TErmômetro Digital

UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA EGENHARIA ELÉTRICA JOSÉ ROBERTO MORAES ALMEIDA. .B995IF-9 RICARDO DOS DOS SANTOS SANTOS FIGUEIREDO C0515J-1

TERMÔMETRO DIGITAL  Atividade prática supervisionada supervisionada da diciplina Eletrônica Digital Digital

RIBEIRÃO PRETO 2017

UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA ENGENHARIA ELÉTRICA JOSÉ ROBERTO MORAES ALMEIDA. .B995IF-9 RICARDO DOS SANTOS FIGUEIREDO C0515J-1

TERMÔMETRO DIGITAL Atividade prática supervisionada da diciplina Eletrônica Digital

 Atividade Prática Supervisionada – APS, apresentado a UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA da cidade de Ribeirão Preto, como exigência parcial à obtenção do título de Bacharel no curso de Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Otávio Marson Júnior 

RIBEIRÃO PRETO 2017

UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA ENGENHARIA ELÉTRICA JOSÉ ROBERTO MORAES ALMEIDA. .B995IF-9 RICARDO DOS SANTOS FIGUEIREDO C0515J-1

TERMÔMETRO DIGITAL Atividade prática supervisionada da diciplina Eletrônica Digital  Atividade Prática Supervisionada – APS, apresentado a UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA da cidade de Ribeirão Preto, como exigência parcial à obtenção do título de Bacharel no curso de Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Otávio Marson Júnior 

BANCA EXAMINADORA:

UNIP - Universidade Paulista de Ribeirão Preto

UNIP - Universidade Paulista de Ribeirão Preto

UNIP - Universidade Paulista de Ribeirão Preto

RESUMO Conforme tema proposto para o desenvolvimento da Atividade Prática Supervionada (APS) do sétimo semestre do curso de engenharia elétrica do ano de 2017, o presente relatório descreve o processo de desenvolvimento, montagem e apresentação de um termômetro digital utilizando os conhecimentos adquiridos na disciplina de Eletrônica Digital. Seguindo as exigências do professor da disciplina, Prof. Dr. Otávio Mason Júnior, o circuito não utiliza microcontroladores e/ou microcontroladores, isto é, seus componentes se restringem a componentes passivos e circuitos integrados com funções específicas, para tanto, utilizamos o circuito de um voltímetro digital controlado por um sensor de temperatura. Palavras-chave: Termómetro. Digital. Voltímetro. Conversor.

ABSTRACT  According to the proposed theme for the development of the Seventh Semester of the Electrical Engineering of the Year of 2017, this report describes the process of developing, assembling and presenting a digital thermometer using the knowledge acquired in the discipline of Electronics Digital. Following the requirements of the teacher of the discipline, Prof. Dr. Otávio Mason Júnior, the circuit does not use microcontrollers and / or microcontrollers, that is, its components are restricted to passive components and integrated circuits with specific functions, for that, we use the circuit of a digital voltmeter controlled by a temperature sensor. Keywords: Thermometer. Digital. Voltmeter. Converter.

SUMÁRIO 1.

INTRODUÇÃO ................................................................................................... 11

2.

DESENVOLVIMENTO ....................................................................................... 13 2.1 Análise do problema proposto ..................................................................... 13 2.2 A escolha do sensor...................................................................................... 13 2.3 A escolha do circuito integrado ................................................................... 14 2.4 Análise detalhada dos principais componentes. ........................................ 16 2.4.1 Sensor de temperatura LM35 .................................................................... 16 2.4.2 Conversor DC/DC TC7660 ........................................................................ 17 2.4.3 ICL7107 conversor A/D com driver para display. ...................................... 18 2.4.3.1 Seção analógica ICL7107 ...................................................................... 18 2.4.3.2 Seção digital ICL7107 ............................................................................ 19

2.5 Esquema eletrônico do termômetro digital. ................................................ 20 2.6 Montagem, testes e apresentação. .............................................................. 21 2.7 Lista de materiais e custos. .......................................................................... 22 3.

CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 23

REFERÊNCIAs ......................................................................................................... 25

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1. INTRODUÇÃO Durante o primeiro bimestre do sétimo da disciplina Eletrônica digital foram aprofundados os conhecimentos sobre circuitos conversores Analógico/Digital (A/D) e Digital/Analógico (D/A). A Atividade Prática Supervisionada propõe o desenvolvimento de um circuito que aplique esses conhecimentos prévios além do uso de circuitos auxiliares como decodificadores, conteúdo abordado no semestre anterior.

12

13

2. DESENVOLVIMENTO 2.1 Análise do problema proposto  A temperatura é uma grandeza analógica, e para ser mensurada por um circuito eletrônico como um termômetro digital, a leitura das variações de temperatura depende de sensores capazes de converter essas variações em sinais elétricos de forma precisa e confiável, esses sinais por sua vez, precisam ser apresentados para leitura em interface compreensível. O circuito eletrônico capaz de ler a temperatura de forma fiável e reportar ao leitor em interface compreensível deve conter os seguintes elementos:

- SENSOR: Faz a leitura da temperatura ambiente e converte em tensão. - Converor A/D: Converte o nível de tensão analógica em um número binário. - DECODIFICADOR: Decodifica o número binário para o padrão BCD. - DISPLAY: Exibe em número decimal o número correspondente a temperatura lida. Figura 1 – Diagrama de bloco do circuito do termômetro digital DISPLAY SENSOR TEMP. TENSÃO

CONVERSOR

 

DECOD. BIN

A D

BCD

FONTE: O autor (2017)

2.2 A escolha do sensor O componente responsável pela primeira etapa do termômetro é o sensor, existem vários tipos verificou-se que após o sensor, responsável por converter a variação de temperatura em variação de tensão, existem várias tecnologias que realizam este trabalho, analisamos a comparação de três tipos de sensores, dois analógicos (termistor e LM35) e um digital DS18B20.

14 Tabela 1- Descrição estatística dos dados de temperatura dos três sensores.

Sensor Termistor  LM35 DS18B20

Média s s s 24,68 0,04 24,41 0,14 25,06 0,00

CV % 0,16 0,57 0,00

FONTE: http://www.uricer.edu.br/site/pdfs/perspectiva/151_587.pdf  (2017)

Considerando a melhor relação custo/benefício além do fácil acesso no mercado, verificamos que o LM35 atendia as necessidades do projeto proposto. Uma descrição mais detalhada do sensor será dada na seção 2.3. Conforme o diagrama de bloco verificou-se que após o sensor o circuito era equivalente a um voltímetro. Este faria a leitura da tensão a partir do sensor e a interface dessa leitura até a exibição do resultado no display.  A primeira solução considerada foi o uso de circuitos integrados dedicados para voltímetro, solução justificada pelo fato do circuito dedicado necessitar de menos componentes externos diminuindo o tamanho do circuito final, grande parte dos componentes passivos auxiliares já estão integrados na mesma pastilha do circuito integrado minimizando inconvenientes como possíveis variações nos valores e interferências eletromagnéticas.

2.3 A escolha do circuito integrado  Após análise dos circuitos integrados com função de voltímetro digital separamos dois principais a fim de comparar os prós e contras em cada um deles.  A primeira opção foi a utilização de um circuito de voltímetro com 2 C.I.s CA3161 e CA3162. O CA3162 é um conversor A/D de alta precisão e o CA3161

é um decodificador de sete segmentos. O circuito baseado nestes C.I.s tem uma quantidade mínima de componentes externos, já vem com uma interface simples para displays digitais de sete seguimentos onde todos são ligados a um mesmo barramento de 8 vias e selecionados por transistores que habilitam cada um deles através da alimentação do catodo comum. Os 3 dígitos são mostrados graças a capacidade ótica de retenção. Cada display é mostrado sozinho, mas temos a impressão de ver os 3 valores numéricos juntos.

