proyecto: sensor de temperatura
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
ESCUELA DE INFORMÁTICA
MEDIDOR DE
TEMPERATURA
Integrantes:
López Egusquiza, Charl
Pastor Cruzado, Eduardo
Sánchez Siccha, Celeny
Tung, Meihsiu
Valdivieso Castillo, Claudia
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 3
DESCRIPCIÓN DE MATERIALES .............................................................................. 4
COSTOS .................................................................................................................. 11
ESQUEMA CIRCUITAL............................................................................................ 12
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO....................................................................... 13
PROGRAMA ........................................................................................................... 136
CONCLUSIÓN ........................................................................................................ 167
INTRODUCCIÓN
La implementación de equipos digitales para controlar y sensar fenómenos
físicos es cada vez mayor y mucho más eficiente.
El desarrollo de estos equipos permite a la humanidad la investigación, el
avance industrial y pronosticar los fenómenos de la naturaleza.
Gracias a la baja complejidad de algunos de los circuitos, hemos logrado
desarrollar un prototipo medidor de temperatura capaz de sensar el nivel de
calor de ambientes controlados. Es importante destacar que en la actualidad este
circuito es básico en comparación con la tecnología moderna. Este proyecto tiene
como fundamento experimentar con el manejo de circuitos digitales y como
convertir la información analógica en un tipo de dato digital que el ordenador sea
capaz de procesar.
Además se ha implementado un programa capaz de abstraer los datos y
mostrarlos en pantalla como información entendible por el hombre. A través de
este circuito tomamos como objetivo analizar la transformación de la
información analógica a información digital, la cual facilita su utilización (a través
del ADC), que es el principio.
DESCRIPCIÓN DE MATERIALES
Multiplexor 74LS157
Un multiplexor es un circuito lógico combinacional que de ciertas entradas
de datos digitales, selecciona una para pasarla a la salida del circuito. Para
controlar qué datos van a pasar o cuales no, se dispone de una entrada
adicional llamada selector.
Lo que realiza este selector es controlar el enrutamiento de datos en un
determinado tiempo.
La figura 1 muestra el funcionamiento de un multiplexor.
Figura 1. Multiplexor.
El multiplexor utilizado en el proyecto es el modelo 74LS157 y es un
multiplexor cuádruple de dos entradas; es decir, contiene cuatro multiplexores
básicos de dos entradas que funcionan en paralelo dentro del CI. Esto permite
que las entradas pasen en grupos de 4 bits según la señal del selector.
Figura 2. Diagrama de bloque del MUX 74LS157
La entrada es un indicador de habilitación del CI activa en bajo; es decir
que enviando un 0 el CI se habilita, pero con un 1, las salidas de Z siempre son
cero.
Este bit no depende de S por lo que se inhabilita el CI sin importar su valor.
La entrada S es el bit selector que permite el paso de los bits A o los bits B
según su estado. Cuando está en 0 permite el paso de A y cuando está en 1
permite el paso de B. La tabla de verdad demuestra lo descrito:
S
1 x 0 0 0 0
0 1
0 0
Tabla 1. Tabla de Verdad de 74LS157.
ADC0804
Un convertidor analógico a digital es un circuito electrónico que realiza la
operación de convertir un valor analógico (voltaje continuo) a uno digital
(representado en binario pro 0’s y 1’s). Esta operación se realiza después de
cierto tiempo que la entrada analógica se ha recibido ya que la conversión es
muy compleja a realizar.
En el proyecto, por ejemplo, el voltaje de salida del sensor de temperatura
está en el orden de los 10mV por 1°C. Si tenemos una lectura de temperatura
entre los 800 y 1500mV, el ADC podría convertir esos valores analógicos en
valores binarios que varíen desde 01010000(80) hasta 10010110(150).
Ya que el proceso de conversión de un ADC es muy complejo se han
diseñado varios métodos para convertir un valor analógico a digital; sin
embargo, todos los ADC’s siguen el diseño del diagrama de bloque de la figura
3.
Figura 3. Diagrama de bloque de un ADC
El diagrama anterior muestra la composición general de todo ADC. Véase
que dentro del circuito se encuentra un convertidor digital a analógico (DAC)
que servirá como entrada al comparador.
La unidad de control mediante la señal de inicio comienza el proceso de
conversión.
