Termômetro Digital
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA Termômetro Digital Alekson Sales Rhaiscya de Matos NATAL, RN 2011 Sumário 1. Introdução .......................................................................................... 3 2. Componentes ...................................................................................... 4 3. Diagrama de Blocos do Termômetro Digital .................................... 9 4. Dados da Experiência......................................................................... 9 5. Referencias ....................................................................................... 11 Anexo ...................................................................................................... 12 2 1. Introdução Objetivo desse trabalho é colocar em prática os conhecimentos assimilados nas disciplinas de Circuitos Eletrônicos I, Circuitos Eletrônicos II, Laboratório de Eletrônicos e por fim Instrumentação Eletrônica que nos proporcionou conhecimento suficiente para desenvolver um projeto de algum instrumento de medição. Feita a escolha de trabalhar como medidores de temperatura, o professor orientador da disciplina (Prof. Luciano), recebemos a orientação para construir um termômetro digital que mostrasse a temperatura no final através de display de 7segmentos. 3 2. Componentes 2.1 Sensor de temperatura LM35 O circuito usual é bastante simples, necessitando apenas do sensor propriamente dito, um sistema amplificador de sinal e de uma interface que realize a leitura do sinal amplificado, quem sabe até mostrando um valor de temperatura diretamente em um visor ou display ou até mesmo disparando algum elemento eletrônico como, por exemplo, um transistor quando a situação for apropriada. O sensor LM35 é um sensor de precisão, fabricado pela National Semiconductor que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se encontrar no momento em que for alimentado por uma tensão de 4-20Vdc e GND, tendo em sua saída um sinal de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura, sendo assim, apresenta uma boa vantagem com relação aos demais sensores de temperatura calibrados em “KELVIN”, não necessitando nenhuma subtração de variáveis para que se obtenha uma escala de temperatura em Graus Celsius. O LM35 não necessita de qualquer calibração externa ou “trimming” para fornecer com exatidão, valores temperatura com variações de ¼ºC ou até mesmo ¾ºC dentro da faixa de temperatura de –55ºC à 150ºC. Este sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente precisa, fazendo com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples, barateando todo o sistema em função disto. Este sensor poderá ser alimentado com alimentação simples ou simétrica, dependendo do que se desejar como sinal de saída, mas independentemente disso, a saída continuará sendo de 10mV/ºC. Ele drena apenas 60μA para estas alimentações, sendo assim seu auto-aquecimento é de aproximadamente 0.1ºC ao ar livre. O sensor LM35 é apresentado com vários tipos de encapsulamentos, sendo o mais comum o TO-92, que mais se parece com um transistor, e oferece ótima relação 4 custo benefício, por ser o mais barato dos modelos e propiciar a mesma precisão dos demais. A grande diversidade de encapsulamentos se dá devido à alta gama de aplicações deste integrado. Algumas aplicações para o LM35: Termômetros para câmeras frias, chocadeiras etc; Controles de temperatura de máquinas; Aquisição de dados para pesquisas; Proteção para dispositivos industriais (motores, inversores, fontes); 2.2 Amplificador Operacional Aproximadamente 1/3 dos CI’s lineares são Amplificadores Operacionais (AmpOp). Isso decorre da necessidade de se ter um circuito amplificador de fácil construção e controle, e de boa qualidade. O Amplificador Operacional é um componente activo usado na realização de operações aritméticas envolvendo sinais analógicos. Os Amp Op são amplificadores que trabalham com tensão contínua tão bem como com tensão alternada. As suas principais características são: Alta impedância de entrada Baixa impedância de saída Alto ganho Possibilidade de operar como amplificador diferencial Um amplificador analógico é sempre representado como um triângulo em que um dos vértices é a saída. O gráfico mostra o diagrama esquemático de um Amplificador Operacional com seu modelo mais usual. +VCC e -VCC são as tensões de alimentação do amplificador operacional. Os amplificadores operacionais amplificam a diferença de tensão aplicada nas entradas V+ e V- VO=A (V+-V-) onde A representa o ganho de tensão do amplificador. O ganho pode atingir valores da ordem 10 5 a 106. 5 2.3 Conversor A/D O conversor analógico-digital (frequentemente abreviado por conversor A/D ou ADC) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital a partir de uma grandeza analógica, normalmente um sinal representado por um nível de tensão ou intensidade de corrente elétrica. Os ADCs são muito úteis na interface entre dispositivos digitais (microprocessadores, microcontroladores, DSPs, etc) e dispositivos analógicos e são utilizados em aplicações como leitura de sensores, digitalização de áudio e vídeo. Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, preparado para um sinal de entrada analógica de tensão variável de 0V a 5V pode assumir os valores binários de 0 (0000000000) a 1023 (1111111111), ou seja, é capaz de capturar 1024 níveis discretos de um determinado sinal. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 2,5V, por exemplo, o valor binário gerado será 512. Como os conversores são limitados em banda, ou seja, trabalham apenas em uma faixa específica de freqüência, normalmente [0,fN], onde fN representa o dobro da freqüência do maior sinal passível de ser adquirido (fN/2 - freqüência de Nyquist), normalmente utiliza-se um filtro passa-baixas com a finalidade de evitar que amplitudes de harmônicas de alta freqüência apareçam na entrada do conversor. Sinais gerados por circuitos analógicos são muitas vezes processados por circuitos digitais, por exemplo, por um microcontrolador ou por um microcomputador. Para processar sinais analógicos usando circuitos digitais, deve-se efetuar uma conversão para essa última forma, a digital. Tal conversão é efetuada por um Conversor Analógico-Digital ("A/D converter" ou ADC). O sinal recebido, depois de digitalizado, é processado e, na maioria das vezes, será utilizado para atuar sobre o circuito analógico que gerou o sinal original ou até mesmo sobre outro circuito. 6 Por isso, um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco funcional analógico, deve ser previamente convertido (ou reconvertido) para a forma analógica equivalente. Um sistema que aceita uma palavra digital como entrada e traduz ou converte o valor recebido para uma voltagem ou corrente analógica proporcional à entrada é chamado de Conversor digital-analógico ("D/A converter" ou DAC). Neste caso, quanto mais bits conter o sinal de entrada (digital), melhor será o sinal convertido (analógico), pois haverá maior precisão. O conversor utilizado foi o ADC0804, ele é capaz de converter uma amostra analógica em um valor binário de 8 bits. As saídas desse conversor estão localizadas nos pinos 11 a 18. O pino 2 disponibiliza os dados convertidos nos pinos 11 a 18. O pino 3 dá a ordem de início de conversão. O valor máximo da tensão de entrada é 5 V. 2.4 Codificador BCD O sistema numérico decimal é fácil de se usar devido à familiaridade. O sistema numérico binário é menos conveniente de se usar, pois, nos é menos familiar. É difícil olhar em número binário e rapidamente reconhecer o seu equivalente decimal. Por exemplo, o número binário 1010011 representa o número decimal 83. É difícil dizer imediatamente, por inspeção do número, qual seu valor decimal. Entretanto, em alguns minutos, usando os procedimentos descritos anteriormente, podese prontamente calcular seu valor decimal. A quantidade de tempo que leva para converter ou reconhecer um número binário é uma desvantagem no trabalho com este código, a despeito das numerosas vantagens de "hardware". Os engenheiros reconheceram este problema cedo, e desenvolveram uma forma especial de código binário que era mais compatível com o sistema decimal. Como uma 7 grande quantidade de dispositivos digitais, instrumentos e equipamentos usam entradas e saídas decimais, este código especial tornou-se muito difundido e utilizado. Esse código especial é chamado decimal codificado em binário (BCD - binary coded decimal). O código BCD combina algumas das características dos sistemas numéricos binário e decimais. O CI 74185 é responsável por decodificar os dados binários em BCD. Para o processo de conversão, é necessário uma combinação de 3 Ci, dessa forma foi feita a decodificação de 8 bits. 2.5 Display de 7-segmentos Um display de sete segmentos é um tipo de display (mostrador) barato usado como alternativa a displays de matriz de pontos mais complexos e dispendiosos. Displays de sete segmentos são comumente usados em eletrônica como forma de exibir uma informação numérica sobre as operações internas de um dispositivo. Um display de sete segmentos, como seu nome indica, é composto de sete elementos, os quais podem ser ligados ou desligados individualmente. Eles podem ser combinados para produzir representações simplificadas de algarismos arábicos. Freqüentemente, os sete segmentos são dispostos de forma oblíqua ou itálica, o que melhora a legibilidade. Dentre os números, 0, 6, 7 e 9 podem ser representados por dois ou mais glifos em displays de sete segmentos. Os sete segmentos são dispostos num retângulo com dois segmentos verticais em cada lado e um segmento horizontal em cima e em baixo. Em acréscimo, o sétimo segmento bissecta o retângulo horizontalmente. Também existem displays de quatorze segmentos e de dezesseis segmentos (para exibição plena de caracteres alfanuméricos; todavia, estes têm sido substituídos em sua maioria por displays de matriz de pontos. 8 Os segmentos de um display de sete segmentos são definidos pelas letras de A a G, conforme indicado à direita, onde o ponto decimal opcional DP (um "oitavo segmento") é usado para a exibição de números não-inteiros. A animação à esquerda passa pelos glifos comuns dos dez numerais e seis "letras-dígito" em hexadecimal (A–F). A variação entre letras maiúsculas e minúsculas para A–F é feita para que cada letra tenha uma forma única e inequívoca. Os sinais que chegam a ele são recebidos por resistores de valor equivalente a 100 Ω. 3. Diagrama de Blocos do Termômetro Digital 4. Dados da Experiência Os valores obtido com a implementação do esquema q está em anexo foram os seguintes: Tensão na saída do sensor LM35 (mV) Temperatura °C 280 28 290 29 300 30 9 310 31 320 32 10 5. Referencias Tocci, Ronald J.; Widmer, Neal S. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Editora LTC. 7ª edição, 2000 http://www.datasheetcatalog.com http://www.wikipedia.org/ http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/73/37/ http://www.icea.gov.br/ead/anexo/21401.htm 11 Anexo Esquema Termômetro Digital Componente Valores R1 18kΩ R2 2k2Ω R3 10kΩ R4 100Ω C1 150nF 12
