INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA. UFRN - DEE Rodrigo Marques de Melo Santiago

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1 INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA UFRN - DEE Rodrigo Marques de Melo Santiago rodrigommsantigo@yahoo.com.br

2 2 Objetivo Desenvolvimento de um circuito eletrônico capaz de medir e mostrar a temperatura ambiente em quatro instantes diferentes e calcular e mostrar a média em displays de sete segmentos.

3 3 Diagrama de Blocos Ente Físico Temperatura Sensor (Temperatura Sinal Elétrico) Ganho e Compensação Conversão A/D Processamento do Sinal IHM (Displays de 7 Segmentos)

4 4 Sensor Elétrico de Temperatura NTC (Negative Temperature Coefficient) Termistor; Semicondutor; Baixo custo; Coeficiente negativo de resistência elétrica com a temperatura; Utilizados para medidas entre -50 C e +300 C.

5 5 Aplicações Tanto os RTDs quanto os termistores são amplamente utilizados em diversos ramos, como exemplo em: Sondas de temperatura para aplicações industriais; Aparelhagem médica; Eletrodomésticos; Instrumentação para investigação científica; Telecomunicações; Aplicações militares; Etc. Sua escolha está baseada principalmente em: Precisão na temperatura a ser caracterizada (precisão de décimos ou centésimos de grau Celsius); Baixo custo; Fácil aplicação.

6 6 NTC Figura 1 Aspecto físico do termistor NTC com encapsulamento de epóxi.

7 7 NTC Comportamento Não-Linear Figura 2 Comportamento da resistência elétrica do NTC

8 8 NTC Comportamento Não-Linear R Ae B T Onde, R é resistência elétrica do termistor à temperatura absoluta T, e A e B são constantes características do termistor.

9 Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico 9

10 10 Projeto do Compensador Analógico v o A v. v in1 in2

11 11 Projeto do Compensador Analógico Conversor Analógico Digital ADC0804 da National Semiconductor Tensão máxima de entrada: 5 V Números de combinações com 8 bits: 2 8 = 256 Resolução = 5 V / 256 = 19,5 mv A partir de algumas medidas em torno de 25 C (faixa linear) através do medidor de temperatura do multímetro ET-2082A da Minipa que utiliza como sensor um termopar tipo K, obteve-se a seguinte equação para v in1 : v in 1 0,14T 6,4 T V in1 20 C 3,6 V 25 C 2,9 V 26 C 2,76 V

12 12 Projeto do Compensador Analógico T = 1 C v o = 0,0195 V T = 2 C v o = 0,039 V v o = -A.v in1 +v in2 v o = -A.(-0,14.T + 6,4) + v in2 0,0195 = -6,26.A + v in2 (I) 0,039 = -6,12.A + v in2 (II) Resolvendo o sistema entre as equações I e II, obtém-se: A = 0,14 v in2 = 0,896 V v o = -0,14.v in1 + 0,896

13 13 Projeto do Compensador Analógico O potenciômetro R3 deve ser ajustado para que a tensão na entrada não-inversora do amp-op seja tal que quando multiplicada por 1,14 (1 + Rf/Ri) seja igual a 0,896 V.

14 14 Conversor A/D ADC0804 O resistor de 10 kω e o capacitor de 150 pf juntos com o circuito interno de geração de clock produzem o mesmo a uma freqüência de 606 khz, sendo o tempo de conversão de aproximadamente 100 μs. Os bits são obtidos paralelamente nas saídas dos pinos 11 ao 18. O controle manual pode ser feito através dos pinos 2 e 3: Pino 2: RD (Leitura) Disponibiliza os dados convertidos nos pinos 11 ao 18. Para iniciar a leitura basta enviar nível lógico 0; Pino 3: WR (Escrita) Dá a ordem de início da conversão. Para iniciar a conversão basta enviar nível lógico 0.

15 Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico 15

16 16 Registrador de Deslocamento CI Flip-flop tipo D Para cada bit foi utilizado um CI conectando a saída de um flip-flop na entrada do seguinte, ou seja, cada CI corresponde a um registrador de um bit para quatro instantes.

17 17 Clock T = tc + td = 0,693RC + 0,693RC T = 1,386 RC Para T = 30s: RC = 21,645 R = 47 kω C = 470 µf

18 Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico 18

19 19 Circuito Somador CI somadores Total: 7 CIs; O arranjo de somadores fornece uma soma composta por 10 bits. Como a média que quer se fazer é de 4 valores (2 2 ), basta deslocar 2 bits, enviando para o próximo estágio apenas os 8 bits mais significativos.

20 Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico 20

21 21 Conversão Binária / BCD O próximo estágio é constituído por CIs do tipo que têm como função converter os oito bits de cada temperatura mais os da soma em 8 bits codificados em BCD. Para realizar esta conversão, montou-se 5 arranjos usando 3 CIs cada conforme mostra a figura.

22 Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico 22

23 23 Conversão BCD / Sete Segmentos Como não se pretende medir temperaturas muito elevadas que exijam mais de dois dígitos, só serão utilizados os oito bits de saída menos significativos, quatro para um display e quatro para outro. Para isso, estes devem passar pelo CI SN74LS47 para serem codificados de BCD para sete segmentos.

24 24 IHM - Displays A partir daí, os bits podem ser enviados para os displays do tipo catodo-comum, totalizando 10, 2 para cada medição, incluindo a média. Os sinais que chegam aos displays são recebidos por resistores de 820 Ω para que os leds não queimem e acendam com um brilho razoável.

25 25 Referências [1] Uyemura, John P., Sistemas Digitais: Uma abordagem integrada, Pioneira Thomson Learning, São Paulo, [2] Capuano, Francisco Gabriel e Idoera, Ivan Valeije: Elementos de Eletrônica Digital, 26ª edição, Érica, São Paulo, [3] Guadagnini, Paulo H. e Barlette, Vania E.: Um termômetro eletrônico de leitura direta com termistor, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 27, n. 3, p , [4] Junior, Bertoni dos Santos e Araujo, Patrick: Relatório de Laboratório: Termômetro Concepção, Disciplina Sistemas Digitais II, UFSJ, outubro, [5] Souza, Gustavo Rodrigues de: Termistores NTC e PTC, Engenharia Elétrica, UFPR. [6] Datasheets dos CIs LM741, ADC0804, 74173, 74283, SN74LS47, diversos fabricantes. [7] Características de funcionamento do conversor A/D ADC0804 de 8 bits.