15 Figura 2: Circuito básico de um termômetro digital baseado no C.I. CA3162

FONTE: http://www.circuitstoday.com/digital-thermometer-circuit (2017)

 A segunda opção analisada foi a utilização do C.I. dedicado para voltímetro digital ICL7107. FIGURA 3: Circuito básico de voltímetro digital com C.I. ICL7107

FONTE: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7106-07-07s.pdf  (2017)

O circuito com o ICL7107 integra o conversor A/D e o decodificador em um mesmo componente. Também utiliza poucos componentes passivos externos e uma interface própria para ligação com displays de sete seguimentos.

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O circuito baseado no CA3162 é mais simples e sofisticado, utiliza menos

componentes passivos e precisa apenas de uma fonte simples para alimentação. A desvantagem é a dificuldade de encontrar esses componentes no mercado nacional aumentando consideravelmente o custo do projeto. Já o circuito baseado no ICL7107 tem mais componentes passivos além de necessitar de um referencial negativo além da alimentação positiva, porém é um componente acessível no mercado nacional o que diminui consideravelmente o custo do projeto se comparado a opção anterior. Para o referencial negativo, necessário para o correto funcionamento do C.I., pode-se utilizar o conversor DC/DC LM7660 que com apenas 2 capacitores fornece -5 Vcc a partir de uma alimentação de +5Vcc.  Após a análise dos prós e contras optamos pelo circuito baseado no Circuito Integrado ICL7107. Seu funcionamento será descrito mais detalhadamente na próxima seção.

2.4 Análise detalhada dos principais componentes. Nesta seção faremos a análise mais detalhada de cada componente do projeto 2.4.1 Sensor de temperatura LM35  A série LM35 consta de sensores de temperatura cuja tensão de saída é linearmente proporcional à temperatura, em graus centígrados ou Celsius. FIGURA 4: Pinagem do sensor LM35

FONTE: http://blog.novaeletronica.com.br/lm35-o-sensor-de-temperatura-mais-popular/ (2017)

17 Os componentes da série LM35 não necessitam de nenhuma calibração externa ou ajuste para se obter uma precisão típica de 0,25°C na temperatura ambiente e de +:0,75°C na faixa de -55 a + 150°C. Possuem baixa impedância de saída, saída linear e calibração inerente precisa, que torna o interfaceamento com os circuitos de controle e leitura muito simples. Cada 1 grau corresponde a 10mV, seu consumo de corrente é de apenas 60 µA, o aquecimento de 0,1 °C ao ar livre. O LM35 opera na faixa de -55 a 150°C

2.4.2 Conversor DC/DC TC7660 Conversor DC a DC que inverte a voltagem e permite obter voltagens negativas a partir de voltagens positivas. FIGURA 5: Conversor DC/DC TC7660 encapsulamento PDIP

FONTE: http://www.microchip.com/wwwproducts/en/TC7660 (2017)

- Voltagem de saída -1.5 V a -12 V - Eficiência 98%, - Corrente típica de saída 20 mA, - Potência max. 730 mW

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2.4.3 ICL7107 conversor A/D com driver para display. O circuito integrado ICL7107 contém todos os elementos de um conversor A/D para excitação de mostrador de displays de 7 segmentos, capaz de controlar 4 displays exibindo número de 3 1/2 dígitos.  Além de um conversor analógico \ digital, estão incluído decodificadores de 7 segmentos, drivers de display, uma referência, e um clock. FIGURA 6: CONVERSOR A/D ICL7107 encapsulamento PDIP

FONTE: https://pt.aliexpress.com/w/wholesale-icl7107.html (2017)

- Possui uma alta precisão, quanto à leitura na entrada. - 1pA de corrente na entrada. - Possui um Drive de Display direto. - Baixo Ruído, menos de 15µVp-p. - Possui um clock interno e uma referência. - Baixa potência dissipada, menos que 10mW.

2.4.3.1 Seção analógica ICL7107 O ICL7107 Possui duas seções internas. A primeira dela é a seção analógica. Comporta circuitos de auto ajuste e amplificadores da leitura de tensão lida. Os principais elementos analógicos são circuito de Auto-zero, Integrador de sinal Desintegrador de sinal, Entrada diferencial e Referência diferencial.

