El objetivo principal de esta práctica de laboratorio es realizar un instrumento
electrónico que permita determinar la temperatura en grados centígrados de un cuerpo o el ambiente en que se encuentre el instrumento de medición, además que los alumnos se familiaricen con los circuitos electrónicos que se utilizaran en esta práctica, aprender el funcionamiento d el circuito integrado LM35 el cual será utilizado como sensor de temperatura.
Se conocerá la forma en que operan los convertidores señales digitales a señales analógicas (DAC, Digital to Analog Converter) y los convertidores de señales analógicas a señales digitales (ADC, Analog to Digital Converter). Además se aprenderá a diseñar con ayuda de un PIC16F873 y la programación de esta en lenguaje ensamblador , un termómetro digital para registrar la temperatura de 0ºC a 99ºC. En dos displays cátodo común.
En el presente trabajo se explica el diseño y desarrollo para la implementación de un termómetro digital, basado en el microcontrolador PIC16F873 el cual fue programado en lenguaje ensamblador para el buen funcionamiento del proyecto y la
utilización de un LM35 como sensor de temperatura. Y así en conjunto la construcción de un termómetro digital.
El termómetro es un dispositivo de medición de temperatura, etimológicamente hablando la palabra termómetro viene del griego termo que significa caliente y metro que significa medir. Desde su invención el termómetro ha evolucionado de forma continua hasta los termómetros modernos que son electrónicos y utilizan sensores muy sensibles capaces de dar resultados con un grado de precisión muy alto. Un termómetro es un dispositivo utilizado para la medición de la temperatura, la invención del termómetro se le puede atribuir a Galileo Galilei, quien formulo un artefacto muy parecido a un termómetro de mercurio en el siglo XVI. En el siguiente documento se especifica el diseño y la construcción de un termómetro electrónico digital, para que sea llamado termómetro digital debe utilizar un termistor para medir Pág. 1
la temperatura, un micro controlador para convertir las señales de análogas a digitales y un display o pantalla para visualizar las lecturas del termistor.
La temperatura es un factor de medida engañoso debido a su simplicidad. A menudo pensamos en ella como un simple número, pero en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad pueden verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida.
Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado en cuyo interior se encuentra mercurio, el volumen del mercurio cambia con la temperatura de manera uniforme.
Pirómetros: este tipo de termómetro se utiliza para medir altas temperaturas se encuentran más que todo en las fundiciones, fábricas de vidrios, hor nos para cocción de cerámica, etc. Existen de varios tipos, según su principio de funcionamiento: pirómetro óptico, utiliza la ley de Wien de la radiación térmica la cual establece que el colora de la radiación varía de acuerdo a la temperatura. Pirómetro de radiación total, utiliza la ley de Stefan Boltazman el cual establece que la energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Pirómetros infrarrojos captan la radiación infrarroja, filtrada por un lente, mediante un sensor foto resistivo. Pirómetro fotoeléctrico, emplea el efecto fotoeléctrico, su perficie cuando sobre ella incide fenómeno por el cual se liberan electrones de una superficie una radiación térmica. Termómetro de lámina bimetálica: consiste de dos l áminas metálicas con coeficientes de dilatación muy diferentes y enrolladlos, dejando el de coeficiente más alto en el interior.
Termómetros a gas: son muy exactos, sirven para calibrar otros termómetros, pueden ser de dos clases de presión constante o de volumen constante. Termopar: también llamado termocupla este tipo de termómetro funciona utilizando la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales.
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Termistor: es un dispositivo que puede variar su resistencia eléctrica en función de la temperatura, un ejemplo de termistor es el LM35.
Termómetros digitales: esta clase de termómetro utiliza circuitos integrados para convertir en números o datos las variaciones de tensión de termistores como los mencionados anteriormente, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.
