICOS
En el año de 1856, Lord Kelvin descubrió que al aplicar una fuerza sobre un material conductor se
genera una deformación física. Esta deformación origina, a su vez, un cambio en la resistencia
eléctrica. En 1938, Arthur Ruge y Edward Simmons plantean que puede utilizarse un hilo de un
material conductor o semiconductor con un diámetro reducido para medir la extensión y compresión
del mismo debido a una fuerza externa, al adherirlo a la superficie de un material.
Este último dispositivo se conoce como galga extensiométrica (strain gauge) y hace parte de los
sensores resistivos. Su aplicación más común está relacionada con la medición de esfuerzos mecánicos
sobre materiales para determinar variación de peso, vibraciones, etc. [25], [26].
3.6.1.1 SENSORES BI-FLEX-01 El dispositivo FLEX-01 marca ImagesCo es un instrumento de medición el cual varía su resistencia a
medida que es deformado. Para la caracterización de este instrumento se determina un valor de
resistencia nominal que corresponde a un ángulo inicial de deformación. A medida que el sensor se
curva en cualquier dirección, la resistencia decrece gradualmente. Por lo tanto, se puede decir que las
variaciones de resistencia dependen del ángulo de deformación de la galga. En la Figura 3.5.1.1.1 se
observa el sensor utilizado en el desarrollo de este proyecto y en la Figura 3.5.1.1.2 se muestra el
comportamiento de la resistencia a medida que se deforma en ambas direcciones.
Figura 3.5.1.1.1 Flex-01 bidireccional2
Figura 3.5.1.1.2 Variación del valor de la resistencia por deformaciones3
El rango de temperatura de operación se encuentra entre -45°F a 125°F y las medidas físicas son:
Ancho: 3/8 pulgadas
Largo: 4.5 pulgada
Grosor: 0.38 pulgadas
2 Tomada de www.imagesco.com
3 Tomada de www.imagesco.com
17
Por otro lado, existen dos referencias que varían de acuerdo al rango de resistencia bajo el cual
operan:
FLEX-01-M: Rango de resistencia medio. Resistencia nominal entre 20K - 50K Ohm.
FLEX-01-H M: Rango de resistencia alto. Resistencia nominal entre 50K – 20M Ohm.
Teniendo en cuenta las características mencionadas y el rango que se desea utilizar, para la imple-
mentación del prototipo se seleccionaron cuatro sensores FLEX-01-H-M.
3.6.1.2 SENSORES FLEX-03
Componente que cambia su resistencia cada vez que se curva (Patent 5086785). Cuando no se
flexiona tiene una resistencia nominal de 10,000 ohms (10 K). A medida que el sensor se curva en
una dirección la resistencia gradualmente se incrementa desde 10K hasta 40K ohm aproximada-
mente dependiendo el ángulo de curvatura generado en el sensor. En la figura 3.5.1.2.1 se observa
una Figura del sensor FLEX-03 utilizado y en la figura 3.5.2.2 se muestra el comportamiento des-
crito.
Figura 3.5.1.2.1 Sensor FLEX-034
Figura 3.5.1.2.2 Variación de la resistencia del sensor FLEX-03 5
La temperatura de operación se encuentra en rango de -45F a 125F y sus características físicas son:
Ancho 1/8 pulgada
Largo 4 1/2 pulgadas
Grosor: 019 pulgadas
3.6.1.3 SENSOR DE NEOPRENO NEO-01
El sensor extensiométrico FLEX es un componente único que da un cambio de resistencia cuando se
dobla o flexiona con una resistencia nominal de aproximadamente 200.000 ohms (200K). A medida
que el sensor de flexión se dobla en un sentido la resistencia se disminuye gradualmente [22].
Este sensor es el ideal para trabajar en el traje gracias a su material de neopreno, sin embargo, debido a
que su existencia se conoció muy tarde, no fue posible adquirir los suficientes, por lo tanto sólo se
pudo trabajar con uno para observación. Para futuros proyectos se recomienda el uso completo de
sensores de neopreno. En la Figura 3.5.1.3.1 se observa la Figura del sensor de neopreno utilizado en
el sistema y en la Figura 3.5.1.3.2 se muestra su comportamiento de acuerdo a su deformación.
4 Tomada de www.imagesco.com
5 Tomada de www.imagesco.com
18
Figura 3.5.1.3.1 Sensor NEO-01 6
Figura 3.5.1.3.2 Variación de resistencia vs elongación en el tiempo7
3.6.1.4 SENSOR STRETCH STRX-02
El sensor de estiramiento es un componente único que da un cambio de resistencia cuando se
estira. Cuando se relaja el material del sensor tiene una resistencia nominal de 1000 ohmios por
pulgada lineal. A medida que el sensor de estiramiento se estira la resistencia se incrementa
gradualmente. Cuando el sensor se estira un 50%, su resistencia será aproximadamente el doble a 2,0
KΩ por pulgada [23]. Su Figura se observa en la figura 3.5.1.4.1.
Figura 3.5.1.4.1 Sensor stretch STRX- 028
El sensor de estiramiento es una nueva forma de medir el estiramiento, el desplazamiento y la
fuerza. Corresponde a un cable flexible cilíndrico de 0.060 a 0.070 pulgadas de diámetro [23]. En la
figura 3.5.1.4.2 se observa la variación de la resistencia del sensor de acuerdo al grado de elongación.
6 http://www.imagesco.com/sensors/flex-sensor.html
7 http://www.imagesco.com/sensors/flex-sensor.html 8 http://www.imagesco.com/sensors/stretch-sensor.html
19
Figura 3.5.1.4.2 Variación de la resistencia vs elongación en el tiempo 9
3.6.2 SENSOR HONEYWELL HMC6352 (BRÚJULA MAGNÉTICA)
El HMC6352 es un sensor de campo magnético (brújula magnética electrónica) que se comunica a
través de un bus I2C (Inter – Integrated circuit) el cual, por medio de dos líneas de transmisión, envía
la información. Generalmente es utilizado para realizar conexiones entre circuitos integrados.
Específicamente puede ser utilizado como esclavo en la configuración esclavo-maestro [24].
Utiliza un protocolo base junto con los protocolos especificados por el I2C y el protocolo de control de
Honeywell. De acuerdo a las especificaciones de la versión 2.1 del I2C, la velocidad de la transmisión
de los datos es de 100kbps [25]. El formato de la información enviada corresponde a 8 bits de
información y 1 bit de reconocimiento.
El formato de los datos que contienen la información debe corresponder a caracteres ASCII o a datos
binarios para el dispositivo esclavo e información binaria que se envía como respuesta. Los valores de
datos negativos se expresan utilizando complemento a 2.
Por defecto, en el HMC6352 de 7 bits esclavo, la dirección 42 en hexadecimal se utilza para
operaciones de escritura y la dirección 43 en hexadecimal se utiliza para operaciones de lectura [25].
El protocolo I2C también permite reiniciar las condiciones en donde el dispositivo maestro provee una
segunda condición de inicio sin necesitar la instrucción de pare.
Todas las transacciones del bus empiezan cuando el maestro emite la secuencia de arranque seguida
por la dirección del dispositivo esclavo. La dirección cuenta con los 7 primeros bits y el bit menos
significativo el cual indica si se refiere a una operación de lectura (LSB=1) o escritura (LSB=0).
Al noveno pulso, el receptor esclavo emite el ACK o NACK. De acuerdo a estos eventos, el maestro
enviará la información para operaciones de escritura o el esclavo transmitirá los datos devuelta para
operaciones de lectura. Todas las transacciones son terminadas cuando el maestro envía una secuencia
de finalizado [25]. En la figura 3.5.2.1 se observa el comportamiento del sensor cuando se inicia el
sistema.
Figura 3.5.2.1 Ejemplo de un dispositivo maestro el cual se comunica con el HMC6352 (esclavo) enviando el comando S (iniciar)10.
3.6.3 SENSOR MMA7361L
El sensor MMA7361L (ver Figura 3.5.3.1) es un sensor de aceleración de baja gravedad diseñado
para detectar la aceleración en los tres ejes X, Y y Z. El MMA7361L proporciona tres voltajes de
salida correspondientes a cada una a las direcciones X, Y y Z, los cuales son proporcionales al valor de
la aceleración sufrida por el dispositivo en cada dirección [26]. A continuación se hace una breve
descripción de las principales características de operación del instrumento.
Figura 3.5.3.1 Acelerómetro MMA7361L11
Alimentación
9 http://www.imagesco.com/sensors/stretch-sensor.html 10 http://www.magneticsensors.com/datasheets/HMC6352.pdf 11 http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf
20
Los valores de alimentación de este sensor varían entre 3V y 3.6V.
Al ser una salida radiométrica se tiene que el valor de tensión de la salida para 0g de
aceleración corresponde a la mitad del valor escogido para alimentar el sensor, es decir, 1.65V.
Para un valor de 3V de alimentación el valor de consumo de corriente es de 450μA, de
acuerdo a la hoja de especificaciones del dispositivo [26].
Ancho de banda
El ancho de banda varía de acuerdo al eje que se esté estudiando. Según la hoja de datos, el
ancho de banda es:
o Ejes X y Y: f-3dB=400Hz
o Eje Z: f-3dB=300Hz
Sensibilidad
La sensibilidad permite saber la cantidad de medidas que percibe el sensor en función de la
magnitud física que se aplica sobre el dispositivo. Las unidades que se utilizan y que los
propios fabricantes de sensores facilitan son típicamente: mV/g [26]. Donde [mV] corresponde
a la unidad de de medida de la señal de salida y [g] es la medida de la aceleración (1g = 9.81
m / s2). La sensibilidad del acelerómetro está dada por: S=800 mV/g (1.5g) y S=206 mV/g
(6g) de acuerdo al valor de g que se desee utilizar.
Ubicación del sensor
En la Figura 3.5.3.2 se muestra como se establecen los ejes de coordenadas tridimensionales
para poder realizar un correcto estudio y posicionamiento del acelerómetro en función de la
muesca (marca del sensor que nos indica la colocación del dispositivo).
Figura 3.5.3 Posición del sensor12
Principio de funcionamiento
La ecuación que rige el funcionamiento del sistema indica que el valor de tensión en cada una
de las salidas es igual a la mitad del valor de alimentación (Offset), más un término que
dependerá de la aceleración registrada. La salida está dada por X Y Z = V s/2 ± [F. A] donde
Vs [V] es la tensión de alimentación y F. A [m/s2] es el factor de aceleración.
Este factor de aceleración podrá sumar o restar si la aceleración detectada es positiva o
negativa (si el sensor cayera boca abajo por ejemplo). Además, debe tener en cuenta el valor
de la sensibilidad y una razón trigonométrica que será diferente para cada uno de los ejes:
o Tomando los ángulos A y B entre los ejes:
o Eje Y:
o Eje Z:
Donde,
S: es sensibilidad (V/g), estudiada en el punto anterior.
12
http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf
21
g: es la componente de gravedad percibida (m/s2).
A: es el ángulo que forma el eje X respecto al sensor.
B: es el ángulo que forma el eje Z respecto al sensor.
Finalmente, las ecuaciones utilizadas para medir los valores de aceleración del MMA7361L son:
; ;
El valor de tensión escogido para este proyecto es de Vs = 3.30V , por lo tanto, el valor del offset es de
1,65V.
Para el cálculo de los márgenes superior e inferior, detectables en las salidas del sensor, se necesita
conocer los parámetros de sensibilidad (800mV/g) y la aceleración registrada (±1g). Este último
parámetro implica un valor concreto en cada una de las razones trigonométricas del factor de
aceleración antes expuestas (cuyos valores oscilan en 0 y 1).
