Medidor de Temperatura

5/10/2018 Medidor de Temperatura - slidepdf.com

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DOCUMENTACION DEL PROYECTO:

MEDIDOR DE TEMPERATURA



INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo se presenta toda la documentación del proceso que se llevó a cabo para

la elaboración del proyecto “medidor de temperatura.

El objetivo principal del proyecto es diseñar e implementar un sistema para medir la temperatura

ambiente, con precisión de 1 grado centígrado y que leer la lectura (en términos analógicos). Si

la temperatura sobrepasa en 3 grados la temperatura ambiente se activará un ventilador que se

energiza con 110 VAC.

En cuanto al circuito, se realizara mediante el uso del transductor LM35DZ, el cual convierte la

temperatura en voltaje, exactamente cada grado Celsius en 10mV, etapa la cual pasará a ser

amplificada para luego ser comparado con valores de voltaje de referencia, que son dados por

una columna de resistencias en serie.

Básicamente, el funcionamiento es sencillo, el transductor convierte la temperatura a voltaje,

que luego será amplificada, esta señal será comparada con voltajes de referencia establecidos,

por lo que al cambiar la temperatur,a el voltaje medido podrá sobrepasar algunos voltajes de

referencia y mandar a la salida un voltaje de saturación, el cual activará los indicadores que

utilizamos (LEDs).

Además, se podrá activar un dispositivo que funciona con 110 Vac (un ventilador, para nuestro

caso), esto, cuando el termómetro mida la temperatura más alta (7ºC superior a la temperatura

ambiente).

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA



Construir un termómetro digital por medio de amplificadores operacionales y un sensor de

temperatura, el cual debe de presentar los cambios de temperaturas por medio de una barra de

LEDs, en donde cada uno de ellos representa un rango de temperatura. Cuando se alcance la

temperatura máxima (7ºC arriba de la temperatura ambiente) se activará un ventilador, el cual

trabaja con 110 Vac.

Subdivisión del problema:

Medición de temperatura: La medición de temperatura se hará con un sensor de

temperatura en nuestro caso el LM35DZ, el cual varía su voltaje en proporción a la

variación de temperatura (1ºC = 10mV).

Amplificación: La salida del medidor de temperatura da un voltaje pequeño en por lo

cual es necesario aumentar el voltaje para poder trabajar de una forma más precisa.

Comparación: Ya que el sensor refleja la temperatura que percibe con el voltaje que

entrega a la salida, el cual es un voltaje pequeño. Es necesario amplificarlo para poder

sacar los rangos de temperatura por medio de rangos de voltajes y así asignarle un

rango a cada led, en esta etapa se compara el voltaje de salida con cada uno de los

voltajes que se calcularan para medir la temperatura. Es necesario recordar que en esta

parte no podemos utilizar ningún circuito integrado como DAC o los ADC, todo el

proceso de comparación se hará a base de amplificadores operacionales.

PROCESO DE DISEÑO

Diagrama de bloques:



1) Se implementara un sensor de temperatura como el LM35, para que este a los cambios

de temperatura nos muestre un voltaje diferente como parámetro de partida del

termómetro.

2) Se necesitara un offset para la señal de entrad el cual consiste en un divisor de tensión,

este servirá para calibrar la temperatura que queramos como base para el termómetro.3) El sumador con ganancia como su nombre lo indica sumara el offset con la amplificación

de la señal de entrada.

4) Los comparadores como su nombre lo indica compararan la suma del offset con la señal

de entrada con valores establecidos de voltaje para saber que temperatura es la que se

esta midiendo en ese momento.

5) La lectura de la temperatura nos mostrara la temperatura medida.

Diseño del circuito:

Se pensó en hacer un amplificador con una ganancia adecuada para amplificar el voltaje

proporcionado del LM35DZ.

Luego este voltaje amplificado pasaría a ser comparado con un arreglo de divisores de tensión y

amplificadores operacionales como comparadores para indicarnos la temperatura en la que se

encuentre el LM35DZ por medio de 7 LEDs.

Primero se paso a ver la temperatura máxima ambiente que el circuito iba a mostrar la cual es de

35º Celsius, luego experimentando con varias ganancias (ver bitácora) se llego la conclusión de

usar una ganancia de 20 para utilizar una batería de 9V, para temperaturas menores a 35 ºC – 7

ºC (7 LEDs de lectura) y para usar la calibración para elegir una temperatura base se pensó en

proporcionar un offset a la señal.

