Faculdade SENAI de Tecnologia Automação Industrial
Controlador de Temperatura com Histerese e Monitoração Digital Felipe Campos dos Santos, lipecs@gmail.com Luciano Koligoski, luciano-lks@brturbo.com.br
RESUMO Nesse artigo demonstraremos o funcionamento de um circuito analógico que controla a temperatura de forno através de um sensor LM35 que através de amplificadores operacionais manterá a temperatura numa faixa de HISTERESE constante em função do tempo. Os valores analógicos de temperatura serão convertidos num sinal digital através de um conversor para ser possível o usuário ler visualizar a temperatura num display. O planejamento do circuito foi realizado no simulador ISIS Proteus e sua montagem prática foi feita no protoboard. Palavras Chave: Temperatura, Controle, Histerese.
ABSTRACT In this paper demonstrate the operation of an analog circuit which controls the temperature of the oven through a sensor that LM35 by operational amplifiers keep the temperature constant in the range of hysteresis function of time. The analog values of temperature are converted into a digital signal via a converter to be able to read the user to view a display temperature. The planning was conducted in the circuit simulator ISIS proteus and its practical installation was made in the protoboard. Keywords: Temperature, Control, Hysteresis.
1 Faculdade
de Tecnologia SENAI Porto Alegre. Porto Alegre, RS.
UNIDADE CURRICULAR: ELETRÔNICA
DATA: 15/06/2012
1. INTRODUÇÃO O controle de temperatura e feito através da leitura de valores de tensão na escala de mV do sensor LM35 que são amplificados por um amplificador operacional LM324 na faixa de V para ser possível fazer um comparação de valores de tensão em outra porta do mesmo amplificador para estabelecer um faixa de histerese onde serão comutados por relé a energização de uma resistência do forno elétrico e o cooler de resfriamento. Os valores de temperatura do LM35 serão convertidos para um sinal digital através do ADC0804 para ser possível ler o valores em graus Celsius num display de 7 segmentos. 2. OBJETIVO A intenção de projetar um circuito controlador de temperatura com histerese é poder aplicálo num forno elétrico industrial conforme figura 1 abaixo:
Figura 1 – Diagrama do Forno Elétrico
Este forno aquecerá até uma determinada temperatura é será resfriado por um exaustor, mas para que a temperatura não caia muito a resistência será seguidamente acionada para manter a o calor no forno. Isso será possível estabelecendo uma faixa de histerese onde a temperatura oscilará constantemente através de um controle analógico de amplificadores operacionais das leituras do sensor LM35.
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Dessa forma, planejamos um circuito no simulador ISIS conforme figura abaixo:
Figura 2- Esquema do Forno
Onde haverá um relé comutando o exaustor no NF e a resistência no NA conforme as leituras de temperatura do circuito analógico.
Paralelamente a isso o sinal analógico do sensor será convertido num sinal digital através do ADC0804LCN w dois decodificadores BCD para ser possível colocar valores em graus Celsius em dois displays de 7 segmentos conforme figura 3.
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Figura 3- Monitoração Digital
Figura 4 – Leitura do LM 35 e Oscilador do Conversor
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3. MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente devemos planejar a leitura dos valores de tensão do LM35 no simulador ISIS Proteus, pois o sensor nos fornece no seu pino 2 valores na escala de mV os quais não é possível fazer uma comparação num circuito de chaveamento de transistores que futuramente usaremos para a resistência e o cooler. Dessa forma usaremos um circuito amplificador para termos esses valores na escala de V para ser adequada a aplicação.
Figura 5 – Circuito Amplificador
Lembrando que nesse circuito é mantida a escala de leitura de temperatura de 1:1, pois inicialmente no LM35 a sua faixa de leitura -55mV a 150mv o que correspondia -55ºC a 15ºC , após a amplificação fica -55V a 150V o que corresponde a mesmo valor em Celsius no pino 1 do LM324. Abaixo é possível verificar esses dados na figura 5 do datasheet do LM35.