Margen máximo y mínimo en las salidas Xout [26]:
o
o
3.7 MICROCONTROLADOR MICROCHIP PIC16F873A
En la figura 3.6.1 se muestra la composición del microcontrolador microchip PIC16F873A
especificando cada uno de los pines con sus respectiva función.
Figura 3.6.1 Configuración pines microchip13
Este dispositivo se caracteriza por [28]:
CPU de arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer).
Set de 35 instrucciones.
Frecuencia de reloj de hasta 20MHz (ciclo de instrucción de 200ns).
Todas las instrucciones se ejecutan en un único ciclo de instrucción, excepto las de salto.
Hasta 8K x 14 palabras de Memoria de Programa FLASH (ver Tabla 3.6.1).
Hasta 368 x 8 bytes de Memoria de Datos tipo RAM (ver Tabla 3.6.1).
Hasta 256 x 8 bytes de Memoria de Datos tipo EEPROM (ver Tabla 3.6.1).
Hasta 15 fuentes de Interrupción posibles.
Tipo de oscilador seleccionable (RC, HS, XT, LP y externo).
Rango de voltaje de operación desde 2,0V a 5,5V.
Conversor Analógico/Digital de 10 bits multicanal.
Tres Temporizadores.
Comunicaciones por interfaz USART.
Puerto Paralelo Esclavo de 8 bits (PSP).
Puerto Serie Síncrono (SSP) con SPI e I²C.
13
tomada de http://www.datasheetdir.com/PIC16F873A-SO+PIC-Microcontrollers
22
Modelo
Memoria
de pro-
grama
Flash (pa-
labras de
14 bits)
Memoria
de datos
SRAM
(bytes)
Me-
moria
de
datos
EE-
PRO
M
(by-
tes)
Líne-
as de
E/S
Cana-
les
A/D
P
W
M
MSSP
U
S
A
R
T
C
o
m
p
ar
a
d
o
re
s
SP
I
I²C
Maes-
tro
PIC16F
873A 4096 192 128 22 5 2 Sí Sí
S
í
S
í
Tabla 3.6.1 Características pic16f873a14
3.8 Material de Trajes de cuerpo completo para natación
Inicialmente se pensó en trabajar con un traje de licra pegado al cuerpo del nadador para facilitar la
ubicación de los sensores y la ubicación de los circuitos de control del sistema. Debido a que la licra se
expande mucho, la ubicación de los sensores se hace muy complicada y por esta razón se decidió usar
un traje de natación hecho en base a neopreno y licra brindando buena elasticidad sin incomodidad
para ubicar los sensores ni para nadar. La marca del traje es BODY GLOVE y la talla es M.
NOTA: En el CD ANEXO se encuentra información de hoja de especificación en la carpeta con el
mismo nombre
14
<http://es.wikipedia.org/wiki/PIC16F87X>
23
4 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA
4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
Durante el inicio del proyecto se realiza la búsqueda de la fundamentación teórica basada en algunos
estudios elaborados tanto a nivel local como internacional. De igual forma, el aumento del acerbo
fisiológico y anatómico de la natación, así como la búsqueda de referencias técnicas en deportistas y
entrenadores de natación en Colombia se tienen en cuenta como base teórica para encaminar el estudio
por la vía correcta. SWIMETRIX es un sistema de sensores y adquisición de datos para movimientos
de nadadores el cual tiene como objetivo final servir como ayuda para corrección de la técnica de los
deportistas colombianos.
4.1.1 DESCRIPCIÓN MECÁNICA
El sistema se describe como un esqueleto de sensores ubicados en diferentes puntos del cuerpo del
deportista dependiendo de las diferentes tipologías de medición establecidas (se puede medir un brazo,
una pierna, ambos brazos, ambas piernas o las cuatro extremidades incluyendo la espalda).
Todo el sistema está completamente aislado del agua para que funcione correctamente y así evitar
cualquier daño e inconveniente durante el desarrollo del mismo.
4.2.1 DESCRIPCIÓN ELECTRÓNICA
Se presenta el siguiente diagrama de bloques, donde se explica y se muestra la descripción Figura del
sistema:
Figura 4.2.1.1 Diagrama de Bloques Electrónico General del Sistema General
Observando la Figura 3.2.2, se observa que el proyecto consta de 8 sensores extensiométricos (4
FLEX-01 y 1 FLEX-03, 2 sensores elásticos 1 sensor NEO-01) con los cuales se busca medir la
flexión de las articulaciones del nadador y capturar los datos que se generados durante la actividad de
nado. Estos 8 sensores están distribuidos en diferentes puntos del cuerpo del deportista dependiendo
de las distintas tipologías de medición establecidas (se puede medir un brazo, una pierna, ambos
brazos, ambas piernas o las cuatro extremidades incluyendo la espalda) para la captura de los datos. El
sistema cuenta además con un acelerómetro (MMA7361L) que permite medir la aceleración del
nadador mientras hay movimiento. Por último, incluye una brújula magnética (HMC6352) que permite
sensar la ubicación del nadador con respecto al campo magnético terrestre. Se puede observar en la
figura 4.2.1.2 la distribución de los sensores dependiendo de la topología de medición para las cuales,
en el caso total de las mediciones se usan las topologías totales unidas en el traje completo, es decir, la
topología de medida se hace con todos los sensores distribuidos en el cuerpo del nadador para piernas,
brazos, y espalda.
24
Figura 4.2.1.2 Michael Phelps nadando estilo pecho15.
Luego de la distribución corporal de los sensores en el nadador se procede a determinar los puntos de
conexión con el circuito de adecuación el cual tiene las funciones de alimentar los sensores (brindar el
voltaje suficiente ya que estos sensores son pasivos y establecer un rango de operación de 0 a 5V), y a
aislar los sensores y sus conexiones del contacto con el agua para evitar cualquier inconveniente. Este
circuito de adecuación sirve además como puente de conexión entre los sensores análogos (FLEX-01,
FLEX-03, NEO-01, STRETCH y MMA7361L) y el pic16f676. Luego del desarrollo del circuito de
adecuación, la información obtenida por los sensores se envía a un microcontrolador [28] el cual tiene
la función de hacer la conversión análoga-digital de los datos. En el caso del sensor HMC6352
(brújula magnética) la comunicación se hace por medio de I2C bajo las condiciones establecidas por el
protocolo de comunicación y los requerimientos del sensor. Durante cada medición de los sensores se
almacena la información en una memoria SD en la cual se escriben los datos obtenidos durante la
actividad del nadador y de igual forma se envían por el puerto serial al computador en donde se
obtienen y observan los datos. Al finalizar el proyecto, el prototipo del sistema de control electrónico
que se obtiene se observa en la figura 4.2.1.3.
Figura 4.2.1.3 Sistema Electrónico de Hardware, en caja para pruebas
15
Phelps_underwater_getty[enlínea]<http://www.bbc.co.uk/blogs/olympics/phelps_underwater_getty438. jpg>
25
5 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA
5.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Una vez descritos los objetivos, se deben especificar los requerimientos necesarios para cumplir con
estos. Para esto se identifica los diferentes bloques que conforman este proyecto y se identifica sus
características más importantes.
5.1.1 ASPECTOS BIOMECÁNICOS DEL SISTEMA
La estructura física del sistema debe ser construida con un material liviano que no limite el
movimiento del nadador, que sea resistente y que se encuentre aislado del agua para protección de los
elementos eléctricos y electrónicos. Para esto se seleccionó trabajar con un traje de neopreno y licra
negro marca BODY GLOVE, del menor grosor posible (1-2 mm) el cual permite al nadador
desplazarse en el agua sin mayor inconveniente.
Aunque en un principio el tamaño del sistema debía ser estándar y debía funcionar para los diferentes
tamaños corporales de los deportistas a quienes se va a hacer el sensado, se definió un tamaño
mediano como modelo de pruebas.
El traje seleccionado de neopreno y licra permite la fácil instalación en el deportista y de igual forma
es de fácil desinstalación para evitar cualquier incomodidad.
Figura 5.1.1.1 Traje de neopreno y ubicación de sensores.
Como se observa en la Figura 5.1.1.1, los sensores se ubicaron en el cuerpo del nadador dependiendo
de los requerimientos de sensado (mejor ubicación antropométrica). De esta forma se utilizan 10
sensores para realizar las mediciones
El traje está lo suficientemente adherido al nadador para evitar generar cualquier tipo de resistencia a
su desplazamiento y para evitar turbulencia y fricción con el agua.
Los movimientos del nadador no tienen ningún límite de velocidad (varía dependiendo del estilo) ni
tampoco ninguna restricción sobre la fuerza ejercida por el ejercicio del deportista.
Para la construcción del sistema se tuvo en cuenta la anatomía del deportista y la ubicación y/o
disposición ideal de los sensores para hacer el mejor sensado posible.
5.1.2 ASPECTOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA
Se seleccionó trabajar con una batería de mano de 9V la cual suministra la corriente necesaria para
alimentar el sistema.
Los componentes electrónicos usados han sido confiables para garantizar que los circuitos de control y
almacenamiento funcionen correctamente, de igual manera, los sensores son de muy buena calidad y
han sido debidamente calibrados para mayor desempeño en el desarrollo del sistema. El sistema tiene
la posibilidad de calibración de los sensores MMA7361L y HMC6352. Esta calibración se realiza
cuando se presiona el botón de calibración del circuito (ver Figura 5.1.2.1), el cual enciende el ED de
26
aviso y arregla la calibración por 20 segundos, luego de estos 20 segundos el sistema vuelve a la
normalidad.
Figura 5.1.2.1 Botón de calibración del sensor HMC6352
Los componentes electrónicos seleccionados son compatibles entre sí, y pensando en sus
características límite de voltaje y de corriente se ha garantizado el buen funcionamiento con dicho
suministro de energía.
5.1.3 SENSORES DEL SISTEMA
Para el desarrollo del sistema se utilizaron cuatro tipos de sensores los cuales se escogieron teniendo
en cuenta la necesidad de sensado:
Cuatro sensores extensiométricos bidireccionales IMAGESCO FLX-01
Dos sensores flexibles Flexible Stretch Sensors
Dos sensores de Neopreno Neoprene Flex Sensor Kit - NFS-01
Un sensor de campo magnético de doble eje HONEYWELL HMC6352
Un sensor de Aceleración MMA7361L de 3 ejes
Todos los sensores, excepto los sensores extensiométricos, vienen con tarjeta de incorporada, por lo
cual se desarrolló el circuito de adecuación para trabajar de 5V(HMC6352) a 3.3V(MMA7361L) .
5.1.4 ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN SENSADA
Para realizar el almacenamiento de la información que ha sido obtenida de los sensores a partir de los
movimientos desarrollados por el nadador, se utiliza un circuito de almacenamiento través de una
memoria SD SANDISK de 256 MB, la cual se considera apropiada para hacer análisis de los datos
que se almacenan para el desarrollo de un proyecto a futuro. La información es extraída por el puerto
serial (RS232) sin necesidad de desconectar la memoria, desde el computador al microcontrolador, el
cual finaliza el sensado y envía los datos directamente a la pantalla en forma de una tabla.