El proceso en sí consiste en modificar en forma continua el número binario
que se almacena en el registro a una velocidad determinada por el reloj. El
DAC interno convierte el número binario del registro en el voltaje analógico
VAX, y el comparador lo compara con la entrada analógica real VA. Si VAX < VA
entonces la salida del comparador permanecerá en 1 indicando que aún no se
ha alcanzado un valor aproximado a VA y que el proceso de conversión debe
continuar. Cuando VAX exceda a VA en un valor predefinido como voltaje de
umbral (VT), la salida del comparador cambiará a 0 indicando que se ha hecho
una buena aproximación a VA y que el proceso de conversión debe detenerse.
Por tanto, el último valor que salió del registro como VA será el valor fianl de
conversión.
El modelo de ADC utilizado en el proyecto es un ADC de aproximaciones
sucesivas de modelo ADC0804. A diferencia de otros ADC’s, el de
aproximaciones sucesivas tiene un tiempo corto de conversión que también es
fijo e independiente de la entrada analógica que se esté manejando.
El diagrama de bloques del ADC de aproximaciones sucesivas es bastante
similar al de los ADC’s generales (ver figura 3) ya que utiliza un registro para
acceder al DAC ( a diferencia del de rampa digital que utiliza un contador).
La unidad de control modifica el contenido del registro bit a bit hasta que
los datos del registro sean equivalentes al valor analógico real de entrada VA.
El comparador realiza las comparaciones a vistas para la conversión de
acuerdo a su valor de salida.
Figura 4. ADC0804.
De la figura 6 podemos describir las características más importantes de
este CI:
VIN: Correspondiente a los pines 6 y 7 (positivo y negativo) que permiten
una entrada diferencial; es decir que el voltaje de entrada analógico real
se calcula como VIN(+) – VIN(-).
Como sólo contamos con una entrada analógica del sensor, el pin 7
se conecta a tierra.
El CI cuenta con conectores a tierra separados para voltajes
analógicos y voltajes digitales.
Aunque no es necesario utilizar una tierra analógica separada de la
digital, si lo hacemos nos aseguramos de evitar el ruido que la tierra
digital provoca debido a los cambios instantáneos de voltaje digital.
Vref/2: El voltaje de referencia se utiliza para cambiar la resolución del
convertidor. Nos referimos a resolución cuando especificamos un voltaje
límite de cambio entre salidas.
Por ejemplo, si la resolución es de 10mV, la salida digital
cambiará en 1 unidad cada 10mV.
Para calcular el voltaje de referencia según una resolución
deseada, multiplicamos la resolución por 256 (256 x 10mV = 2.56V). Sin
embarga, la entrada al pin 9 es la mitad de este valor; es decir 1.28V.
: Esta es la entrada de selección del chip; es decir, aquella que habilita
las conversiones y por ende el funcionamiento total del CI. Esta entrada
debe estar siempre en 0 para que el CI funcione.
: Entrada de lectura que habilita los bufferes de salida digital. El valor
de esta entrada debe estar en 0 para que se puedan leer los valores
digitales a todo momento por la PC.
: Entrada de inicio de conversión. Un valor cero aplicado a esta
entrada supone el comienzo del proceso de conversión del CI.
: Salida de fin de conversión. Esta salida cambiará a 1 cuando
comience una conversión y a 0 cuando finalice.
DAC0800
Un convertidor digital analógico es un dispositivo que recibe una
información digital en forma de una palabra de n bits, y la transforma en una
señal analógica. La transformación se realiza mediante una correspondencia
entre 2n combinaciones binarias posibles en la entrada y 2n tensiones (o
corrientes) discretas obtenidas a partir de una tensión de referencia (VREF). La
señal analógica así obtenida no es una señal continua, sino que se obtiene un
número discreto de escalones como consecuencia de la discretización de la
entrada.
Al pasar de una configuración digital a la siguiente, la salida analógica se
incrementa en un valor “q”, conocido como intervalo de cuantificación, es decir,
que a la variación de 1 LSB (bit menos significativo) le corresponde la mínima
variación analógica “q”. La función de transferencia de un DAC en general está
dada por:
Salida analógica = q . (Valor decimal de la palabra digital de entrada)
Existe varios tipos distintos de DAC’s, pudiéndose hacer una clasificación
inicial en la que se tenga en cuenta, por ejemplo, la forma de aplicar la
información digital a la entrada:
DAC en serie: Son aquellos en los que la información digital a convertir
es ingresada por una sola entrada, es decir, la información se transfiere
bit a bit. Estos dispositivos presentan una baja precisión y resolución,
motivo por el cual prácticamente han dejado de ser utilizados.
