sistema medidor de fuerza prensil con transmisión de datos a pc

SISTEMA MEDIDOR DE FUERZA PRENSIL CON TRANSMISIÓN DE DATOS A PC.
INTRODUCCIÓN:
Un medidor de fuerza prensil es un sistema destinado a realizar medidas de fuerza ejercidas
por la mano de un usuario con el objetivo de realizar estudios médicos o deportivos, o bien, para
determinar cual es la evolución de la fuerza en deportistas. En los últimos años las medidas de
fuerza prensil han ayudado a prever enfermedades como minusvalía durante la vejez, realizar
estudios de desnutrición, etc.
En el presente artículo se presenta la construcción de un sistema medidor de fuerza prensil
económico, capaz de detectar variaciones de fuerza desde 10 Kg., hasta 90 Kg. El sistema es capaz
de almacenar datos de fuerza para diferentes usuarios y posteriormente, mediante una herramienta
de comunicación y un software específico, trasmitir los datos a PC.
Existen tres tipos de ejercicios diferentes que se pueden realizar con el medidor de fuerza
prensil presentado en este artículo.
Ejercicio de fuerza media:
- En este ejercicio el usuario deberá realizar fuerza durante 30 s, tras los cuales,
obtendrá como resultado cual ha sido el valor medio de la fuerza realizada y tendrá la posibilidad de
almacenar este valor en memoria junto a los 60 valores de fuerza tomados durante el transcurso del
ejercicio. Todos estos valores podrán ser transmitidos posteriormente a PC y poder realizar, entre
otras utilidades, tablas de resistencia.
Ejercicio de fuerza máxima:
- En este caso el ejercicio a realizar permitirá obtener cual ha sido la fuerza máxima
realizada durante los 5 s que dura el ejercicio. El sistema será capaz de detectar picos de fuerza y
descartarlos para obtener un resultado fiable. De igual modo, los valores obtenidos podrán ser
almacenados en memoria para una posterior consulta de ellos, ó para una transmisión a PC y
almacenaje en una base de datos.
Ejercicio ON-LINE:
- Mediante la herramienta de comunicación con PC se podrá realizar una transmisión
de los datos de fuerza captados por el sistema medidor de fuerza prénsil, y mediante la herramienta
software creada para el sistema, poder almacenar los datos en una base de datos.
FUNCIONAMIENTO:
Sistema Medidor:
En la figura 1 se muestra un esquema general de bloques del sistema medidor. Se observa un
bus de alimentación que da energía a todo el sistema a partir de un alimentador AC/DC o bien desde
una batería. Todo el sistema queda controlado por un microcontrolador de MICROCHIP
(PIC16F877A), el cual posee un modulo conversor A/D interno que recibe la señal amplificada
desde el sensor de fuerza, en este caso una ‘celda de carga’. Se dispone además de un teclado y un
‘display’ Lcd para interaccionar con el usuario. Los datos de los resultados de los diferentes
ejercicios son almacenados en una memoria externa de tipo EEPROM de acceso serie mediante bus
I2C(24LC64).
Batería
Alimentación
Alimentador
Micro
Controlador
Lcd
Memoria
Celda
Amp.
A/D
Teclado
Figura 1
Celda de carga:
Como se ha dicho, el sistema sensor del sistema medidor de fuerza prensil es una celda de
carga como la que se muestra en la figura 2, la cual pertenece a la casa SCAIME
(www.scaime.com). Corresponde al modelo AG de 5 a 100Kg.
Figura 2
El funcionamiento interno de la celda de carga es muy simple, dispone de un puente de
resistencias que varia la señal a la salida tras ejercer presión sobre la celda, debido a una
deformación de las resistencias que forman el puente. La variación de tensión a la salida es
proporcional a la fuerza ejercida.
La celda de carga esta formada por 6 hilos, a continuación se muestra cual es la función de
cada uno de los hilos.
+ SENSE
- SENSE
+ IN
- IN
(gris)
(rosa)
(marrón)
(verde)
Reservado para medida a cuatro hilos.
Reservado para medida a cuatro hilos.
Alimentación positiva de la celda (9 v).
Alimentación negativa de la celda (0 v).
+ OUT
(amarillo)
- OUT
(blanco)
SHIELD
(ama-verde)
Sistema de comunicación:
Salida de señal positiva.
Salida de señal negativa.
Conexión a GND.
Junto al instrumento se ha diseñado un sistema de transmisión de datos a PC, que permite
volcar al mismo los datos almacenados en la memoria del instrumento. Este volcado puede
realizarse tanto por cable como por radiofrecuencia. Una vez en el PC, los datos se almacenarán en
una base de datos empleando un software especialmente diseñado. Asimismo, este sistema permite
al instrumento trabajar online con el PC para realizar medidas de resistencia en tiempo real y
generar así gráficas de alta precisión.
El sistema de volcado de datos se compone de una parte hardware y una parte software. El
hardware está a su vez compuesto por dos módulos, uno transmisor (integrado en el instrumento de
medida) y otro receptor (autónomo) que se conecta al PC. Por otra parte, el software se compone de
una aplicación diseñada en Visual Basic que permite recibir y decodificar los datos procedentes del
instrumento, almacenarlos en una base de datos, gestionarlos y generar gráficas a partir de los
mismos. A continuación se describe brevemente cada una de las partes del sistema
Hardware
Módulo Transmisor
Se trata de un pequeño circuito que se integra en el instrumento de medida, y que es capaz
de acceder directamente a la memoria del mismo a través del bus I2C una vez el micro del módulo
de control del instrumento ordene la transferencia de datos a PC. El núcleo del módulo es un
microcontrolador modelo PIC16F873A de Microchip. Mediante un único bus de 5 hilos se conecta
al módulo transmisor, del que obtiene alimentación y acceso a datos. Para implementar la conexión
por cable, dispone de un adaptador TTL-RS232 modelo MAX232. Además, dispone de un
transceiver de radiofrecuencia XTR869 de Aurel, que permite transferir datos de manera
inalámbrica.