5.1.5 CIRCUITO DE CONTROL
El componente fundamental del circuito de control es un microprocesador que cumple con las
características necesarias para ser el circuito maestro del sistema. Este tiene la capacidad de realizar
operaciones de procesamiento digital de señal de forma rápida y eficiente, es fácil de programar,
contiene una memoria interna y puede desarrollar conversiones, operaciones entre otras funciones
relevantes. Para esta tarea se selecciona el microncontrolador PIC16F873A de MICROCHIP el cual
brinda las entradas y salidas necesarias, adicionalmente, es de bajo costo y de fácil programación. Se
seleccionó este microcontrolador ya que la velocidad de procesamiento y la memoria interna son
27
suficientes para la aplicación requerida, para futuros proyectos se puede implementar un
microcontrolador más robusto.
Todo el código desarrollado se realizó en c para PIC16F y la programación del microcontrolador se
hizo mediante el pickit2 de Microchip.
5.2 ENTRADAS Y SALIDAS DEL SISTEMA
El buen desempeño del sistema depende la capacidad que tiene el sistema de control para interpretar
las diferentes señales de entrada entregadas por los sensores y convertirlas en señales de salida para
poder ser analizadas en el computador. Es importante conocer las entradas y salidas del sistema para
poderlas procesar correctamente y cumplir con los objetivos planteados.
5.2.1 ENTRADAS
El tipo de flexión realizada por las articulaciones o partes del cuerpo del nadador donde se ubican los
sensores extensiométricos, luego de tener un acondicionamiento, generan un valor de resistencia que,
pasado por el divisor de voltaje de acondicionamiento, arrojan un valores de voltaje los cuales se
obtienen como entradas análogas del sistema que van al microcontrolador. De igual forma, las tres
señales del acelerómetro (ejes X Y y Z) entran como señales análogas, las cuales entregan un valor de
voltaje el cual, por medio de fórmulas de conversión (revisar numeral 3.5.3) se convierte en el valor
de aceleración de los ejes. Este sensor se encuentra ubicado en la espalda baja (dentro de la caja
hermética del circuito de control). El acelerómetro posee otra señal análoga que indica si está o no
midiendo correctamente. En la figura 5.2.1.1 se muestra la ubicación de los sensores y la caja de
control en donde se encuentra ubicado el acelerómetro y la brújula.
Figura 5.2.1.1 traje y ubicación sensores en cuerpo de nadador
El sensor HMC6352 entra al sistema mediante el protocolo de comunicación I2c y tiene como función
principal mostrar la orientación del nadador mientras nada, entregando un valor de 0 a 360 grados(0 y
360 son la ubicación norte, cada 90 grados se cambia de punto cardinal).
Hasta este punto se cuenta con 12 entradas análogas y una digital. Para no saturar los puertos del
microcontrolador (posee máximo 5 canales A/D para conversión) se decidió implementar un
multiplexor análogo de 8 canales a 1 (CD4051BE) el cual tiene como función ir seleccionando y
enviando los valores de voltaje de los sensores extensiométricos, a partir de 3 señales (enviadas desde
el microcontrolador), al microcontrolador. Los ejes del acelerómetro y su señal de “activación de
medición” se envían directamente al pic. De esta forma se cumple con los 5 canales A/D del pic. Todas
estas señales entran al microcontrolador, el cual realiza el procesamiento debido y envía las señales a
la memoria SD y al computador para el monitoreo.
28
5.2.2 SALIDAS
Las señales de salida son recibidas por el puerto RS232 desde la memoria (para observar luego de la
actividad) y directamente del pic (para monitoreo durante la actividad) que tienen como fin la obser-
vación de datos y comprobación de los valores para posterior análisis e interpretación de los mismos
en futuros proyectos. Para la parte del monitoreo, el pic realiza un sondeo en todos los sensores y en-
vía por el puerto los datos que se van sensando cada 500ms, de esta manera se puede observar en pan-
talla si los sensores están midiendo correctamente, o si están fallando. Para la parte de almacenamiento
de los datos en la memoria , lo que se hace es una distribución por sectores de la memoria, es decir,
cuando el pic hace el polling de sensado, envía el dato medido a la memoria en el sector asignado
para el mismo, de esta manera se tiene la distribución de datos para el sistema. Luego, la memoria va
devolviendo al pic los datos de los sensores (para evitar que estos se amontonen en el mismo) y los
envía por puerto serial al computador. La información de la memoria se extrae por puerto serial en el
momento de la actividad y de esta forma se puede observar los datos en pantalla y elaborar el archivo
para un posterior análisis.
5.3 OPERACIONES DEL SISTEMA
Es importante entender cómo opera SWIMETRIX como un sistema completo. A continuación se
describen los principales aspectos de la operación del sistema:
El sistema tiene que ser ubicado en el cuerpo del nadador antes de iniciar la actividad.
El sistema tiene un interruptor de encendido que indica que puede empezar a desarrollar la
actividad.
Para probar su funcionamiento, se realiza un test de movimiento en tierra, por rs232 que, a
partir del envío de la información a la memoria SD, permite verificar que la información
coincide en ambos casos.
El sistema no inicia instantáneamente, tiene un tiempo para estabilizarse y comprobar que está
en correcto funcionamiento
El monitoreo se realiza por medio del puerto serial para comprobar que los sensores están
trabajando correctamente
Una vez desarrollada la actividad del nadador, se extrae la información de la memoria SD por
medio del puerto serial al computador para poder observar los datos obtenidos.
En la figura 5.3.1 se observa el diagrama de flujo del modo de operación del sistema. Inicialmente se
pone el traje al nadador, se inicia el sistema y se llevan a cabo las diferentes pruebas en tierra y agua
haciendo el debido procesamiento y almacenamiento de los datos para finalmente observar el
comportamiento de los diferentes sensores en el computador.
29
Figura 5.3.1 Flujo de operaciones del sistema.
Se debe llevar a cabo el protocolo de pruebas de tal manera que sea apreciable el funcionamiento del
sistema de control y de almacenamiento que reciben los datos para poder analizarlos correctamente.
30
6 DESARROLLO
6.1 SISTEMA ELECTRÓNICO-HARDWARE
A continuación se presenta el diagrama de bloques del módulo hardware teniendo en cuenta todos los
procesos de adquisición, almacenamiento, transformación y comunicación de información. Se observa
el flujo de información entre módulos.
Figura 6.1.1 Diagrama de bloques detallado del sistema SWIMETRIX.
Las características electrónicas del sistema son:
El sistema se alimenta con una batería de 9v y posee una unidad de alimentación que
suministra 5V, 3,3 V y GND a partir de reguladores de 5V y 3,3 V.
Luego del encendido del sistema el proceso de que se lleva a cabo es el siguiente
Los sensores extensiométricos (FLEX 01, FLEX 03, NEO 01 y STRETCH) entran al selector
(CD4051BE) el cual necesita 3 señales para poder seleccionar los datos, las cuales son
suministradas por el pic, se va haciendo un sondeo constante enviando los valores del 0 al
7(binarias en los 3 hilos desde el pic al mux) y entran al microcontrolador.
El acelerómetro suministra 4 señales análogas al pic(ejes X Y Z y señal de confirmación de
sensado).
El sensor HMC6352 suministra los datos por comunicación I2C, es decir, para comunicarse
con el sensor se tiene que enviar una señal de reloj, la cual sincroniza los datos del sensor con
el pic para poder enviar y recibir del sensor al pic y del pic al sensor. Para poder configurar el
sensor se escribe el valor 0x42(para escribir en el sensor) se indica el comando de escritura
0x7, el argumento 0x08 que es la dirección de la EEPROM donde deseo guardar el dato antes
de enviarlo al pic y por último la variable de dato donde deseo guardar mi información.
Para configurar el sensor en modo continuo se realiza el mismo proceso que se acaba de explicar, con
la diferencia de que en vez del dato se envía el valor 0x62 que indica el modo continuo en el sensor.
Por último, para poder extraer los datos del sensor se envía el dato 0x42 para poder leer y luego 0x41
como comando de adquisición de datos. Luego de realizar las mediciones de los sensores, las señales
se envían de dos maneras: una por puerto serial y la otra a la memoria SD (que manda los datos
también por puerto serial). Cada medición de los sensores es enviada por puerto serial para el
monitoreo de las señales y la comprobación de que se los sensores están funcionando correctamente.
31
Cada medición de los sensores es asignada a un sector de la memoria SD, donde se van guardando los
datos. Antes que nada se debe sincronizar el pic y la memoria por medio de la señal de SCK para
poder llevar a cabo todos los procesos.
El proceso de almacenamiento inicia con el microcontrolador enviando una señal de inhibición a la
memoria por CS(chip select) para que esta responda por SDO(señal de Data OUt) que está lista para
que le escriban datos. Al recibir la señal de confirmación se desinhibe el CS, y se comienza a enviar al
SDI (señal de Data In) de la memoria la dirección del sector en el que se desea guardar la información,
luego de esto se envía los bytes de información que se desea guardar, y se vuelve a inhabilitar la
memoria activando CS. Para la lectura de la memoria, el pic deshabilita CS, envía las direcciones de
memoria donde está la información y por último manda los datos por puerto serial al computador.
Debido a que en el monitoreo no se puede hacer al nadador mientras esté nadando (ya que se tendría
que tener cables muy largos y conectados al nadador, lo que sería muy incomodo) se decidió usar
modulos XBEE series 2.5 para poder comunicar el computador con el pic y recibir los datos
necesarios. Enviando un registro a los modulos para configurar el BAUD RATE se sincronizan las
señales para poder enviar y recibir los datos establecidos.
Los datos se muestran en pantalla y se guardan como archivo de texto para posterior análisis.
6.1.1 COMPONENETES UTILIZADOS
Resistencias
Condensadores
Reguladores de voltaje LM7805 y LM1117
Multiplexor análogo 8 a 1 CD4051
Lector de memoria SD
Memoria SD 256 MB
Sensores FLEX-01
Sensores FLEX-03
Sensores de elasticidad
Sensor de neopreno NEO-01
Sensor MMA7361L
Sensor HMC6252
Puerto de comunicación RS232
Módulos X BEE series 2.5
Pic16f873A
6.1.2 DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS
6.1.2.1 COMUNICACIÓN
El sistema se comunica con el computador por medio del puerto serial, ya sea para el monitoreo de la
información y verificación del correcto funcionamiento de los sensores, o para la extracción de la
información total de la memoria SD enviando desde el computador un comando de lectura de la tarjeta
(se envía desde el computador por puerto serial el comando L en ASCI), para extraer la información
medida y poder realizar el posterior análisis. El modulo XBEE series 2.5 se utiliza para realizar la
conexión inalámbrica en el puerto serial entre el sistema y el computador. La comunicación se hace
desde el microcontrolador por medio de protocolos diferentes, en este caso se aplican el I2C para la
brújula magnética(HMC6352), el SPI para la memoria SD, en ambos casos definiendo las entradas y
salidas correctas(para el HMC6352, se tiene un SDA, para enviar y recibir datos y un SCL para
sincronización, y para la memoria SD se tienen 4 señales SDI, donde se reciben los datos de entrada al
PIC), el SDO, por donde se envían datos a la memoria, el SCK que sincroniza el PIC con la memoria
SD y el CS(chip select, también conocida con SS slave select) que habilita o deshabilita la
información de entrada y salida de la memoria.
32
6.1.2.2 MEMORIA
La memoria con la cual se desarrolla este proyecto es una memoria SD SANDISK de 256 MB, la cual
trabaja por comunicación SPI.
Esta memoria se selecciona en primera estancia debido a su capacidad de almacenamiento, tipo de
programación y funcionamiento en el sistema, aunque la programación que requiere presenta algunas
dificultades, el resultado final es satisfactorio en el momento de extraer y observar la información.