DAC en paralelo: La información digital de entrada se ingresa por
palabra o conjunto de n bits. Éstos poseen mayor velocidad de
conversión y mayor resolución que los DAC en serie.
En particular, en este proyecto se utilizara el DAC0800 que es un
convertidor digital analógico en paralelo de 8 bits.
ENTRADAS DIGITALES
Pines 12 11 10 9 8 7 6 5
Bits D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1
LSB MSB
LM35
El sensor de temperatura a usar en el proyecto es el modelo LM35. Este
sensor de temperatura trabaja variando el voltaje de acuerdo a la temperatura
y es casi linealmente proporcional a la escala Celsius ya que proporciona una
salida de voltaje en el orden de los 10mV por 1°C.
El rango de temperatura en la que el sensor puede funcionar normalmente
es de -55 a 150°C.
También cuenta con poco calentamiento interno (menos de 0.1°C) y acepta
voltajes de alimentación desde 4 hasta 30V.
El diagrama de bloque y de conexión (3 pines) se muestra en la figura 6.
Figura 6. LM35.
Puerto Paralelo
El puerto paralelo o puerto de impresora es la pieza de hardware de la PC
más simple que existe para la comunicación con el mundo exterior. Es un
dispositivo de E/S con un conector DB25 de 25 pines y una dirección de E/S
que varía de 0 x 378 a 0 x 37F.
Su principal característica es que realiza la lectura y/o escritura de bits en
paralelo; es decir, varios al mismo tiempo, un bit por cada pin. Para esto, se
utilizan tres registros de 8 bits que se representan por una combinación única
de pines y una dirección de E/S determinada. A continuación describiremos
los que se utilizaron en el proyecto.
Registro de Datos:
El registro de datos se utiliza para la escritura de bits al mundo exterior.
Los pines: +VS: Conexión a voltaje VOUT: Salida analógica GND: Conexión a tierra
Utiliza los pines 2 al 9 del conector DB25 y puede enviar datos de hasta 8
bits. La figura muestra la configuración de pines y los bits del registro.
REGISTRO DE DATOS
Pines 2 3 4 5 6 7 8 9
Bits D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
LSB MSB
La dirección de E/S de este registro corresponde a 0 x 378.
Registro de Estado:
El registro de estado es de sólo lectura, es decir, que ignora las salidas
que se le den, sólo acepta los bits que ingresen del exterior al puerto. La
configuración de pines y bits del registro es la siguiente.
REGISTRO DE ESTADO
Pines 11 10 12 13 15
Bits S6 S5 S4 S3
MSB LSB
Nótese que la entrada está negada, lo cual significa que inverte
cualquier valor que se ingrese.
La dirección de E/S de este registro corresponde a 0 x 379.
Los pines que no corresponden a ningún registro van conectados a tierra
y son del 18 al 25.
COSTOS
CANT. MATERIAL PRECIO
UNITARIO
PRECIO
TOTAL
1 Multiplexor 74LS157 S/. 1.50 S/. 1.50
2 Resistencia de 10K S/. 0.10 S/. 0.10
4 Resistencia de 4.7K S/. 0.10 S/. 0.40
1 Resistencia de 1K S/. 0.10 S/. 0.10
1 Condensador cerámico 150 pF S/. 0.20 S/. 0.20
1 Baquelita de 15 cm2 S/. 6.80 S/. 6.80
1 Baquelita de 10 cm2 S/. 3.50 S/. 3.50
1 Potenciómetro 250K S/. 1.00 S/. 1.00
1 Potenciómetro 10K S/. 0.50 S/. 0.50
5 Bases S/. 0.50 S/. 2.50
4 Estaño S/. 0.80 S/. 3.20
4 Botella de Ácido S/. 1.00 S/. 4.00
8 Led S/. 0.10 S/. 0.80
1 Conector DB25 hembra S/. 2.50 S/. 2.50
1 Plumón Indeleble S/. 2.50 S/. 2.50
1 Convertidor Digital-Analógico S/. 6.50 S/. 6.50
1 Amplificador Operacional LM741 S/. 1.00 S/. 1.00
3 Resistencia 5K S/. 0.10 S/. 0.30
3 Condensador 1 pF S/. 0.20 S/. 0.60
2 Condensador 0.1 µF S/. 0.20 S/. 0.40
1 Condensador 10 nF S/. 0.20 S/. 0.20
5 Borneras x 2 S/. 0.50 S/. 2.50
1 Diodo Zener S/. 0.50 S/. 0.50
8 Tarugos S/. 0.80 S/. 0.80
16 Tornillos para Tarugos S/. 1.20 S/. 1.20
1 Pulsador S/. 0.50 S/. 0.50
COSTO TOTAL S/. 44.10
ESQUEMA CIRCUITAL
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
1. Salida del Sensor de Temperatura LM35
En esta parte, el sensor cuenta con un voltaje de alimentación de 5V que
por cada variación de temperatura que se detecte, la salida variará en 10mV.