19 FIGURA 7: Seção analógica interna do ILC7107

FONTE: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7106-07-07s.pdf  (2017)

2.4.3.2 Seção digital ICL7107  A seção digital é composta pelo conversor A/D, contadores, latch, decodificador BCD e drivers para 4 displays de 7 seguimentos. FIGURA 8: Seção digital interna do ILC7107

FONTE: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7106-07-07s.pdf  (2017)

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2.5 Esquema eletrônico do termômetro digital.  Após simulações no software Protheus, elaboramos o esquema eletrônico definitivo que integra os componentes descritos individualmente na seção anterior. FIGURA 9: Esquema eletrônico do termômetro digital.

FONTE: O autor (2017)

No esquema final seguimos basicamente o esquema descrito no datasheet do C.I. ILC7170. Consideramos um trimpot em um circuito divisor de tensão na ligação entre o circuito do voltímetro e o sensor de tempetarura LM35 a fim de permitir ajuste de calibração no valor lido.  Além dos 3 dígitos que apresentam o valor da temperatura com precisão de uma casa depois da vírgula, acrescentamos mais 2 displays para indicar a unidade de graus Ceucius (ºC).

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2.6 Montagem, testes e apresentação. Para melhor compreensão e exposição do circuito, optamos pela apresentação montada em protoboard. IMAGEM1: Montagem do circuito do termômetro digital

FONTE: O autor

Optamos por ligar o sensor de temperatura LM35 ao circuito através de um cabo de aproximadamente 30 cm para permitir a leitura de temperaturas em ambientes variáveis sem provocar aquecimentos nos demais componentes do circuito. IMAGEM2: Medições de temperaturas variadas

FONTE: O autor

 Após calibragem a partir de um termômetro confiável, o projeto foi submetido a testes em superfícies com temperaturas variáveis. Apresenta um atraso de frações de segundos as temperaturas foram lidas e exibidas conforme esperado.

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2.7 Lista de materiais e custos. TABELA 1: Lista de materiais e custos

LISTA DE MATERIAIS TAG MODELO QTDE COMPONENTE 1 CI1 ICL7107 CIRCUITO INTEGRADO (DIP) 1 CI2 ICL7660 DISPLAY 7 SEGMENTOS DP1-DP5 HS5101BS 5 1 S1 LM35 SENSOR 1 RG1 LM7805 REGULADOR 1 D1 1N4001 DIODO 2 P1,P2 1K TRIMPOT

CAPACITOR

RESISTOR 1/8W

C1,C2,C6 100nF C3 10nF C4 470nF C5 220nF C7 100pF C8,C9 10uFx16v R1 10K R2 330R R3 1M R4 22K R5 47K R6 100K R7 270R R8,R9 56R FONTE: O autor

R$ UNIT

R$

7,98

7,98

1,82

1,82

1,71

8,55

5,58

5,58

0,72

0,72

0,08

0,08

0,98

1,96

3

0,09

0,27

1

0,06

0,06

1

0,71

0,71

1

0,24

0,24

1

0,09

0,09

2

0,12

0,24

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

1

0,05

0,05

2

0,05

0,1

TOTAL:

28,75

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3. CONSIDERAÇÕES FINAIS O circuito de voltímetro analógico incorpora e integra segmentos da eletrônica analógica e digital, a leitura de varrições de tensão é a base para se mensurar várias outras grandezas que puderem ser medidas e convertidas em tensão por sensores de tipos diversos.  A versatilidade e amplitude de aplicações para circuitos semelhantes que utilizem outros sensores permite que ao invés de temperatura possa se medir, intensidade luminosa, humidade, peso, corrente elétrica, etc.

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REFERÊNCIAS 

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/9945lm35-lm35a-lm35c-lm35ca-e-lm35d-sensores-de-temperatura-centigrados-de precisao-art2263 (2017)



http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7106-07-07s.pdf  (2017)



http://www.microchip.com/wwwproducts/en/TC7660 (2017)



http://blog.novaeletronica.com.br/lm35-o-sensor-de-temperatura-mais-popular/ (2017)