Para el tipo de comunicación SPI, aplicado en la memoria, se tienen 4 señales, SDI, donde se reciben
los datos de entrada al PIC, el SDO, por donde se envían datos a la memoria, el SCK que sincroniza el
PIC con la memoria SD y el CS(chip select, también conocida con SS slave select) que habilita o
deshabilita la información de entrada y salida de la memoria.
6.1.2.3 PROCESAMIENTO
En un principio se comenzó trabajando con un microcontrolador PIC16F676, el cual se presentaba
como una opción para trabajar pero, debido al incremento de entradas en el sistema e incremento en
diferentes tipos de protocolos de comunicación, el procesamiento con este microcontrolador se vió
comprometido, así que se trabajó con el microcontrolador PIC16F873A de MICROCHIP. Se trabajó
con un cristal de 20MHz, el cual permite desarrollar todas las actividades solicitadas a la velocidad
necesitada. La transferencia de datos se realizó inicialmente a una tasa de 19200 baudios, pero
posteriormente se trabajó también con la más alta 115200 baudios observando que no hay pérdidas de
información, por lo cual se decidió trabajar así y de esta forma lograr mayor precisión en el envío y
recepción de datos.
Aunque el tamaño (pines y espacio en el circuito) se incrementó, las prestaciones y ventajas de este
integrado frente al usado anteriormente son superiores y cumplen las necesidades impuestas y
desarrolladas durante la programación del mismo. Para futuros proyectos se trabajaría con un
microcontrolador más robusto con el fin de obtener más prestaciones para el sistema. Por el momento
el PIC16F873, cumple con las características solicitadas para el sistema.
6.1.2.4 SELECTORES DE DATOS
Para reducir la cantidad de pines del pic (se reducen costos) se estableció trabajar con multiplexores
análogos CD4051BE (selector de 8 a 1) los cuales funcionan con 3 señales de selección que van
desde el pic (A,B y C). Las entradas del multiplexor son las señales de voltaje de los sensores
extensiométricos que van desde los circuitos de acondicionamiento.
Las señales A,B y C permiten el paso de las señales de los sensores de la siguiente manera:
A B C OUT
0 0 0 SENSOR EXTENSIOMETRICO1
0 0 1 SENSOR EXTENSIOMETRICO2
0 1 0 SENSOR EXTENSIOMETRICO3
0 1 1 SENSOR EXTENSIOMETRICO4
1 0 0 SENSOR EXTENSIOMETRICO5
1 0 1 SENSOR EXTENSIOMETRICO6
1 1 0 SENSOR EXTENSIOMETRICO7
1 1 1 SENSOR EXTENSIOMETRICO8 Tabla 6.1.2.4.1 Funcionamiento del selector CD4051BE
Estas señales van al microcontrolador por un puerto análogo el cual recibe la señal para realizar el
procesamiento.
6.1.2.5 ALIMENTACIÓN
La alimentación del sistema se realiza por medio de una batería de 9. Debido a que los sensores y el
circuito en general no consume gran cantidad de corriente (el circuito consume aproximadamente
33
50mA) se desarrolló una alimentación con esta batería de 9V la cual está conectada a reguladores de
5V(LM7805) y 3.3V (LM1117) que suplen las necesidades del circuito(como se mencionó
anteriormente, algunos componentes trabajan a 5V otros trabajan a 3.3V). Con estas características, la
alimentación del sistema no presenta ningún inconveniente y el sistema funciona sin ningún problema
durante más de 5 horas seguidas sin cambio de batería (en expoelectrónica se dejó encendido desde las
10 AM hasta las 3 PM sin ningún problema de batería). Para ver el circuito de alimentación del
sistema diríjase al numeral 6.1.3.3
6.1.2.6 COMUNICACIÓN MODULO XBEE SERIES 2.5
Para poder estar monitoreando el correcto funcionamiento del sistema y evitar el uso de cables para
este fin, se recurrió al uso de módulos de comunicación serial inalámbrica XBEE SERIES 2.5 los
cuales funcionan con un voltaje de 3.3 V y se configuraron según las necesidades de transmisión
requeridas, tal como se muestra en la figura 6.1.2.6.1.
Figura 6.1.2.6.1 Configuración de módulos XBEE SERIES 2.5 EN SOFTWARE X-CTU de DIGI.
Para ambos módulos, emisor y receptor (ver Figura 6.1.2.6.2), se realizaron las siguientes
configuraciones para poder trabajar con el sistema, aplicando las direcciones dadas por el fabricante
BAUD RATE 115200
FLOW CONTROL NONE
DATA BITS 8
PARITY NONE
STOP BITS 1
De esta forma, los módulos quedan configurados para transmitir y recibir información de acuerdo a la
hoja de especificaciones del fabricante.
34
Figura 6.1.2.6.2 Módulos XBEE SERIES 2.5 16
6.1.3 CIRCUITOS DEL SISTEMA
6.1.3.1 CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO PARA SENSORES FLEX 01, FLEX
03, NEO-01, STRX-02, HMC6352 y MMA7361L
El circuito de acondicionamiento seleccionado para los sensores extensiométricos es un divisor de
voltaje, el cual permite, al variar la resistencia del sensor extensiométrico y entregar un voltaje desde 0
a 5 V para los sensores. Se seleccionaron las resistencias que completaban el divisor para cada sensor
de acuerdo al consumo de corriente y resistencia nominal del sensor (la resistencia del sensor debe ser
igual a la resistencia del divisor).
Figura 6.1.3.1.1 Circuito de acondicionamiento sensores FLEX 01, FLEX 03, NEO-01 y STRX-02
Como se observa en la Figura 6.1.3.1.1, el circuito de acondicionamiento seleccionado para el sensor
HMC6352 son resistencias de pull-up de 10kΩ las cuales tienen como objetivo mantener la señal
siempre de 5V de tal forma que solo baja si el pic coloca la señal en alto, o de igual forma, el sensor
pone un voltaje en alto (el sensor y el micro no pondrán voltaje en alto al mismo tiempo de acuerdo
con la programación).
16
http://www.robot-hk.com/products_m28.asp?lang=en
35
Figura 6.3.1.1.2 Circuito de acondicionamiento sensor HMC6352.
El circuito de acondicionamiento seleccionado para el sensor MMA7361L se hizo de acuerdo a la
necesidad de filtrar ruido del sensor, ya que se quiere retirar el ruido a una frecuencia de 60 Hz, por lo
que se colocó un filtro pasabajos RC con R=56kΩ y C=33nF (teniendo en cuenta que el fabricante
recomienda usar el condesador de 33nF). La tarjeta del sensor filtra ruido a una frecuencia de 150 Hz,
además se colocan jumpers (S1 y S2) para seleccionar el modo de sensibilidad y el modo de test
respectivamente [32].
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
Figura 6.3.1.1.3 Circuito de acondicionamiento sensor MMA7361L
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
Debido a que el microcontrolador entrega señales de 5V (para este proyecto) se debe acondicionar las
señales de entrada de la memoria SD de tal forma que no vaya a dañarse por lo que a las señales CS,
SDI y SCL se colocaron divisores de voltaje (resistencia 1kΩ a 5V, es decir la salida del PIC y
resistencia de 2.2kΩ a tierra) para poner las señales de voltajes a 3.3 V, la señal SDO no tiene ningún
inconveniente, ya que entra al microcontrolador.
36
Figura 6.3.1.1.4 Acondicionamiento memoria sd.
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
6.1.3.2 CIRCUITO DE SELECCIÓN PARA ENTRADAS ANÁLOGAS DEL
PIC16F873A
Para poder trabajar acorde con el PIC16f873A y sólo usar un puerto de entradas (se deja configurado
para utilizar el puerto A como análogo), se tuvo que realizar un circuito físico para seleccionar las
señales que se iban a entrar al microcontrolador, por lo que se decidió trabajar con un multiplexor. De
esta manera, las señales entran de acuerdo con las señales de control generadas por el pic (inhibit y las
señales de selección de entradasA,B y C) las cuales están conectadas. La salida final del multiplexor,
va directamente al microcontrolador y por esta salida serán enviadas las señales de voltaje al
microcontrolador, dependiendo de las señales de selección. En la Figura 6.1.3.2.1 se muestra el
circuito de selección de entradas análogas donde X0-X7 son las señales de los sensores
extensiométricos.
Figura 6.1.3.2.1 Circuito de selector de entradas análogas al PIC16F873A
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
37
6.1.3.3 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DEL SISTEMA
Para la alimentación del sistema se tenían dos requerimientos básicos, trabajar con 5 (para los sensores
extensiométricos, el sensor HMC6352 y el selector CDE4051BE) y con 3,3 V(para el acelerómetro
MMA7361L y la mameoria SD). Debido a que el sistema no requiere más de 50 mA, se trabajó con
una batería de 9V y con reguladores de voltaje lm7805 y lm1117 debidamente acondicionados
(acordes a sus fabricantes[34], [35]). En la Figura 6.1.3.3.1 se observa el circuito de alimentación del
sistema.
Figura 6.1.3.3.1 Circuito de alimentación del sistema.
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
6.1.3.4 CIRCUITO COMPLETO DEL SISTEMA
Para ver el esquemático del sistema ir a ANEXO 1
6.1.4 CIRCUITO DE PRUEBAS
El circuito de pruebas fue de gran importancia en el desarrollo del proyecto, para ver las pruebas
realizadas ver en el CD anexo el video “VIDEO VERIFICACIÓN DE CIRCUITO DE PRUEBA”.
El circuito implementado se observa en la Figura 6.1.4.1.
Figura 6.1.4.1 Circuito de pruebas.
38
6.1.5 CIRCUITO FINAL DEL SISTEMA
El prototipo final del sistema de control se observa en la Figura 6.1.5.1 y como se muestra, incluye los
módulos de comunicación, alimentación y acondicionamiento de sensores. Como se mencionó
anteriormente, la caja de control se encuentra ubicada en la espalda baja para no interrumpir con los
movimientos del nadador.
Figura 6.1.5.1 Circuito final completo y tarjetas inferiores.
NOTA:Ver ANEXO 1 para observar los impresos y esquematicos del sistema
6.1.6 ANOTACIONES
Para la elaboración del circuito final se trabajó con cuatro tarjetas distintas, una para la fuente, otra
para la adquisición de los datos de los sensores extensiométricos, una para el XBEE y la última para
el microcontrolador, memoria, acelerómetro, selector y brújula. Todas estas tarjetas se ubicaron en la
caja impermeable y se distribuyeron con el cableado necesario para ocupar el espacio correcto de la
caja.
6.2 SISTEMA ELECTRÓNICO –SOFTWARE
6.2.1 DESCRIPCIÓN
La programación del PIC16F873A se hizo en lenguaje C para microcontrolador de la familia pic16f
en el compilador PIC C COMPILER, el cual se escogió por su facilidad de uso y versatilidad de
trabajo, además por las herramientas que posee (visualizador puerto serial, debugger, convertidor
numérico, convertidor assembler, entre otras).
6.2.2 DIAGRAMA DE FLUJO PROGRAMA PIC16F873A
En la Figura 6.2.2.1 se observa el diagrama de flujo del programa diseñado para controlar el sistema y
para manipular y almacenar los datos de forma que estos puedan ser capturados y analizados
posteriormente.
39
Figura 6.2.2.1 Diagrama de flujo programa microcontrolador.
6.2.3 CONSIDERACIONES
Para entender mejor el diagrama de flujo ver archivo “programa swimetrix” en el CD ANEXO y
observar el código fuente del programa desarrollado
40
6.3 SISTEMA MECÁNICO-FÍSICO
El sistema mecánico-está compuesto por de el traje de neopreno y la caja hermética para guardar los
circuitos.