El microcontrolador es el encargado de proceder a la transferencia de datos una vez lo
ordene el micro del instrumento. Asimismo, implementa un protocolo completo para conseguir una
comunicación por radio fiable, incluyendo control de flujo y control de errores mediante CRC.
En la figura se muestra un diagrama de bloques:
DIAGRAMA
Módulo receptor
MONTAJE Y AJUSTE:
Sistema medidor:
Atendiendo al esquemático del sistema medidor, se han de montar todos los componentes,
los cuales se enumeran a continuación:
CANTIDAD
REFERENCIA
DESCRIPCIÓN
VALOR
2
3
2
2
2
2
1
2
9
1
1
2
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
1
1
C1,C2.
C3,C4,C5
C6,C8.
C7,C8.
D1,D2.
D3,D4.
POT1
Q1,Q2
R1,R12… R19.
R2
R3
R4,R5.
R6.
R7,R8.
R9
R10
R11
R20
R21
R22
R23
SW1
TEC1
U1… U4
Y1
1
2
3
16F877
24LC64
Condesador
Condesador
Condesador
Condesador
Diodo.
Diodo.
Potenciómentro.
Transistor.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Resistencia.
Swith
Swith
Conectores
Cristal
Regulador de tensión
Regulador de tensión
Conector Batería.
Microcontrolador
Memoria
27pF
100nF
6,8nF
100 uF
1n4007
LED
10K
BC548
10K
200
12
100K
2K
3,3K
68K
1K
3,9K
1,8K
390
4,7K
Reset
Teclado
4.091Mhz
7809
7805
PIC16F877A
24LC64
Tras el montaje del sistema se ha de comprobar la correcta alimentación del mismo y evitar
que existan derivaciones a masa.
El PIC16F877 debe de ser cargado con el software necesario para el funcionamiento del
sistema, tras ello se ha de realizar una calibración correcta del sistema ajustando los potenciómetros
que regulan la tensión máxima de referencia del conversor A/D, la tensión mínima de referencia del
conversor A/D, y la ganancia a la entrada del conversor A/D. Para ello se ha de ejecutar la función
especial de calibración de que dispone el sistema medidor (pulsando 5 + 1 + 5), con lo cual se podrá
observar a la vez, el valor que se obtiene al la salida del conversor y el valor en Kg, interpolado.
Celda de carga:
Para el correcto funcionamiento de la celda de carga, se le debe de realizar una adaptación
consistente en incorporar dos barras metálicas, una en la parte superior y otro en la parte inferior de
la celda. De este modo se consigue que al realzar fuerza sobre las barras de metal, éstas ejerzan, a su
vez, la fuerza de un modo correcto sobre la celda de carga tal y como indica el ‘datasheet’. La
siguiente figura muestra un esquema de montaje.
Placa superior
Tornillos de
sujeción.
Tras la colocación de las dos placas, es necesario recubrir el conjunto de celda y placas de
un material que haga agradable la empuñadura del sensor. La siguiente figura muestra el resultado
tras cubrir la celda de carga de un material acolchado de cuero.
Módulo de transmisión:
CARACTERÍSTICAS:
Sistema medidor:
Una vez realizado el montaje del sistema, introducido el software y realizada una correcta
calibración, ya se encuentra el sistema preparado para ser utilizado.
A continuación se muestran todas las características de que dispone el sistema medidor de
fuerza prensil.
La siguiente tabla muestra las funcionas de las diferentes teclas:
TECLA
FUNCIÓN
1,2,3,4,5,6,7,8,9,0
'blanca'
A
B
C
D
1+5+9
5+ 1 + 5
3 + A+ B
punto (.)
Introducción de dígitos al sistema.
Tecla de validación. Continuar.
Ejercicio Fuerza Media
Ejercicio Fuerza Máxima
Ejercicio On - Line.
Consulta de Datos.
Borrado completo de memoria externa.
Acceso al modo especial de calibración.
Transmisión de datos a PC.
Tecla de cancelación. Salida.
Tras un inicio del sistema, el usuario deberá de introducir un código valido de dos dígitos,
comprendido entre el 01 y el 99, tras ello se llega al menú principal de selección de opción.
Los diferentes ejercicios se realizan pulsando sus correspondientes teclas de activación, tras
la pulsación de la tecla correspondiente a un ejercicio, el sistema permanece a la espera de que se
ejerza presión sobre el sensor para comenzar con la ejecución del ejercicio.
El ejercicio de fuerza media tiene una duración de 30 s, y el ejercicio de fuerza máxima una
duración de 5 s. Tras la ejecución de cualquiera de los ejercicios, el sistema pregunta al usuario si
desea almacenar los datos, si el usuario así lo desea, deberá validar pulsando la tecla ‘blanca’ y
validar también, posteriormente, una fecha con la que almacenar los datos.
Durante el ejercicio On-Line, el sistema comienza directamente a tomar medidas desde el
sensor de fuerza y a transmitirlas a PC. Es el PC el encargado de finalizar el ejercicio.
Durante la consulta de datos de memoria, es posible acceder a un dato anterior almacenado,
pulsando la tecla ‘blanca’, o bien, salir al menú principal pulsando la tecla ‘putno’.
Esquema electrónico del sistema medidor de fuerza prénsil.