Para medir ciertos parámetros se emplean termómetros modificados, modificados, tales como: El termómetro de globo: para medir la temperatura radiante. Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro de una esfera de me tal hueca, pintada de negro de humo. La esfera absorbe radiación de los objetos del entorno más calientes que el aire y emite radiación hacia los más fríos, dando como resultado una medición que tiene en cuenta la radiación. Se utiliza para comprobar las condiciones de comodidad de las personas.
El termómetro de bulbo húmedo: para medir el influjo de la humedad en la sensación térmica. Junto con un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío. Se llama de bulbo b ulbo húmedo porque de su bulbo o depósito parte una muselina de algodón que lo comunica con un depósito de agua. Este depósito se coloca al lado y más bajo que el bulbo, de forma que por capilaridad está continuamente mojado. El termómetro de máxima: utilizado en meteorología.
Nuestra practica está dirigida a construir un termómetro digital, para cumplir con esto se hará una descripción de sus principios básicos, de su funcionamiento y de cada uno de los componentes de los cuales está conformado. Como ya lo habíamos mencionado antes un termómetro digital trabaja utilizando algún tipo de sensor sensible a la temperatura, para nuestro caso este sensor es el LM35, es un termistor, o sea que es un dispositivo que puede variar su resistencia eléctrica en función a la temperatura a la que es sometido, para que nuestro termómetro pueda clasificarse como digital, tiene que funcionar utilizando una señal Pág. 3
digital, y no con una señal análoga como lo es el caso de la señal se ñal que emite el sensor, necesitamos un dispositivo que sea capaz de convertir esta señal análoga a digital y este es el caso de un microcontrolador PIC16F873. Este es un dispositivo muy útil que es capaz de transformar cualquier tipo de señal análoga que reciba, “depende de cómo sea configurado” y transformarla en una señal
digital, y ¿para que se transforma en una señal digital?, resulta que la señal digital es más versátil y permite un trabajo más fácil en la electrónica, pues por dar un ejemplo para nuestro caso, esta señal digital hace posible que las variaciones de temperatura que son percibidas por el sensor, se puedan ver en forma de números a través de un display Hoy en día es muy fácil detectar las variaciones de temperatura usando sensores de temperatura. En el desarrollo de esta práctica se recurrirá al uso del circuito integrado LM35, el cual presenta una variación lineal de 10 mV por cada grado centígrado que detecte en el cambio de temperatura; además tiene la ventaja de que este circuito integrado solo consta de tres terminales, lo que facilita su uso. Y dentro
de sus inconvenientes están que este circuito integrado necesita permanentemente permanentemente de una fuente de voltaje de corriente directa, la cual puede variar desde 4 a 30 V., y el rango de temperatura de uso está restringido a un rango de - 55ºC a l50ºC. Pero
estás desventajas no son relevantes para cumplir con los objetivos indicados con anterioridad en la práctica.
Sensor
ADC
Binario BCD
Desplegado
10 mV/°C
10 bits
74LS48
Visualización
Fuente de Voltaje Pág. 4
Pág. 5
Como fue indicado, se va a utilizar un sensor LM35 para detectar los cambios de
temperatura, pero este dispositivo entrega variaciones de voltaje (10mV/ºC), es decir las variaciones continuas con respecto al tiempo del voltaje relacionado con los incrementos o decrementos de temperatura.
Para solucionar este inconveniente se tiene que recurrir a los convertidores de señal analógica a señal digital, pero se debe de ajustar para que funcione apropiadamente con el rango de temperatura deseado y en consecuencia el CAD se debe de operar
con la resolución correcta. La resolución para un CAD se puede indicar con cualquiera de las dos siguientes formulas:
(1)
Resolución = 2n
(2)
Resolución = 2 −1 Donde:
n: representa en número de bits.
V ifs : representa el voltaje de entrada a escala total. Para un ADC de 10 bits, que es el que se pretende utilizar, considerando un V ifs de 5Vcd, se tendría una resolución de:
1024, con la ecuación 1. Lo cual representa que una señal analógica se puede representar con l024 valores diferentes, dependiendo de la amplitud de la
señal.