6.3.1 SELECCIÓN, ADECUACIÓN E IMPERMEABILIZACION DEL TRAJE
Para el desarrollo del trabajo se seleccionó un traje de neopreno marca BODY GLOVE talla M
utilizado principalmente para practicar en aguas abiertas con el fin de mantener la temperatura del
cuerpo estable. Se usa este traje ya que el neopreno que posee tiene 1m de grosor lo cual no lo hace
incómodo en el momento de nadar. El traje utilizado en la implementación del prototipo final se
observa en la Figura 6.3.1.1.
Figura 6.3.1.1 Traje de neopreno
6.3.2 ANOTACIONES
Para un futuro la idea es usar un traje hecho para todas las tallas (genérico) que pueda cambiar y
adaptarse a varias tallas
6.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE LOS SENSORES
6.3.3.1 SENSORES EXTENSIOMÉTRICOS BI-FLEX-01. FLEX-03, SENSOR
STRETCH STRX-02 Y SENSOR NEO-01
Debido al incremento de señales de análogas que entran al microcontrolador (aumentan a 16 señales
análogas si el acondicionamiento se hiciera con puente de Wheastone, lo cual, por ser voltajes
diferenciales, se tendrían que ingresar las 16 señales y hacer sustracción de a dos señales y luego el
procesamiento) la capacidad de procesamiento realizado por el mcrocontrolador se vería reducida por
lo que se recurrió a un circuito más sencillo para entrar las señales al microcontrolador y pasarlas por
el conversor [19], [20]. Este circuito es un divisor de voltaje configurado tal como se muestra en la
figura 6.3.3.1.1.
41
Figura 6.3.3.1.1 Interface de sensores extensiométricos al pic17
Donde, para todos los sensores flex, stretch y neo (independiente si aumenta hacia un lado la
resistencia y disminuye hacia el otro, o simplemente disminuye o aumenta el valor de la resistencia) el
valor de R1 es el valor de la resistencia cuando el sensor está en posición de reposo (resistencia
nominal para los bi-flex y elásticos), o en una resistencia mínima (para los flex normales y de
neopreno), donde entregaría un voltaje de 2,5V al pic, el cual aumenta o disminuye dependiendo de la
estimulación del sensor. Para observar el circuito de acondicionamiento de los sensores
extensiométricos dirigirse al numeral 6.1.3.1.
6.3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR HONEYWELL HMC6352
(BRÚJULA MAGNÉTICA)
Para el acondicionamiento de las señales (para poder conectarlas al microcontrolador) el fabricante
recomienda las siguientes conexiones.
Figura 6.3.3.2.1 Conexiones recomendado por fabricante.
Ya que el PIC y el sensor funcionan a 5V se colocaron resistencias de pull-up en las señales de SDA y
SCL para que las señales se mantuvieran en alto y solamente cuando el microcontrolador o el sensor
colocaran un valor bajo (dependiendo si el bus está configurado como entrada o salida) se realizará la
transferencia de datos [27].
Debido a que varias compañías desarrollan las tarjetas para poder conectar al microcontrolador, se
17 extraída de http://ejvivanco.wordpress.com/component-specifications/ y adaptada al circuito
42
seleccionó la tarjeta fabricada por Parallax Inc. El cual es de la siguiente manera y cumple con los
requerimientos dados por el fabricante. Por cuestiones de impreso y soldadura se utilizó esta tarjeta se
optó por usar este ya montado
Tabla 6.3.3.2.1. Figura 6.3.3.2.1 Desarrollado por Parallax Inc 18
Para observar el circuito de acondicionamiento del sensor dirigirse al numeral 6.1.3.1.
6.3.3.3 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR MMA7361L (acelerómetro)
Se compró la tarjeta MMA7361L en Sigma Electrónica Ltda.
La tarjeta con acelerómetro usa el MMA7361L el cual es un acelerómetro de 3 ejes con sensibilidad
seleccionable (1.5g/6g), Esta tarjeta incluye los filtros externos (ver Figuras 6.3.3.3.1 y 6.3.3.3.2)
necesarios para el funcionamiento del acelerómetro. Tiene además una regleta de 2x5 de 0.1" de espa-
ciamiento entre pines para facilitar su conexión.
Figura 6.3.3.3.1 Conexiones recomendadas por fabricante 19.
18 http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/sens/29323_HoneywellHMC6352Compass-v1.0.pdf
19 <http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf>
43
Figura 6.3.3.3.2 Tarjeta de sigma electrónica con acondicionamiento realizado para el sensor MMA7361L20
En la hoja de fabricante se observa que a la salida de las señales realmente se tiene un filtro pasa bajas
RC (resistencia de 32KΩ y condensador de 33n) que quita el ruido a una frecuencia aproximada de
150 Hz.
F=1/(2π*RC)
Pero debido a que lo que se quiere es quitar el ruido a una frecuencia de 60 Hz, se realizó un segundo
filtro de R =56KΩ y condesador=33nF
Nota: Dirigirse al numeral 6.1.3.1 para observar el circuito de acondicionamiento del sensor
6.3.3.4 ACONDICONAMIENTO MEMORIA SD
Debido a que el microcontrolador entrega señales de 5V (para este proyecto) hay que acondicionar las
señales de entrada de la memoria SD de tal forma que no vaya a dañarse por lo que a las señales CS,
SDI y SCL se colocaron divisores de voltaje para poner las señales de voltajes a 3.3 V, la señal SDO
no tiene ningún inconveniente, ya que entrar al microcontrolador. Para observar el circuito de
acondicionamiento de la memoria dirigirse al numeral 6.1.3.1
6.4 AISLAMIENTO DE SENSORES CONTRA EL AGUA
Para aislar los sensores se hizo un proceso de tres pasos
El primero fue hacer unas bolsas con el sensor adentro, luego se colocaba sellador policarbonato para
plásticos (ya que en un principio se uso silicona fría y lastimosamente se filtró el agua en el sistema y
se averió) en los bordes de los cables del sensor, por donde se creaba un vacio en la bolsa donde
estaba el sensor y se sellaba (ver Figura 6.4.1 y Figura 6.4.2).
20 <http://www.sigmaelectronica.net/images/TARJETA%20MMA7361%20Superficial.pdf>
44
Figura 6.4.1 Bolsa de vacio con sensor.
El proceso se realizó para todos los sensores extensiométricos excepto el de neopreno y los elásticos.
Para la brújula se usó una caja pequeña de plástico sellada.
Para el circuito de control, Figura 6.4.3, la unidad de alimentación, y el circuito selector de los
sensores extensiométricos, se hizo uso de una caja con cierre hermético, la cual se tuvo que perforar
para poder pasar los cables al traje(el hueco de los cables se selló con el sellador de policarbonato para
plásticos).
Figura 6.4.2 Silicona en los cables del sensor.
Figura 6.4.3 Caja hermética para circuitos.
45
7 PRUEBAS Y RESULTADOS
Para la evaluación del funcionamiento del circuito, se realizaron diferentes pruebas, iniciando con los
sensores, luego con los circuitos de selección alimentación, y los módulos XBEE. Finalmente se probó
el circuito completo en protoboard, para el circuito de prueba y por último el circuito como sistema
final.
7.1 PRUEBAS DE SENSORES
Galgas extensiométricas
FLEX-01
SENSOR 1
RESISTENCIA NOMINAL 10.2KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 30 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 5KΩ
SENSOR 2
RESISTENCIA NOMINAL 10 KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 28 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 8KΩ
SENSOR3
RESISTENCIA NOMINAL 10.1KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 32 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 6KΩ
SENSOR 4
RESISTENCIA NOMINAL 9.2KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 33.3 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 5KΩ
FLEX-03
SENSOR 1
RESISTENCIA MÁXIMA 33 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 8KΩ
SENSOR 2
RESISTENCIA MÁXIMA 30 KΩ
RESISTENCIA MINIMA 9.2KΩ
STRX-02
SENSOR 1
RESISTENCIA NOMINAL 2KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 5 KΩ
SENSOR 2
RESISTENCIA NOMINAL 2KΩ
RESISTENCIA MÁXIMA 6 KΩ
MMA7361L
EN SUPERFICIE PLANA
EJE X
V=1.62V
EJE Y
V=1.69V
EJE Z
V=2.3V
HMC6352
NORTE EN 0ᵒ, 360ᵒ
ORIENTE EN 90ᵒ
SUR EN 180ᵒ
OCCIDENTE EN 270ᵒ
7.2 PRUEBA DE CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO
7.2.1 FLEX-01, FLEX-03 STRX-02, NEO-01
FLEX-01
SENSOR 1
VOLTAJE NOMINAL 2.51
VOLTAJE MINIMO 1.5 V
SENSOR 2
VOLTAJE NOMINAL 2.55
VOLTAJE MINIMO 1.8 V
SENSOR3
VOLTAJE NOMINAL 2.51
VOLTAJE MINIMO 1.3 V
SENSOR 4
VOLTAJE NOMINAL 2.4
VOLTAJE MINIMO 1.6 V
NEO-01
SENSOR 1
VOLTAJE NOMINAL 2.8V
VOLTAJE MINIMO 1.5V
SENSOR 2
VOLTAJE NOMINAL 2.9V
VOLTAJE MINIMO 1.2 V
41
STRX-02
SENSOR 1
VOLTAJE MÁXIMO 2,4 V
VOLTAJE MINIMO 2.2 V
SENSOR 2
VOLTAJE MÁXIMO 2.4 V
VOLTAJE MINIMO 2 V
7.2.2 CIRCUITO DE SELECCIÓN
El selector CD4059 de 8 entradas análogas, es un multiplexor el cual consta de 4 entradas (3 señales
de control y un inhibit), en un periodo de 8 medidas el selector alcanza a tomar un rango de 8 veces
más lento que los datos de entrada, aunque se alcanzan a perder ciertos datos, la frecuencia de
transmisión de los datos hacia el microcontrolador no presenta ningún problema. Ver Tabla 7.2.2.1.
IMPUT1 IMPUT2 IMPUT3 IMPUT4 IMPUT5 IMPUT6 IMPUT7 IMPUT8 A B C SALIDA
2.5 4 2.6 2.5 2.6 2.1 2.4 2 0 0 0 2.5
0 0 1 4
0 1 0 2.6
0 1 1 2.5
1 0 0 2.6
1 0 1 2.1
1 1 0 2.4
1 1 1 2
Tabla 7.2.2.1 VOLTAJES SENSORES Y MODO DE TRABAJO SELECTOR CD4051BE
7.2.3 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN
Para la verificación del circuito de alimentación se ensambló la tarjeta y se hicieron pruebas con un
multímetro (Figura 7.2.3.1 y Figura 7.2.3.2) y se colocaron los condensadores a los reguladores (para
reducir el ruido en la señal) haciendo caso a las hojas de especificaciones y se midieron los valores de
los voltajes necesarios 5V y 3.3V
Figura 7.2.3.1 Salida de fuente de voltaje de 3.3V(aproximado).
42
Figura 7.2.3.2 Salida de fuente de voltaje de 5V (aproximado).
7.2.4 MODULOS XBE
Para revisar el funcionamiento de los módulos XBEE SERIES 2.5 revisar el video “VIDEO
VERIFICACIÓN COMUNICACIÓN XBEE) del CD ANEXO para observar las pruebas realizadas
con los circuitos
7.2.4.1 COMENTARIOS
Se verificó correctamente el funcionamiento de los módulos XBEE SERIES 2.5 aunque en un
principio se tuvo inconvenientes con la configuración de los mismos (estos módulos son un poco
complejos de manejar ya que la configuración hecha desde el programa DIGI X-CTU (ver numeral
6.1.2.6), el cual en un principio resultó ser confuso. Debido a un error de voltaje en la fuente (mala
conexión) uno de los módulos XBEE tuvo que ser cambiado, por lo que se recomienda tener mucho
cuidado con los divisores de voltaje o reguladores (si se trabaja con voltajes mayore a 5v).