Tomando estas consideraciones se llego a la conclusión de diseñar un amplificador operacional

sumador que le de ganancia a la señal de salida del LM35DZ de 20, entonces tenemos:



Para el nodo Vn:

0

20

20( )

20

21

n on

b b

n o n

n o

V V V

R R

V V V

V V

Para el nodo vp:

1 2

1 2

1 2

20

20( )

20

21

p p

a a

p p

p

V V V V

R R

V V V V

V V V

Asumiendo que el amplificador operacional es ideal:

n pV V

Entonces:

1 2

1 2

2020

21 21

20

20

o

o

V V V

V V V

Al sustituir los valores de Ra y Rb y seleccionando resistencias adecuadas para procurar tener

un buen funcionamiento del amplificador operacional y considerado que la alimentación negativadel amplificador operacional va a ser tierra se uso el LM324 y se encontró lo siguiente:



Luego para los comparadores se paso a elegir resistencias como divisores de voltaje, sieteamplificadores operacionales LM324 con 7 LEDs y sus respectivas resistencias para mostrar lalectura de la temperatura.

Aplicando proporcionalidades entre las resistencias con respecto a las caídas de voltajes, seencontró lo siguiente:

Todos los voltajes con los que se comparan los voltajes mostrados por el sumador van a tierra, esto sehace porque si el voltaje de comparación de una caída de voltaje es mayor al voltaje del sumador el LED

no se activará, caso contrario si el voltaje del sumador es mayor al voltaje de comparación de la caída devoltaje el LED se encenderá.



Siguiendo estas consideraciones y teniendo que la ganancia del sumador es de 20 se pasa a tomar encuenta el voltaje de la temperatura máxima que mostrara el termómetro de la siguiente manera:

Para T = 35ºC, el voltaje entregado del LM35DZ será de 0.35V , al ser multiplicado por la ganancia delsumador da como resultado un voltaje de 7V.

Teniendo que el voltaje máximo entregado por el LM35 para este termómetro será de 7 voltios, se ajustael primer divisor de tensión del Amplificador operacional de temperatura máxima a 7 voltios (se ajusta almismo nivel porque luego en el calculo del offset se le dará un poco de voltaje, al voltaje del amplificador operacional sumador, para superar al voltaje de comparación) Al calcular el voltaje final que llegará a los comparadores para 34ºC se tiene que es de 6.8, se realizauna resta del voltaje de 35 ºC menos el voltaje de 34 ºC para tener la escala a los cuales tendrán losdivisores restantes la cual es: 7.6V – 6.8V = 0.2V.

Con estos valores se pasa a armar el circuito, el cual por conveniencia y aplicando proporcionalidadesentre los divisores de tensión y colocando las resistencias para los leds, se tiene:

Ahora, para el offset que se le aplicará a la señal, se utilizará una fuente con divisor de tensión,una resistencia variable y se fijara una resistencia en serie con el potenciómetro para cuando RL



= 0, Voffset = 0.10V. Esto servirá mucho para darle +0.10V al voltaje amplificado del LM35 ytener una mejor comparación.

Se elije una fuente pequeña de 3Vque es necesaria para dar el offset suficiente y ahorrar posibles costos con fuentes más grandes. Se desarrolla lo siguiente:

Si tenemos que RL = 0 y aplicando divisor de tensión para Vcc = 3V y VR1 = 0.1V, tenemos:

2

2

2

2

2

2

1 2

2

1 2

1 2

2

1

2

1 2

1 2

1 2

1

1

31

0.1

29

R cc

R

cc

cc

R

cc

R

cc

R

RV V R R

V R

V R R

V R R

V R

V R

V R

V R R

V

R R

R R

Para R1 = a 1KΩ tenemos: R2 = 34.48Ω

DIAGRAMA ELÉCTRICO FINAL



Diseño del chasis:

El chasis para este circuito esta construido de aluminio, el circuito esta montado con los LED en

la parte exterior al igual que el sensor LM35DZ y un interruptor que activa/desactiva el circuito.

Las dimensiones se muestran en el siguiente diagrama.