Resolución = 2n
= 210 = 1024
4.88mV/LSB, con la ecuación 2. Ese valor representa el valor en amplitud de la señal analógica más pequeño que el ADC puede convertir a un código binario de 10 bits. Y las posteriores conversiones van a ser a múltiplos enteros de la resolución.
Resolución =
2 −1
=
5
= 4.887 mV/LSB
2 −1
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El nuevo problema que se tiene es que el valor de resolución del ADC no es múltiplo de la resolución del LM35, 10mV. Para solucionarlo se va a modificar el Vifs de 5Vcd a 2.56 Vcd y con esto se consigue que la resolución del ADC aumente a 2.5mV/LSB, que es múltiplo de 10 mV. Ya posteriormente hay que hacer una divis ión por 4 al valor convertido y se ajusta al valor deseado. Tenemos que calcular el valor de referencia VRef(+) y VRef(-) Datos: VRef(+) = 2.56 V VRef(-) = 0 N = 10
Resolución =
VRef (+)− VRef(−) 2 −1
=
2.56−0 2 −1
= 2.5 mV/LSB
Ahora:
Resolución =
Vi ó
=
320 mV
500 mV
650 mV
720 mV
980 mV
32010 2.5 10
= 128
128/4 = 32 0010000000 0000100000=32 200/4 = 50 0011001000 0000110010=50 260/4 = 65 0100000100 0001000001=65 288/4 = 72 0100100000 0001001000=72 392/4 = 98 0110001000 0001100010=98
0011 ---3 0101 ---5 0110 ---6 0111 ---7 1001 ---9
0010 ---2 0010 ---2 0101 ---5 0010 ---2 1000 ---8
32
52
65
72
98
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ML35:
es
un
sensor
de
temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es linealmente dependiente de la temperatura en grados centígrados. El LM35
no requiere ningún tipo de calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión ± 1,4 0C a temperatura ambiente y de ± 3.4 0C a lo largo del rango de uso de temperaturas que es de -55 a 150 0C. Este dispositivo es calibrado durante el proceso de producción. Este dispositivo presenta muchas ventajas, su salida lineal, su precisa calibración inherente de fábrica y su baja impedancia, hacen posible la creación de circuitos relativamente simples con este dispositivo.
El sensor que se utilizará será el transistor LM35DZ modelo TO-92, el cual es un sensor de
temperatura con buena precisión en escala Celsius. Éste dispositivo transforma la temperatura del ambiente en voltaje, del orden o rden de mV.
El LM35DZ entrega a la salida una resolución de 10mV por cada grado centígrado. Empleándolo solo sin ninguna configuración en especial, el dispositivo presenta un rango de medición de 2 a 150°C, como se muestra.
Esta configuración es la idónea para el proyecto pues solamente la utilizaremos para medir temperaturas hasta 99°C.
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El PIC16F873 es un microcontrolador con memoria de programa tipo FLASH, lo que representa gran facilidad en el desarrollo de prototipos y en su aprendizaje ya que no se requiere borrarlo con luz ultravioleta como las versiones EPROM sino, permite reprogramarlo nuevamente sin ser borrado con anterioridad. El PIC16F873 es un microcontrolador de Microchip Technology
fabricado en tecnología CMOS, su consumo de potencia es muy bajo y además es completamente estático, esto quiere decir que el reloj puede detenerse y los datos de la memoria no se pierden.
Cristal de 4 Mhz. un cristal de cuarzo montado
sobre un circuito electrónico, actúa como un circuito resonante, sintonizando a una frecuencia determinada que es la misma de la
del cristal, la función específica que desempeña este cristal en nuestro circuito es estabilizar la
señal, para facilitar su lectura. Principales características:
metálico.