7.3 VERIFICACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA DE PRUEBA
Para verificar el funcionamiento del sistema de prueba ver el video “VIDEO VERIFICACIÓN
CIRCUITO DE PRUEBAS” del CD ANEXO
7.3.1 COMENTARIOS
Durante la verificación realizada en el circuito de prueba, se revisó que el sistema encendiera
normalmente, que se calibrara la brújula y el acelerómetro y que los sensores estuvieran enviando la
información correspondiente, en este caso se simularon algunos de los sensores extensiométricos con
resistencias de valores similares adaptadas a los divisores de acondicionamiento (mientras llegaban
otros sensores que se pidieron ) que van al multiplexor y de allí al microcontrolador, de igual forma,
estas pruebas se hicieron conectando el computador por puerto serial al circuito de prueba y por
comunicación serial ver los datos en el computador.. Durante esta verificación no se encontraron
inconvenientes relevantes.
7.4 VERIFICACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA FINAL
Para verificar el funcionamiento del sistema final ver video “VERIFICACIÓN” del CD ANEXO
7.4.1 COMENTARIOS
Para la verificación del sistema final se solicitó la colaboración de un modelo para utilizar el traje
mientras se hacía el seguimiento del sistema. Se verificó que todo el sistema funciona, que encendiera
correctamente, que siguiera lo estipulado en el programa del microcontrolador y que realizara la
comunicación entre XBEE y al computador., además se verificó que la brújula se calibrara y el
acelerómetro también se calibro para poderse usar. No hubo ningún inconveniente durante la
verificación del sistema final.
43
7.5 PRUEBAS CON TRAJE REALIZADAS EN TIERRA
Para observar las pruebas de movimiento y comunicación entre sistema y computador en tierra se
realizó la toma de datos de todos los sensores haciendo movimientos aleatorios por parte del sujeto,
para obtener las Figuras de movimiento de cada sensor.
La ubicación de los sensores se puede observar en la figuras 7.5 desde la #1 hasta la #4
Figura 7.5 #1 sensores de muñeca y codo
Figura 7.5 #2 Sensores de espalda derecha e izquierda
44
Figura 7.5 #3 sensores de rodilla izquierda y derecha
Figura 7.5 #4 sensores de campo magnético(halo negro) y aceleración (halo blanco)
Para observar la pruebas realizadas en tierra del sistema ver video “PRUEBA SISTEMA
COMPLETO” del CD ANEXO
45
SISTEMA COMPLETO
ACELERÓMETRO
EJE X
Figura 7.5 #1 grafica de eje x del acelerómetro en el tiempo(segundos)
EJE Y
Figura 7.5 #2 grafica de eje y del acelerómetro en el tiempo(segundos)
EJE Z
Figura 7.5 #3 grafica de eje z del acelerómetro en el tiempo(segundos)
Durante el funcionamiento del sistema el acelerómetro consta de tres ejes, los cuales indican
variaciones en los tres ejes a medida que el nadador se desplaza por la piscina y cambia su
posición durante la actividad, se observa este cambio de aceleración durante el movimiento y se
0,76
0,78
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
0
0,5
1
1,5
2
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
1,25
1,3
1,35
1,4
1,45
1,5
1,55
1,6
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
46
entiende que el sujeto varía su inclinación durante la actividad( en este caso el nadador está
parado) las variaciones mayores se dan en el eje x y el ejez, lo cual implica desplazamientos en
estos ejes.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 4 Codo izquierdo
Figura 7.5 #4 grafica de codo izquierdo en el tiempo(segundos)
AL observar la Figura del codo izquierdo se puede ver la variación producida por la flexión del
sensor realizada por el codo, lo cual muestra que a medida que se flexiona el sensor, la
resistencia del mismo disminuye y el voltaje de la señal aumentará , cuando el sensor vuelve a su
posición inicial, el valor del voltaje vuelve a su valor de referencia.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 3 muñeca izquierda
Figura 7.5 #5 grafica de muñeca izquierda en el tiempo(segundos)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
47
AL observar la Figura de la muñeca izquierda se puede mirar la variación de voltaje producida
por la flexión del sensor realizada por la muñeca, lo cual muestra que a medida que se flexiona
el sensor, la resistencia del mismo disminuye o aumenta, dependiendo de la dirección de flexión,
y el voltaje de la señal aumentará o disminuirá dependiendo de la dirección de flexión , cuando el
sensor vuelve a su posición inicial, el valor del voltaje vuelve a su valor de referencia. Se observa
que los voltajes no suben mucho debido a que el sensor no tiene una variación de voltaje muy
grande.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 5 espalda izquierda
Figura 7.5 #6 grafica de espalda izquierda en el tiempo (segundos)
AL observar la Figura de la espalda izquierda se puede ver la variación de voltaje producida por
la flexión del sensor realizada por la espalda, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye o aumenta, dependiendo de la dirección de flexión, y
el voltaje de la señal aumentará o disminuirá dependiendo de la dirección de flexión. En este
caso, la flexión de la espalda es mucho más hacia un lado (hacia el frente del sujeto) por lo que el
sensor varía mucho más hacia valores pequeños de voltaje. Cuando el sensor vuelve a su
posición inicial, el valor del voltaje vuelve a su valor de referencia. Se observa que los voltajes
no suben mucho debido a que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
48
Sensor 6 Espalda derecha
Figura 7.5 #7 grafica de espalda derecha en el tiempo (segundos)
AL observar la Figura de la espalda derecha se puede ver la variación de voltaje producida por la
flexión del sensor realizada por la espalda, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye o aumenta, dependiendo de la dirección de gflexión, y
el voltaje de la señal aumentará o disminuirá dependiendo de la dirección de flexión. En este
caso, la flexión de la espalda es mucho más hacia un lado (hacia el frente del sujeto) por lo que el
sensor varía mucho más hacia valores pequeños de voltaje. Cuando el sensor vuelve a su
posición inicial, el valor del voltaje vuelve a su valor de referencia. Se observa que los voltajes
no suben mucho debido a que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande. Aunque
las Figuras de la espalda derecha y la espalda izquierda son parecidas(deberían ser muy parecidas
ya que están ubicadas en puntos muy similares), se observa que hay variaciones entre una y otra
debido a que el sujeto puede girar más un lado de la espalda que otro.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 7 rodilla izquierda
Figura 7.5 #8 grafica de rodilla izquierda en el tiempo (segundos)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
2,75
2,8
2,85
2,9
2,95
3
3,05
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
49
AL observar la Figura de la rodilla izquierda se puede apreciar la variación de voltaje producida
por la flexión del sensor realizada por la rodilla, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 8 Rodilla Derecha
Figura 7.5 #9 grafica de rodilla derecha en el tiempo (segundos)
Al observar la Figura de la rodilla derecha se puede apreciar la variación de voltaje producida
por la flexión del sensor realizada por la rodilla, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
50
Sensor 1 Codo derecho
Figura 7.5 #10 grafica de codo derecho en el tiempo (segundos)
AL observar la Figura del codo derecho se puede ver la variación producida por la flexión del
sensor realizada por el codo, lo cual muestra que a medida que se flexiona el sensor, la
resistencia del mismo disminuye y el voltaje de la señal aumentará , cuando el sensor vuelve a su
posición inicial, el valor del voltaje vuelve a su valor de referencia.. A comparación del codo
izquierdo, se observa que el valor de resistencia del mismo no baja tanto su valor de resistencia
en el momento de la flexión como el sensor del codo izquierdo, por esta razón, el voltaje no sube
a un valor tan alto como el del codo izquierdo.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Sensor 2 muñeca derecha
Figura 7.5 #11 grafica de muñeca derecha en el tiempo (segundos)
AL observar la Figura de la muñeca derecha se puede ver la variación de voltaje producida por
la flexión del sensor realizada por la muñeca, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
51
sensor, la resistencia del mismo disminuye o aumenta, dependiendo de la dirección de flexión, y
el voltaje de la señal aumentará o disminuirá dependiendo de la dirección de flexión , cuando el
sensor vuelve a su posición inicial, el valor del voltaje vuelve a un valor de referencia. Se
observa que los voltajes no suben mucho debido a que el sensor no tiene una variación de
voltaje muy grande.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
Brújula HMC6352
Figura 7.5 #12 grafica de brújula en el tiempo (segundos)
La Figura de la brújula muestra valores entre 0 y 360 grados (siendo 0 y 360 grados norte, 90
grados orientes, 180 grados sur y 270 occidente), lo cual observando la Figura el sujeto se
mantiene en una dirección hacia el occidente y en el punto 15 gira al sur y luego vuelve al
occidente. Los datos en la brújula tienen un pequeño tiempo durante el cual en pantalla se
entrega un dato “q56” lo cual indica que el sensor se demora un poco más que el
microcontrolador en entregar los datos, esto ocurre cuando hay variaciones muy rápidas de
posición, pero no es muy ralativo ya que en un nadador no van a haber giros bruscos de posición
a diferencia de otras actividades.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 2
7.1.1 PRUEBAS DE MOVIMIENTO Y COMUNICACIÓN ENTRE SISTEMA Y
COMPUTADOR EN TIERRA
Para observar las pruebas de movimiento y comunicación entre sistema y computador
en tierra se realizó la toma de datos por separado de cada sensor, de esta forma obtener
Figuras de movimiento de cada sensor.
0
50
100
150
200
250
300
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
52
Sensor 5 Espalda izquierda
Figura 7.5.1 #4 grafica de espalda izquierda en el tiempo (segundos)
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3
Sensor 6 espalda derecha
Figura 7.5.1 #5 grafica de espalda derecha en el tiempo (segundos)
Las Figuras de la espalda del sujeto, muestra como el nadador está inclinándose hacia adelante(
los picos máximos de la señal) y hacia abajo cuando se inclina hacia atrás(aunque en la actividad,
el sujeto no se inclinó mucho hacia atrás por lo que las Figuras no bajan mucho en su valor.