A= 11.5 cm

H= 6 cm

L= 13.5 cm

LISTA DE MATERIALES Y PRESUPUESTO



Elemento Cantidad Precio $ Total $

LM324 3 0.5 1.00

LM35DZ 1 3.60 3.60

Potenciómetro 20K 1 0.35 0.35

Resistencia 30 1 0.20 0.20

Resistencia 20k 1 0.20 0.20






LED 7 0.25 0.75

Tableta de cobre 1 2.50 2.50

Percloruro de sodio L 1 2.00 2.00

Caja del chasis1 9.00 9.00

23.80

BITÁCORA DE PRUEBAS

Jueves 18 de Agosto:

La primera prueba en la cual se realizo la primera prueba con el sensor de temperatura.

En dicha prueba a temperatura ambiente con un voltaje de 5v la salida del sensor entregaba un voltaje de 25mv pero el elemento se calentaba demasiado, por ello

se nos quemo. Pero con el voltaje obtenido a la salida, se realizaron los cálculos

para el amplificador que se utilizaría.

En donde asumimos una ganancia de 333.33 y el voltaje que daba en temperatura

ambiente eran 25 mV.

3

2

3

1

820 101 1 304.7

2.7 10

RG

R

A temperatura ambiente de 27ºC:

32

1

1 304.7 * (25 10 ) 7.6o in

RV V V

R

Domingo 21 de Agosto:

Segunda prueba con el sensor de temperatura, con otro lm35 volvimos a probar la salidaque daba el sensor a temperatura ambiente, pero se volvió a calentaba mucho y



leyendo aun mas sobre el funcionamiento de dicho dispositivo, encontramos que el

elemento no necesita una gran corriente, sino que aproximadamente con 60µA funciona,

a si que asumimos que el Lm35 se calentaba porque la corriente que entraba al circuito

era muy grande, por ello decidimos poner una resistencia de 330Ω en paralelo a la

alimentación del Lm. Y cambiamos la ganancia del amplificador operacional. Los

cálculos son los siguientes:

2

1

751 1 28.7

2.7

R k G

R k

A temperatura ambiente de 27ºC:

32

1

1 28.7 * (270 10 ) 7.7o inRV V V R

Viernes 26 de Agosto:

Con el sensor de temperatura calibrado y su salida amplificada nos dedicamos a probar

la etapa de comparación.

Por ello, los rangos de voltajes con respecto a la temperatura, serán los siguientes:

TEMPERATURA VOLTAJE DE SALIDA

21° 6 a 6.5 v

23° 6.6 a 7 v

25° 7.1 a 7.6 v

27° 7.7 a 8.2 v

29° 8.3 a 8.8

31° 8.9 a 9.3

33° 9.4 v

Para lograr el voltaje deseado en cada uno de los comparadores utilizaremos los siguientes

valores de resistencias. Para estos valores hicimos el siguiente análisis, ya que la variación devoltaje entre los rangos de temperaturas son aproximadamente iguales, asumimos que de la R3

a la R8 el voltaje la caída de voltaje iba a ser el mismo, por ello su valor (de resistencia) seria el

mismo, y la única resistencia que cambiaria su valor seria la R9 que tendría 6 voltios.

Aplicando divisor de voltaje en la R9 y dándole un valor arbitrario a esta resistencia para despejar

los valores de las demás resistencia:

Asumiendo que 9 3-8R 1 ; R Rk y aplicando divisor de voltaje a R9:



9

9

9

9R

3 4 5 6 7 8 9

9R

9

9R

9

RV

R R R R R R R

RV

R R R R R R R

RV

6 R

cc

cc

cc

V

V

V R

Sustituyendo valores: 9R 1k , R9V 6V , ccV 9.4V

Despejando R:

9 9

R9

3 3

R RR6V 6

1 10 1 109.4

6(6) 6

94.4

cc V

R

R

Ya que en el mercado no encontramos un valor de resistencia de 94.4Ω usamos resiste ncias de

91 Ω.

A la hora de probar el comparador observamos que el voltaje de la salida de los comparadores

es muy pequeño el voltaje por ello se coloca una a cada una de las salidas una resistencia de 1k

Ω. Con la siguiente configuración para lograr encender los LEDs.

DISEÑO DE PISTAS (CIRCUITO IMPRESO)



ANEXOS (HOJAS TÉCNICAS)





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