74LS48 Este tipo de decodificador acepta
código BCD en sus entradas y proporciona salidas capaces de excitar un display de 7
segmentos para indicar indicar un dígito decimal. decimal. Es un decodificador de 4 líneas a 7 líneas. Entre sus especificaciones están:
Conduce un LED cátodo común mediante indicadores incandescentes, Voltaje: 5.25 V a 5.5 V, Rango de temperatura ambiente: 70 a 125 ºC , Corriente de salida baja (a to g): 2 a 6 mA, Corriente de salida baja BI/ RBO: 1.6 a 3.2 mA , Encapsulado DIP, 16 pines. Pág. 10
Entre otros materiales no sin importancia pero ya conocidos por todos nosotros se encuentran:
Capacitores de 33 pF Resistencias Varias Push Button Display de siete segmentos Potenciómetro de 20 KΩ
El termómetro digital está diseñado únicamente para funcionar con medidas exactas, es recomendable tratar de medir diferentes señales de temperatura para observar como varia la temperatura del clima. El profesor hizo pasar por el sensor LM35 un encendedor y el resultado se pudo observar en los display al aumentar los rangos de medida, con esto se pudo corroborar que q ue si funciono el termómetro digital.
Todos los termómetros y componentes tienen cierto
grado de error, por eso es importante conocer cuál es este grado y basarnos en promedios de los mismos para tener una mejor lectura en la temperatura. El termómetro realizado puede tener diferentes modificaciones para mejorar y ampliar su uso. Es decir, este modelo puede utilizarse para medir la temperatura de un ambiente y de cierta forma la temperatura corporal, pero con algunas modificaciones puede ampliarse su uso y calidad para diferentes zonas del cuerpo humano que suelen ser más complicadas. El poder utilizar en esta práctica un micro controlador nos facilitó bastante para poder llevar a cabo el circuito ya que si hubiéramos utilizado el circuito de forma análoga , hubiéramos requerido más componentes electrónicos y quizá se hubiera necesitado alimentar con más voltaje. Por otra parte
podemos decir que una desventaja del termómetro a base del sensor LM35 radica en que no es capaz d de e indicar una temperatura estable ya que por la sensibilidad del sensor este varía aunque sea muy poco y lo pudimos apreciar en las lecturas que tomamos. Este tipo de prácticas sirven de mucho ya que conocemos las características principales de los diferentes componentes que existen, además de
conocer la forma en como calcularlos, integrarlos y saber dónde usarlos. Gracias a esto ahora conozco el funcionamiento de un termómetro digital y la forma en que este se conecta para su uso. Pág. 11
En esta práctica con ayuda de un circuito integrado LM35, con los convertidores de señales digitales a señales analógicas y los convertidores de señales analógicas a señales digitales y con un pic16f873 diseñamos un termómetro digital que permita determinar la temperatura en escala centígrada, el uso del LM35 fue de fácil uso debido a que solo tiene 3 terminales, tuvimos que utilizar los convertidores de señal analógica a señal digital para operar con la resolución correcta, usamos usamos las formulas resolución= 2N y resolución=Vifs/2N resolución=Vifs/2N-1. Usamos un circuito integrado 74LS48 para poder transformar un valor binario a uno
en decimal y poder mostrar caracteres desde el numero 0 al 9 en un display cátodo común. El pic16f873 nos sirvió como convertidor analógico a digital de 10 bits. Ya armado todo el circuito solo se tenía que probar que la temperatura subiera o bajara dependiendo del LM35, se usó un encendedor para probar que la temperatura aumentara después de despegar el encendedor del LM35 la temperatura empezó a disminuir y quedo listo nuestro termómetro digital.
http://es.wikipedia.org/wiki/LM35 http://www.utp.edu.co/~eduque/arquitec/PIC16F873-v1.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador_de_cristal https://www.physics.rutgers.edu/ugrad/327/sn74ls48rev5.pdf
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