Debido a que el sensor es bi-flex(aumenta en una dirección y disminuye en otra su valor de
resistencia) la Figura posee puntos máximos (inclinación hacia un punto ) y mínimos (durante
una inclinación en el sentido opuesto)
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “ESPALDA” en CD ANEXO
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303132333435363738
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303132333435363738
53
Sensor 3 Muñeca izquierda
Figura 7.5.1 #6 grafica de muñeca izquierda en el tiempo (segundos)
En esta Figura se observa el movimiento de la muñeca y como varía la resistencia del sensor a
medida que se dobla el sensor en cualquiera de los sentidos que indican el incremento o
disminución en la resistencia. Se ven los picos máximos y minimos que muestran el movimiento
de la muñeca cada vez que se sube o se baja la articulación. La variación en el valor de voltaje no
es muy grande debido a que las variaciones de resistencia del sensor no son muy grandes
respecto a su valor de referencia,
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “MUÑECA IZQUIERDA” en CD ANEXO
Sensor 2 Muñeca derecha
Figura 7.5.1 #7 grafica de muñeca derecha en el tiempo (segundos)
En esta Figura se observa el movimiento de la muñeca y como varía la resistencia del sensor a
medida que se dobla el sensor en cualquiera de los sentidos que indican el incremento o
disminución en la resistencia. Se ven los picos máximos y mínimos que muestran el movimiento
de la muñeca cada vez que se sube o se baja la articulación. La variación en el valor de voltaje no
2,7
2,75
2,8
2,85
2,9
2,95
3
3,05
3,1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334
2,82
2,84
2,86
2,88
2,9
2,92
2,94
2,96
2,98
3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334
54
es muy grande debido a que las variaciones de resistencia del sensor no son muy grandes
respecto a su valor de referencia, A diferencia de la muñeca izquierda, los picos de esta Figura
son mas notables debido a la velocidad de flexión con que se hicieron las pruebas
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video MUÑECA DERECHA en CD ANEXO
Sensor 4 Codo izquierdo
Figura 7.5.1 #8 grafica de codo izquierdo en el tiempo (segundos)
En esta Figura del codo izquierda se observa notablemente la línea de voltaje de referencia del
sensor y las variaciones que se presentan ocurren hacia un voltaje mayor(cuando se flexiona el
sensor) y al estirarlo vuelven a su posición de referencia. Esta variación indica que tanto se está
flexionando el brazo y que tan rápido se hacen estos cambios de flexión. Todo este tipo de
análisis se hará en un proyecto futuro que continúe este proceso.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “CODO IZQUIERDO” en CD ANEXO
Sensor 1 Codo derecho
Figura 7.5.1 #9 grafica de codo derecho en el tiempo (segundos)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
2,75
2,8
2,85
2,9
2,95
3
3,05
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
55
En la Figura del codo derecho se observa aún más detalladamente la variación en el valor del
voltaje del sensor, lo cual indica variación en la flexión de la articulación del codo. Los picos son
más notables. se observa la línea de voltaje de referencia del sensor y las variaciones que se
presentan ocurren hacia un voltaje mayor(cuando se flexiona el sensor) y al estirarlo vuelven a su
posición de referencia, aunque en esta baja un poco más que su valor de referencia por lo que
existe un problema con el sensor. Esta variación indica que tanto se está flexionando el brazo y
que tan rápido se hacen estos cambios de flexión. Todo este tipo de análisis se hará en un
proyecto futuro que continúe este proceso.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “CODO DERECHO” en CD ANEXO
Sensor 3 Rodilla izquierda
Figura 7.5.1 #10 grafica de rodilla izquierda en el tiempo (segundos)
Al observar la Figura de la rodilla izquierda se puede ver la variación de voltaje producida por la
flexión del sensor realizada por la muñeca, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande. Las señal es constante cuando se
mantiene una posición fija por cierto tiempo
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “RODILLA IZQUIERDA” en CD ANEXO
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
56
Sensor 4 Rodilla derecha
Figura 7.5.1 #11 grafica de rodilla derecha en el tiempo (segundos)
Al observar la Figura de la rodilla derecha se puede ver la variación de voltaje producida por la
flexión del sensor realizada por la rodilla, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande. Se aprecian diferencias notables con
respecto al sensor de la rodilla izquierda e incluso se observan variaciones, no en la forma de la
señal, sino en los valores de la misma. Las variaciones de voltaje no son tan notables como en el
sensor de la rodilla izquierda y los valores mínimos no llegan a verse estables, por lo que se
considera que el sensor puede estar teniendo problemas con su resistencia( si se estira más de lo
que se debe su resistencia decae) se pone a consideración la revisión del sensor.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “RODILLA DERECHA” CD ANEXO
Brújula HMC6352
Figura 7.5.1 #12 grafica de brújula en el tiempo (segundos)
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
0
50
100
150
200
250
300
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
57
La Figura de la brújula muestra valores entre 0 y 360 grados (siendo 0 y 360 grados norte, 90
grados orientes, 180 grados sur y 270 occidente), lo cual observando la Figura el sujeto se
mantiene en una dirección hacia el oriente y en el punto 33 gira al occidente, es decir, el sujeto
dio media vuelta. Los datos en la brújula tienen un pequeño tiempo durante el cual en pantalla se
entrega un dato “q56” lo cual indica que el sensor se demora un poco más que el
microcontrolador en entregar los datos, esto ocurre cuando hay variaciones muy rápidas de
posición, pero no es muy relativo ya que en un nadador no van a haber giros bruscos de posición
a diferencia de otras actividades.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXO 3 ver video “BRUJULA” en CD ANEXO
7.1.2 COMENTARIOS
Durante las pruebas realizadas se grabaron videos los vuales muestran los movimientos
desarrollados por el nadador y son la base de los datos de las gráficas, se tomó como sujeto de
pruebas un joven nadador que bajo su consentimiento se realizó la filmación del video. Durante
las pruebas no se presentaron mayores inconvenientes y los resultados fueron muy satisfactorios
por lo que se prosiguió a la siguiente etapa de pruebas que es en agua.
7.1.3 PRUEBAS CON TRAJE REALIZADAS EN AGUA CON CIRCUITO FINAL
E INTEGRACIÓN SOFTWARE- HARDWARE
Esta prueba es la más importante del proyecto ya que es el objetivo general. Las pruebas se
realizaron en una piscina de 15m y la nadadora estuvo de acuerdo con todas las pruebas .
ACELEROMETRO EJE X
Figura 7.5.3 #1 grafica de eje x de acelerómetro en el tiempo (segundos)
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
1,95
2
2,05
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
105
113
121
129
137
145
153
161
169
177
185
193
201
209
217
225
58
ACELEROMETRO EJE Y
Figura 7.531 #2 grafica de eje y de acelerómetro en el tiempo (segundos)
ACELEROMETRO EJE Z
Figura 7.5.3 #3 grafica de eje z de aceloremtro en el tiempo (segundos)
Durante el funcionamiento del sistema el acelerómetro consta de tres ejes, los cuales indican
variaciones en los tres ejes a medida que el nadador se desplaza por la piscina y cambia su
posición durante la actividad, se observa este cambio de aceleración durante el movimiento y se
entiende que el sujeto varía su inclinación durante la actividad( en este caso el nadador casi “se
acuesta” (mientras nada)
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 1 Codo derecho
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
1 9
17
25
33
41
49
57
65
73
81
89
97
105
113
121
129
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59
Figura 7.5.3 #4 grafica de codo derecho en el tiempo (segundos)
En la Figura del codo derecho se observa aún más detalladamente la variación en el valor del
voltaje del sensor, lo cual indica variación en la flexión de la articulación del codo. Se observa la
línea de voltaje de referencia del sensor y las variaciones que se presentan ocurren hacia un
voltaje mayor(cuando se flexiona el sensor muy fuerte y su valor de resisitencia disminuye
mucho) y al estirarlo vuelven a su posición de referencia, aunque en esta baja un poco más que
su valor de referencia por lo que existe un problema con el sensor. Esta variación indica que
tanto se está flexionando el brazo y que tan rápido se hacen estos cambios de flexión. Todo este
tipo de análisis se hará en un proyecto futuro que continúe este proceso. Durante la actividad de
nadado se puede extraer que el nadador flexiona el brazo y lo estira durante la actividad y en los
picos máximos y mínimos se nota la velocidad como cambia el valor de la resisitencia e indica
que se hace un estiramiento de la articulación.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 2 muñeca derecha
Figura 7.5.3 #5 grafica de espalda muñeca derecha en el tiempo (segundos)
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60
En esta Figura se observa el movimiento de la muñeca y como varía la resistencia del sensor a
medida que se dobla el sensor en cualquiera de los sentidos que indican el incremento o
disminución en la resistencia. Se ven los picos máximos y un mínimo en los valores de la Figura
que muestran el movimiento de la muñeca cada vez que se sube o se baja la articulación. La
Figura con muestra correctamente los datos que el sensor debería entregar ya que debería verse
un valor máximo, un valor mínimo y un valor de referencia(es decir donde se mantiene la señal
cuando no se mueve el sensor) y en este caso pareciera que el sensor no aumentar su valor de
resistencia. Lo más probable en este caso es que el sensor presente problemas debido al uso del
mismo y desgaste o sencillamente porque el sensor se desacomodó de la posición de la muñeca y
no se alcanza a registrar la flexión en la articulación. La variación en el valor de voltaje no es
muy grande debido a que las variaciones de resistencia del sensor no son muy grandes respecto a
su valor de referencia,
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 3 muñeca izquierda
Figura 7.5.3 #6 grafica de muñeca izquierda en el tiempo (segundos)
En esta Figura se observa el movimiento de la muñeca y como varía la resistencia del sensor a
medida que se dobla el sensor en cualquiera de los sentidos que indican el incremento o
disminución en la resistencia. Se ven los picos máximos y un mínimo en los valores de la Figura
que muestran el movimiento de la muñeca cada vez que se sube o se baja la articulación. La
Figura con muestra correctamente los datos que el sensor debería entregar ya que debería verse
un valor máximo, un valor mínimo y un valor de referencia(es decir donde se mantiene la señal
cuando no se mueve el sensor) y en este caso pareciera que el sensor no aumentar su valor de
resistencia. Lo más probable en este caso es que el sensor presente problemas debido al uso del
mismo y desgaste o sencillamente porque el sensor se desacomodó de la posición de la muñeca y
no se alcanza a registrar la flexión en la articulación. La variación en el valor de voltaje no es
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61
muy grande debido a que las variaciones de resistencia del sensor no son muy grandes respecto a
su valor de referencia,
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 4 codo izquierdo
Figura 7.5.3 #7 grafica codo izquierdo en el tiempo (segundos)
En esta Figura del codo izquierda se observa notablemente la línea de voltaje de referencia del
sensor y las variaciones que se presentan ocurren hacia un voltaje mayor(cuando se flexiona el
sensor) y al estirarlo vuelven a su posición de referencia. Esta variación indica que tanto se está
flexionando el brazo y que tan rápido se hacen estos cambios de flexión. Todo este tipo de
análisis se hará en un proyecto futuro que continúe este proceso. A diferencia del codo derecho,
la Figura es más “estable”, se ven mejor las variaciones en la misma, por lo que se puede
considerar que la posición del sensor es mejor (ubicado bien en la articulación del sujeto) y así se
pueden apreciar mejor las variaciones en el codo.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
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62
Sensor 5 espalda izquierda
Figura 7.5.3 #8 grafica de espalda izquierda en el tiempo (segundos)
Las Figuras de la espalda del sujeto, muestra como el nadador está inclinándose hacia adelante(
los picos máximos de la señal) y hacia abajo cuando se inclina hacia atrás(aunque en la actividad,
el sujeto no se inclinó mucho hacia atrás por lo que las Figuras no bajan mucho en su valor.