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Figura 6 – Datasheet LM35
3.1 Funcionamentos do Amplificador A leitura de temperatura do LM35 foi amplificada utilizando um circuito amplificador operacional não-inversor e foi utilizada a seguinte formula para calcular o resistor de feedback: (
)
(1)
Como o LM35 fornece leituras em mV e queremos valores decimais em V precisamos de um ganho de amplificação. Segundo manual do fabricante (referencia) o sensor fornece 0,01v por variação de graus celsius. Ou para 50 ºC, teremos 0,05V na saída do sensor. Como desejamos obter valores entre 50 a 80 ºC as medidas a serem monitoradas ficam em 0,05 ,08 volts. Para melhor monitoramento do sinal, escolhemos um ganho de 10 vezes. Um modelo de circuito amplificador de sinal pode ser obtido a partir de uma configuração de amplificador
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não inversor. Os cálculos de ganho de tensão em malha fechada será (1 + Rf/Re)=10, logo estabelecendo que Rf=R1 e Re=R2 e usando a leitura da figura 2 como exemplo Vi=440mV; (
)
( (
(2)
)
(3)
)
( 4) ( 5)
3.2- Circuito Comparador e Faixa de Histerese A fim de ser possível comutar o exaustor e a resistência numa faixa de temperatura constante foi elaborado um circuito amplificador comparador com um transistor funcionando como “chave” que foi parametrizado conforme os resistores R5 e R4 e R3 para possuirmos um oscilação de temperatura entre 50°C a 80°C onde o forno aquecendo até 80°C a resistência permanece ligada e imediatamente o exaustor é acionado resfriando o forno até 50°C onde a resistência ligará novamente.
Figura 7- Circuito de Histerese
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Sendo assim, demonstraremos como foi calculado os resistores a partir das tensões de entrada no pino 10 do U1:C de 5V e 8V conforme amplificação das leituras de 50°C e 80°C do LM35:
(6) Arbitramos os resistor R40 para 10k e define Vin=10 pois é a alimentação do circuito (7) (
)
(8)
(
)
( 9) ( 10 )
Em seguida calculá-se R5 pelo método de divisor de tensão: ( 11)
( 12) ( ( (
)
(
)
( 13)
)
(
)
( 14)
)
(
)
( 15)
( (
)
(
)
( 16)
)
(
)
( 17)
3.3- Circuito de Chaveamento do Relé Visualizando a figura 2 podemos notar que definimos um transistor TIP122 para comutar o relé com ma bobina de 12V que aciona com uma corrente de 10A no coletor do TIP, assim como o ganho do TIP122 é de hfe=1000 a corrente de base será: ( 18 ) ( 19 ) ( 20 ) UNIDADE CURRICULAR: ELETRÔNICA
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Logo como na saída do amplificador comparador (figura 7) a tensão será sempre zero quando a temperatura for menor que 80°C não haverá corrente de base e nem de coletor no TIP122 alimentando-se assim a bobina do relé e contato NA estará fechado alimentando a resistência. Quando a temperatura for maior que 80°C haverá corrente de base e de coletor no TIP122, pois na saída do pino 8 do amplificador comparador teremos 10,8V com isso podemos calcular a resistência da base do transistor com a fórmula 21:
( 21 )
( 22 ) ( 23 ) Para cálculos da corrente no Resistor R9 estimou-s uma resistência de 3k3 ohms a fim de manter pelo menos uma queda de 5 volts nele para possuirmos uma tensão suficientemente alta para saturar o TIP122: ( 21 ) ( 21 )
( 21 ) ( 21 )
Assim com corrente de coletor diferente de zero passará corrente apenas pelo transistor e bobina do relé não estará mais acionada energizando o exaustor que está contato ao contato NF do relé.
3.4- Monitoração Digital Seguindo a lógica do diagrama da figura 8 abaixo para o funcionamento do circuito de modo geral
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Figura 8- Diagrama de Blocos do Circuito
De acordo com datasheet do conversor ADC0804 tem uma resolução de leitura 1,95mV que corresponde ao dobro da resolução do LM35 que é 1mV. Dessa forma, para aproximar o valor de leitura na conversão foi inserido uma tensão de referência entre as duas escalas de 0,75V.