Esta salida correspondiente el pin 2 del componente, se conectará al
ADC0804 como se verá más adelante.
2. Conversión a Digital por el ADC0804
La parte más importante del circuito es la conversión del voltaje
correspondiente a la temperatura a un valor digital y esto ocurre en el
aDC0804 (ver figura 4).
La salida del sensor de temperatura se conecta al ADC0804 como voltaje
analógico de entrada. Este será el voltaje que se convertirá a un valor digital.
Como se quiere una precisión de 10mV por 1°C, debemos calibrar el
convertidor para que el valor binario que producida varíe en un bit por cada
10mV.
Para esto, debemos determinar la resolución a 10mV y calcular el voltaje
de referencia como sigue: 250 x 10mV = 2.56V.
Sin embargo, la entrada a Vref/2 es la mitad del voltaje de referencia
calculado; es decir 1.28V.
-12V
+12V
Salida
Analógica
Para obtener este valor, se conectaron 5V a la entrada de un potenciómetro.
Regulando la perilla y con la ayuda de un multímetro se pudo obtener 1.28V
para la entrada del voltaje de referencia del ADC.
Al ADC también se adicionaron una resistencia de 10kΩ y un condensador
de 150pF (a CLK IN y CLK OUT) para que se obtuviera una frecuencia de reloj
interno de 606 KHz y por ende una velocidad de conversión de 100μs.
El ADC cuenta con una señal de finalización de conversión y una de
comienzo de conversión .
Se puede aprovechar el hecho de que arroje un cero como señal de
finalización de conversión y que la misma se active otra vez cuando = 1.
Es por esto que conectamos ambos terminales para que el CI y las salidas
digitales siempre estén habilitadas.
Finalmente, las salidas de D0 a D7 (siendo D7 el MSB) representan el valor
digital de un voltaje que a su vez representa una temperatura en un tiempo
determinado.
3. Enrutamiento de Datos al Puerto Paralelo por el CI 74LS157
Una vez que se tenga el valor digital de la temperatura, es posible
direccionar estos bits hacia la PC. Para hacerlo se dispone del puerto paralelo
cuyos 25 pines describen los diferentes registros que este maneja, y que como
ya hemos visto, se utilizará el registro de estado para ingresar los bits del ADC.
Sin embargo, existe un inconveniente, sólo se permiten ingresar 5 bits a la vez
por el puerto paralelo.
Para solucionar este problema debemos enrutar los datos de tal manera
que por cada valor leído de 8 bits, la PC lea 4 bits MSB y 4 bits LSB.
Lograremos esto utilizando el multiplexor 74LS157 de la siguiente manera:
Se conectan los 4 bits MSB (D7 a D4), de la salida digital del ADC, a las
entradas de A0 a A3 del multiplexor; y los 4 bits LSB (D3 a D0) a las entradas de
B0 a B3 del multiplexor.
En consecuencia, cuando termina el ADC de convertir un voltaje analógico
del sensor, enviará los 8 bits de las salidas al multiplexor, el cual los
distribuirá en grupos de 4 bits (MSB y LSB).
Como sabemos, para seleccionar qué bits son los que pasarán por las
salidas del multiplexor se dispone de un bit selector S. Cuando está en 0
permite el paso de A y cuando están en 1 permite el paso de B.
Después que se especificaron las salidas del multiplexor se tienen que
conectar al puerto paralelo, específicamente, al registro de estado.
4. Lectura del Puerto y Entrada a la PC
Ya hemos visto cómo se disponen las salidas del multiplexor para que
ingresen al puerto paralelo.
