INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA

UFRN - DEE

Rodrigo Marques de Melo Santiago

rodrigommsantigo@yahoo.com.br

Objetivo

• Desenvolvimento de um circuito eletrônicocapaz de medir e mostrar a temperaturaambiente em quatro instantes diferentes ecalcular e mostrar a média em displays de setesegmentos.

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Diagrama de Blocos

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Sensor(Temperatura Sinal Elétrico)

Ganho e Compensação

Conversão A/DProcessamento

do SinalIHM

(Displays de 7 Segmentos)

Ente Físico Temperatura

Sensor Elétrico de Temperatura

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• NTC (Negative Temperature Coefficient)

Termistor;

Semicondutor;

Baixo custo;

Coeficiente negativo de resistência elétrica com atemperatura;

Utilizados para medidas entre -50 °C e +300 °C.

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.

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NTC

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

NTC – Comportamento Não-Linear

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Figura 2 – Comportamento da resistência elétrica do NTC

NTC – Comportamento Não-Linear

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TB

AeR

Onde, R é resistência elétrica do termistor àtemperatura absoluta T, e A e B são constantescaracterísticas do termistor.

Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico

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Projeto do Compensador Analógico

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21. inino vvAv

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Projeto do Compensador Analógico

• Conversor Analógico Digital

ADC0804 da National Semiconductor

Tensão máxima de entrada: 5 V

Números de combinações com 8 bits: 28 = 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 vin1:

T Vin1

20 °C 3,6 V

25 °C 2,9 V

26 °C 2,76 V

4,614,01 Tvin

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Projeto do Compensador Analógico

• T = 1 °C vo = 0,0195 V

T = 2 °C vo = 0,039 V

• vo = -A.vin1+vin2 vo = -A.(-0,14.T + 6,4) + vin2

• 0,0195 = -6,26.A + vin2 (I)

0,039 = -6,12.A + vin2 (II)

• Resolvendo o sistema entre as equações I e II, obtém-se:

A = 0,14

vin2 = 0,896 V

vo = -0,14.vin1 + 0,896

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Projeto do Compensador Analógico

O potenciômetro R3 deve serajustado para que a tensão naentrada não-inversora do amp-opseja tal que quando multiplicadapor 1,14 (1 + Rf/Ri) seja igual a0,896 V.

Conversor A/D ADC0804

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O resistor de 10 kΩ e ocapacitor de 150 pF juntos com ocircuito interno de geração declock produzem o mesmo a umafreqüência de 606 kHz, sendo otempo de conversão deaproximadamente 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 leiturabasta enviar nível lógico 0;

Pino 3: WR (Escrita) – Dá a ordem de início da conversão. Para iniciar a conversão basta enviarnível lógico 0.

Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico

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Registrador de Deslocamento

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CI 74173Flip-flop tipo D

Para cada bit foi utilizado umCI conectando a saída de umflip-flop na entrada do seguinte,ou seja, cada CI corresponde aum registrador de um bit paraquatro instantes.

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Clock

T = tc + td = 0,693RC + 0,693RC

T = 1,386 RC

Para T = 30s:

RC = 21,645

R = 47 kΩ

C = 470 µF

Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico

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Circuito Somador

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CI 742834 somadores

• Total: 7 CIs;

• O arranjo de somadores forneceuma soma composta por 10 bits.Como a média que quer se fazer éde 4 valores (22), basta deslocar 2bits, enviando para o próximoestágio apenas os 8 bits maissignificativos.

Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico

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Conversão Binária / BCD

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O próximo estágio é constituído porCIs do tipo 74185 que têm como funçãoconverter os oito bits de cadatemperatura mais os da soma em 8 bitscodificados em BCD. Para realizar estaconversão, montou-se 5 arranjos usando3 CIs cada conforme mostra a figura.

Diagrama de Blocos do Circuito Elétrico

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Conversão BCD / Sete Segmentos

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Como não se pretende medirtemperaturas muito elevadas que exijammais de dois dígitos, só serão utilizadosos oito bits de saída menos significativos,quatro para um display e quatro paraoutro. Para isso, estes devem passar peloCI SN74LS47 para serem codificados deBCD para sete segmentos.

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IHM - Displays

A partir daí, os bits podem ser enviados paraos displays do tipo catodo-comum, totalizando10, 2 para cada medição, incluindo a média.

Os sinais que chegam aos displays sãorecebidos por resistores de 820 Ω para que osleds não queimem e acendam com um brilhorazoável.

Referências• [1] Uyemura, John P., “Sistemas Digitais: Uma abordagem integrada”, Pioneira Thomson

Learning, São Paulo, 2002.

• [2] Capuano, Francisco Gabriel e Idoera, Ivan Valeije: “Elementos de Eletrônica Digital”, 26ª edição, Érica, São Paulo, 1997.

• [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. 369 – 375, 2005.

• [4] Junior, Bertoni dos Santos e Araujo, Patrick: “Relatório de Laboratório: Termômetro –Concepção”, Disciplina Sistemas Digitais II, UFSJ, outubro, 2003.

• [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. http://www.rogercom.com/pparalela/ConversorADC0804.htm

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