Figura 9- Datasheet do ADC0804LCN
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Na atualização das saídas do conversor foi necessário também utilizar um oscilador 555 para trabalhar numa freqüência adequada ao olho humano para que não haja atraso na visualização dos valores no display ou mudanças muito rápidas quando há variações na temperatura: Assim conforme datasheet do fabricante do CI 555 calculamos o tempo de alta(TH) e o tempo de baixa(TL) para descobrirmos a freqüência de trabalho: ( 24 ) ( 25 ) ( 26 ) ( 27 ) ( 28 ) ( 29 ) ( 30 ) ( 31 )
( 32 ) ( 33 ) Como o ADC0804 funciona convertendo sinais analógicos para digitais, foi preciso utilizar um decodificador binário BCD para display de 7 segmentos para visualizar os valores que o conversor nos fornecia. Paralelamente, o conversor possui 8 bits na sua saída e os decodificador 7447 possui 4 bits na sua entrada, logo conforme aparece na figura 3 são necessários 2 decodificadores para termos uma decodificação de 0 a 9 em valores decimais em cada display. Entretanto, o sinal de entrada no conversor não corresponde no exato instante ao mesmo valor mostrado no display, exaltando uma conversão não linear, por isso foi importante utilizar um oscilador 555 para não ocorrer mudanças muito lentas ou rápidas demais na decodificação, também seria possível fazer um mapeamento por um software de microprocessador para haver uma atualização de ponto a ponto na conversão mas não foi possível executar no circuito em questão. Seguindo a tabela de conversão dos datasheet do ADC0804:
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Tabela 1- Tabela de Conversão do ADC
Foi esquematizado o circuito como é possível visualizar nas figuras 3 e 4, associando esses dados com a tabela verdade do 7447 para display ânodo comum:
Tabela 2- Tabela Verdade do Decodificador
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4. RESULTADOS O circuito analógico de controle de temperatura funcionou conforme planejado quando foi montado no protoboard e a faixa de histerese entre em 50ºC e 80ºC comutou corretamente um LED que simulou a resistência do forno e um cooler de processador num relé 12VDC NA\NF com comum. Entretanto a monitoração digital com decodificador BCD de 7 segmentos co valores decimais de 0 a 15 apenas mostrou valores próximos da leitura do sensor de temperatura na primeira contagem de 0 a 9 graus Celsius no primeiro display do dígito menos significativo, pois após esses valores os caracteres não eram correspondiam mais a leitura do sensor LM35 devidos a conversão do sinal não ocorrer de ponto a ponto no ADC0804. Portanto, apenas era possível visualizar valores entre 0 a 9 graus Celsius no display do circuito, pois a contagem dos valores seguiam em valores hexadecimais fugindo da escala de 1V para cada 1ºC.
5. CONCLUSÃO A resolução de 00 a FF projetada no circuito de monitoração digital surgiu a necessidade de elaborar uma lógica de decodificação binária diferente da disponível no circuito integrado 7447, ou seja, construir um tabela verdade com cada valor em graus Celsius correspondendo ao seu valor binário específico. Dessa maneira, simulando de forma análogo o circuito no protoboard não foi possível desenvolver essa lógica sem uma ferramenta de mapeamento dos valores por software. Entretanto, o circuito analógico para controle de temperatura do forno elétrico industrial funcionou conforme o planejado sem haver nenhuma dificuldade em manter a faixa de histerese constante ao longo do tempo.
6. REFERÊNCIAS [1] DATASHET LM35 FAIRCHILD. Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 [2] DATASHEET LM324 NATIONAL INSTRUMENTS Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 [3] DATASHEET ADC0804LCN NATIONAL INSTRUMENTS Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 [4] DATASHEET TIP122 FAIRCHILD Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 [5] DATASHEET 74LS47 TEXAS INSTRUMENTS Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 UNIDADE CURRICULAR: ELETRÔNICA
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[6] DATASHEET 555 FAIRCHILD Disponível em: <http:.www.alldatasheets.com.>. Acesso em: 10.Jun.2012 Felipe Canpos dos Santps é estudante no curso Superior de Automação Industrial na Faculdade de Tecnologia SENAI Porto Alegre. Atualmente, trabalha na empresa Logmaster na função de desenhistas técnica . Sua pesquisa está focada controle automático de instrumentos.
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Luciano Koligoski é estudante no curso Superior de Automação Industrial na Faculdade de Tecnologia SENAI Porto Alegre. Atualmente, trabalha na empresa Saturno na função de desenhista técnico . Sua pesquisa está focada controle automático de instrumentos.
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