Ahora, para lograr esto disponemos de un conector DB25 macho que se
conecta el extremo del conector a la PC y el otro extremo a los distintos pines
que se necesiten. Utilizaremos el registro de estado para ingresar los datos
hacia la PC y el registro de datos para enviar un 1 hacia el multiplexor como
señal de selección (pin 2 del dB25).
Recordemos que el registro de estado tiene 5 bits y uno de ellos está activo
en bajo (S7), por lo que tenemos que internamente eliminar uno (el último
LSB) y negar .
También debemos enviar una señal de selección desde la PC hacia el
multiplexor (pin 1 del 74LS157) para seleccionar bien sea las entradas A o B.
Para solucionar estos inconvenientes procedemos a describir el algoritmo
utilizado para obtener el valor real de conversión de 8 bits calculado por el
ADC0804.
Comenzamos enviando un cero por el pin 2 del DB25 hacia la señal de
selección del multiplexor para que los 4 bits MSB se puedan pasar hacia la
salida del MUX y por el puerto paralelo hacia la PC.
Una vez obtenido el valor de A (MSB) pasamos a eliminar la quinta
entrada, haciendo una operación AND 11110000(2) al valor obtenido por
el puerto 0 x 379 (registro de estado). De esta forma el valor leído de 8
bits quedará así ( S6 S5 S4 0 0 0 0).
Luego tenemos que cambiar el bit para que esté activo en alto. Para
lograr esto realizamos la operación XOR entre el resultado anterior y el
número 100000000(2). El resultado es (S7 S6 S5 S4 0 0 0 0).
El resultado anterior son los primeros 4 bits (MSB) de la lectura de la
temperatura. Para obtener los otros 4 bits correspondientes a B (LSB),
enviamos un 1 por el puerto 0 x 378 (registro de datos) hacia la señal de
selección del multiplexor. Luego leemos el valor enviado del puerto 0 x
379 (registro de estado).
Para B hacemos lo mismo que para A, aplicamos AND y XOR, pero al ser
este valor LSB tenemos que hacer un desplazamiento de bits hacia la
derecha y el resultados será: (0 0 0 0 S7 S6 S5 S4).
Ahora tenemos que sumar ambos valores de A y B para obtener el valor de
conversión o la temperatura leída en un determinado instante. Y el
resultado obtenido es (A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3).
PROGRAMA Public Class Form1
Private Sub Detener_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles Detener.Click
Timer1.Stop()
End Sub
Private Sub iniciar_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles iniciar.Click
Timer1.Start()
Timer1.Interval = 1000
ProgressBar1.Maximum = 0
ProgressBar1.Maximum = 255
End Sub
Private Sub Timer1_Tick(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles Timer1.Tick
Dim msb, lsb, temp As Integer
'para seleccionar el estado del multiplexor S=0 ->A
Out(Val("&H378"), Val("0"))
'se retorna los valores en decimal
lsb = (Str(Inp(Val("&H379")))) / 16
'para seleccionar el estado del multiplexor S=1 ->B
Out(Val("&H378"), Val("15"))
'se retorna los valores en decimal
msb = Str(Inp(Val("&H379")))
temp = msb + lsb
'temp = lsb
temtext.Text = temp 'msb + lsb
ProgressBar1.Value = temp
End Sub
End Class
CONCLUSIÓN
Con el presente proyecto se ha podido determinar que es relativamente
sencillo desarrollar un sistema de control de una variable física, mediante
materiales de bajo costo y con un conocimiento básico de la electrónica sobre
circuitos eléctricos.
También se ha comprobado que es posible digitalizar una variable física
continua en valores binarios discretos para entregar como resultado, mediciones
de mayor precisión.
El sensor de temperatura utilizado en el proyecto, varía su voltaje de salida
con respecto a la temperatura sensada. Esto da a conocer que dentro del
mecanismo del sensor, una resistencia interna varía conforme aumenta o
disminuye la temperatura, haciendo a su vez variar el voltaje de salida. De esta
manera comprobamos las propiedades de los termistores, o sensores de
temperatura cuyas resistencias varían con la temperatura.
Otro aspecto sujeto a comprobación es la capacidad de precisión por parte del
convertidor analógico a digital. Se ha comprobado que la entrada adicional de
voltaje de referencia no da más precisión que la definida por el sensor.
El valor del voltaje de referencia sólo disminuye la precisión del sensor y se
ajusta sólo para una concordancia con el mismo.