Debido a que el sensor es bi-flex(aumenta en una dirección y disminuye en otra su valor de
resistencia) la Figura posee puntos máximos (inclinación hacia un punto ) y mínimos (durante
una inclinación en el sentido opuesto) Se observa la similitud de la Figura con la del codo
derecho, en este caso no parece que la Figura esté bien por lo que pudo haber un error en la
selección de las señales realizada por el multiplexor y las señales se pudieron confundir.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 6 espalda derecha
Figura 7.5.3 #9 grafica de espalda derecha en el tiempo (segundos)
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204
211
63
Las Figuras de la espalda del sujeto, muestra como el nadador está inclinándose hacia adelante
progresivamente( los picos máximos de la señal) pero no hay muestra de que se inclina hacia
atrás(aunque en la actividad, el sujeto no se inclinó mucho hacia atrás por lo que las Figuras no
bajan mucho en su valor). Esto es un error en el sensado por lo que se atribuye cualquier
inconveniente al sensor(o incluso a la conexión del mismo) o se pudo desconectar durante la
actividad, si es así, se estaría incrementando el valor de resisiencia, ya que la resisitencia seria
muy baja en el divisor y solo se vería una resistencia( a la que le entran los 5v en el divisor)
directamente a 5v.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Sensor 7 rodilla izquierda
Figura 7.5.3 #10 grafica de rodilla izquierda en el tiempo (segundos)
Al observar la Figura de la rodilla izquierda se puede ver la variación de voltaje producida por la
flexión del sensor realizada por la rodilla, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande. Las señal es constante cuando se
mantiene una posición fija por cierto tiempo.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
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64
Sensor 8 rodilla derecha
Figura 7.5.3 #11 grafica de rodilla derecha en el tiempo (segundos)
Al observar la Figura de la rodilla derecha se puede ver la variación de voltaje producida por la
flexión del sensor realizada por la rodilla, lo cual muestra que a medida que se flexiona el
sensor, la resistencia del mismo disminuye en este caso ya que el sensor se encuentra estirado, es
decir, que cuando se flexiona la rodilla el sensor vuelve a su posición de referencia que es una
resistencia menor que la resistencia con la que aparece estirado el sensor. Los picos de subida en
la Figura se dan cuando se flexiona la rodilla, el valor de referencia se da cuando la pierna se
encuentra en posición normal(estirada). Se observa que los voltajes no suben mucho debido a
que el sensor no tiene una variación de voltaje muy grande. Se aprecian diferencias notables con
respecto al sensor de la rodilla izquierda e incluso se observan variaciones, no en la forma de la
señal, sino en los valores de la misma. Las variaciones de voltaje no son tan notables como en el
sensor de la rodilla izquierda y los valores mínimos no llegan a verse estables, por lo que se
considera que el sensor puede estar teniendo problemas con su resistencia( si se estira más de lo
que se debe su resistencia decae) se pone a consideración la revisión del sensor.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
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65
Brújula HMC6352
Figura 7.5.3 #1 grafica de brújula en el tiempo (segundos)
La Figura de la brújula muestra valores entre 0 y 360 grados (siendo 0 y 360 grados norte, 90
grados orientes, 180 grados sur y 270 occidente), lo cual observando la Figura el sujeto se
mantiene en una dirección hacia el sur-occidentee y en el punto 61 gira al occidente, es decir, el
sujeto dio un cuarto de vuelta. Los datos en la brújula tienen un pequeño tiempo durante el cual
en pantalla se entrega un dato “q56” lo cual indica que el sensor se demora un poco más que el
microcontrolador en entregar los datos, esto ocurre cuando hay variaciones muy rápidas de
posición, pero no es muy relativo ya que en un nadador no van a haber giros bruscos de posición
a diferencia de otras actividades. Los datos en el sensor no coinciden con la ubicación del
nadador ya que no debería mostrar un cuarto de vuelta sino media vuelta, esa variación pudo
haber ocurrido por no haber realizado la calibración al inicio de las pruebas. Se recomienda se
más riguroso con el proceso de calibración antes de hace cada prueba.
NOTA: Ver datos del sensor en ANEXOS en CD ANEXO
Ver videos “VIDEO AGUA 1” “VIDEO AGUA 2” y “VIDEO AGUA 3” en CD ANEXO
7.1.3.1 COMENTARIOS
Durante las pruebas realizadas en agua el sistema presento problemas en
impermeabilización por lo que entró agua en el sistema y se vio comprometido su
funcionamiento. Durante todo el proyecto este problema con la impermeabilización fue un
factor de riesgo que comprometió el funcionamiento del sistema. Además, durante estas
pruebas se nota el desgaste de los sensores luego de casi 1 año de funcionamiento.
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163
66
7.2 SEGUIMIENTO DEL PROCESO DE DESARROLLO DEL SISTEMA COMPLETO
E INCONVENIENTES DURANTE EL MISMO
El sistema swimetrix se dividió en 5 etapas de desarrollo, que se dieron por cambios en el
sistema, arreglos o daños en el mismo. Se puede apreciar la evolución del sistema desde la etapa
0 hasta la etapa 4.
La primera etapa (etapa 0) se realizó luego de el diseño y planeación del sistema en general. Los
montajes se hicieron en protoboard y debido a que no se contaba con los sensores
extensiométricos se trabajo con resistencias variable que simulaban tales sensores, se comenzó a
trabajar en la programación del microcontrolador y su comunicación.
Figura 7.6 #1 etapa 0 sistema SWIMETRIX
La etapa 1 del sistema consistió en terminar de armar el circuito de pruebas inicial y hacer pruebas
en un circuito impreso de baquelita el cual se realizó sólo para medir las dimensiones del sistema y
su alcance como tal para adaptarlo al cuerpo de una persona. No se obtuvieron buenos resultados
en esta etapa.
Luego de los problemas obtenidos durante la etapa 1 se prosiguió en el trabajo y se llegó a una etapa
2 la cual se dio luego de organizar muy bien el circuito y realizar pruebas con resultados buenos.
Esta etapa fue el primer prototipo de trabajo del sistema aunque no muy completo, fue el primer
circuito que se utilizó para meter al agua pero debido a problemas de impermeabilización, se averió
completamente, teniendo que iniciar todo el proceso del sistema en general. Independiente de los
problemas obtenidos esta etapa dejó muchas cosas aprendidas
67
Figura 7.6 #2 etapa 1 del sistema SWIMETRIX
La etapa 3 consistió en probar de nuevo todo el sistema, pero con los sensores incluidos y ya con la
mayor parte de la progrmación incluida, se comenzaron a hacer pruebas de comunicación con los
modulos XBEE SERIES 2.5 y se realizaron circuitos impresos para un sistema de pruebas. En esta
etapa fueron pocos los errores, siendo el más grave el daño a un modulo XBEE por error de entrada
de voltaje(se suministraron 5v al módulo y se dañó)
68
Figura 7.6 #3 etapa 2 del sistema SWIMETRIX
Por último la etapa4 del sistema que fue la etapa definitiva para pruebas y demás, se consiguió la
caja de empaque impermeable, se forraron los sensores y se adaptó todo en el traje de neopreno para
pruebas tanto en tierra como en agua.
Figura 7.6 #4 etapa final del sistema SWIMETRIX
69
7.3 FACTOR DE RIESGO EN LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA
Durante las pruebas realizadas en agua el sistema presentó un factor de riesgo en su estabilidad
debido a la impermeabilización del mismo. Este factor ha comprometido el sistema durante la
primera etapa del sistema. Debido a este factor el sistema se ha visto comprometido en varias
ocasiones, llevando al sistema a una falla que ocasionó la terminación del funcionamiento del
sistema. Aunque se hicieron muchas adecuaciones al sistema para evitar este factor, el sistema se vio
comprometido por mas cambios que se hicieron, de esta forma paso a ser un factor de riesgo.
Durante las pruebas de agua realizadas en el circuito el factor de la impermeabilización afecto
gravemente el sistema ocasionando un error de funcionamiento por la entrada de agua al sistema (se
afectaron sensores y no funcionan correctamente) por lo que se tuvo que finalizar las pruebas, se
abrió el circuito, se sacó el agua, se secó con pistola de calor y luego se tuvo que verificar el
funcionamiento, de donde sirvió correctamente el circuito, pero con el problema de los sensores.
Este factor jugó un papel crucial durante el desarrollo del sistema y aunque se cumplió con el
objetivo de trabajar con el sistema en agua, el sistema se afectó un tiempo después por la entrada de
agua al sistema. Se recomienda para futuros proyectos buscar una mejor asesoría de un diseñador de
modas o de un diseñador industrial con experiencia en impermeabilización de trajes y sensores para
agua.
Para revisar este punto ver el video “VIDEO FACTOR DE RIESGO” del CD ANEXO
70
8 CONCLUSIONES
Se diseñó e implementó un sistema de sensores para registrar el movimiento de nadadores en
tierra y en agua, que manda las señales registradas al computador y puede seleccionar
diferentes tipologías de medición.
El sistema SWIMETRIX es un prototipo, la idea de un futuro proyecto es llegar a convertirlo
en un producto. Esto es posible debido a los bajos de costos de construcción y de
componentes, de igual forma es recomendable aumentar la cantidad de sensores y buscar
asesoría técnica en la parte de impermeabilización. Para mejorar la presentación del producto
se recomienda buscar asesoría de un diseñador industrial para seleccionar los criterios más
adaptables cómodos al sistema tanto en costos como en materiales.
Se definieron las especificaciones para la selección de los sensores a utilizar en la medición
de la flexión de las articulaciones del nadador a partir de unas especificaciones y criterios
establecidos por el autor basándose en recopilación de información y estudios realizados sobre
temas relacionados.
Se determinó la adecuada ubicación de los sensores basada en estudios antropométricos bajo
la recomendación de un médico fisiatra y deportologo familiarizado con el tema de la natación
en general.
Se diseñaron e implementaron los circuitos que permitieron el acondicionamiento de las
señales que provienen de los sensores a partir de la recopilación de información tomada de
hojas de especificación y consejos brindados por el director de la tesis y profesores asesores
que aconsejaron respecto al tema.
Se diseñó e implementó el programa de ejecución de un circuito microcontrolador que permite
la adquisición y registro de los datos que provienen de los sensores basado en las
especificaciones planteadas por el autor durante la etapa de diseño del proyecto.
Se ejecutó un protocolo de pruebas para evaluar el sistema en diferentes tipologías
antropométricas de medición luego del diseño y la aprobación del mismo.
Se evaluó el desempeño del sistema implementado, basado en el análisis de la ejecución del
protocolo de pruebas diseñado.
Vale la pena aclarar que durante las pruebas del sistema no se trabajó con las tasas de muestreo
expuestas en el numeral 3.5 para la aplicación específica del sistema. Se trabajó con una tasa
de muestreo general para todos los sensores que en este caso fue de 10 muestras por segundo.
Se recomienda para proyectos futuros, mejorar esta parte utilizando cada dispositivo a la taza
de muestreo específica que le corresponde según su aplicación.
Se considera importante resaltar que aunque el sistema funcionó en agua, tuvo fallas debido a
la impermeabilización por lo que se recomienda ser más exhaustivo en futuros proyectos en
esta parte y buscar mejores asesorías en esta área.
La continuación del proyecto se llevará a cabo por el autor y consistirá en el análisis de todos
los datos a nivel macro (mayores poblaciones de nadadores) y con una adaptación al sistema
de procesamiento de imágenes para aumentar la calidad del sistema y mejorar en la precisión
de los datos obtenido tanto física como visualmente. De igual manera se recomienda
continuar recopilando información en la parte de acomodación de sensores y de selección de
los mismos, y también en las fórmulas necesarias para aplicar a los datos obtenidos, de esta
forma obtener las variables requeridas para el análisis posterior de los datos que se recibieron.
71
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Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingeniería Electrónica 2008
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[26] HOJA DE ESPECIFICACIONES MMA7361lQ ±1.5g - 6g Three Axis Low-
g<http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf>
[27] pic16f87X <http://es.wikipedia.org/wiki/PIC16F87X>
[28] hoja de especificaciones PIC16F873A <
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39582b.pdf>
[29] HOJA DE ESPECIFICACIONES TARJETA MMA7361L
<http://www.sigmaelectronica.net/images/TARJETA%20MMA7361%20Superficial.pdf>
[30] ALZATE, Edwin. MONTES, Jose. SILVA, Carlos. Medidores de Deformación por resistencia:
Galgas Extensiométricas. Scientia et Technica. Año XIII, No 34. Mayo de 2007. Universidad
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Circuitos. Universidad de los Llanos.
73
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