Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá TERMOMETRO ELECTRONICO DIGITAL Electronic Digital Thermometer Jorge Luis Ruiz Bernal,
[email protected], G11N39jorge Leonardo Santana,
[email protected],G11N40leonardo ABSTRACT A thermometer is a device used for measuring temperature, the invention of the thermometer can be attributed to Galileo Galilei, who formulated a device much like a mercury thermometer in the sixteenth century. The following document specifies the design and construction of a digital electronic thermometer, to be called digital thermometer must use a thermistor for temperature measurement, a micro controller for converting analog signals to digital and a display or screen for displaying the readings of the thermistor. RESUMEN 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 la temperatura, un micro controlador para convertir las señales de análogas a digitales y un display o pantalla para visualizar las lecturas del termistor. extremo abierto se sumergía en una mezcla de alcohol y agua, al calentar el líquido este subía por el tubo de vidrio.
INTRODUCCION 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. Los primeros termómetros funcionaban aprovechando la dilatación térmica que sufren los materiales al cambiar su temperatura. Para el propósito de fabricar estos termómetros se utilizaban materiales con un elevado coeficiente de dilatación, de modo tal que al cambiar su temperatura fuera fácilmente apreciable el cambio en su longitud permitiendo una lectura fácil por parte del usuario, principalmente se utilizo el mercurio encerrado en un tubo de vidrio el cual estaba marcado con una escala graduada. El primer dispositivo que se puede considerar como un termómetro fue creado por Galileo Galilei, este consistía de un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada, el
MARCO TEORICO Clases de termómetros
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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, hornos 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.
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Pirómetros infrarrojos captan la radiación infrarroja, filtrada por un lente, mediante un sensor foto resistivo. Pirómetro fotoeléctrico, emplea el efecto fotoeléctrico, fenómeno por el cual se liberan electrones de una superficie cuando sobre ella incide una radiación térmica. Termómetro de lámina bimetálica: consiste de dos láminas 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. 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.
digital, tiene que funcionar utilizando una señal digital, y no con una señal análoga como lo es el caso de la señal 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 llamado PIN, 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 mas versátil y permite un trabajo mas fácil en la electrónica, pues por dar un ejemplo para nuestro caso, esta señal digital hade posible que las variaciones de temperatura que son percibidas por el sensor, se puedan ver en forma de números y letras a través de un display o una pantalla LCD o de LED, esto también seria posible utilizando una señal análoga, pero seria mas engorroso y haría falta utilizar mas elementos para construir el circuito. Los tres componentes anteriormente mencionados son los más importantes de nuestro montaje, existen otros elementos de pero los principales son:
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DESARROLLO DEL TEMA Nuestro trabajo está orientado a construir esta última clase de termómetro, para cumplir con dicho fin haremos una descripción de sus principios básicos de su funcionamiento y de cada uno de los componentes de los cuales está conformado, anteriormente ya se había dicho una breve descripción de este instrumento, ahora se profundizara un poco más en el tema; 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
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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.
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PIC 16F877A: es un micro controlador programable, aunque puede desempeñar muchas funciones nos centraremos en su función de conversor de analógico a digital, en general los PIC son una familia de micro controladores de tipo RISC fabricados por MIcroship tecnology inc, en términos mucho mas sencillo de entender un PIC es un circuito integrado programable por medio de una PC.
Imagen 1 (sensor ML35)
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Características del ML35 Calibrado directamente en grados centígrados. Factor de escala lineal de +10mV/0C. 0,5 0C de precisión a 250C. Rango de trabajo -550 C a +1550C Apropiado para aplicaciones remotas. Bajo costo. Funciona con alimentación de entre 4V y 30V. Menos de 60µA de consumo. Bajo auto-calentamiento (0,080C en aire estático). Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA.
Cristal de 4MHz: 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.
Imagen 2 (PIC16F877) A continuación se mostraran las características más relevantes de este dispositivo: Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello. Amplia memoria para datos y programa. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH de 14 bits; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo). Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. Frecuencia máxima 20MHz. Posiciones RAM de datos 368. Posiciones EEPROM de datos 256. Numero de pines 40. Interruptores 14. Timers 3. Módulos CCP 2. Puertos E/S A,B,C,D.
Imagen 5 (cristal de cuarzo) Principales características:
Frecuencia de oscilación 4MHz. Tipo, de cuarzo con encapsulado metálico.
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Juego de instrucciones 35. Longitud de instrucción 14bits. LCD de 16x2, YB1602A: pantalla de cristal liquido que cuanta con 16 conexiones o pines, es una pantalla delgada y plana, que utiliza la polarización de la luz y la propiedad de algunas moléculas de comportarse como dipolos eléctricos. Dichas moléculas tiene forma alargada, son alineadas entre si y colocadas entre dos electrodos, al haber un potencial entre ambos electrodos se genera un campo eléctrico entre las placas, provocando un retorcimiento de las moléculas cambiando su orientación.
Imagen 5 (diagrama del circuito) COMPONENTES DEL CIRCUITO
Imagen 3 (LCD YB1602A)
1 pulsador. 2 condensadores de 15pF. 1 condensador de 100µF. 1 potenciómetro de 1kΩ. 1 diodo IN4148. 1 cristal de 4MHz. 1 pantalla de Cristal liquido YB1602A. 1 protoboard. 1 microcontrolador PIC16F977A. 1 sensor ML35. 1 Resistencia de 100Ω. 1 resistencia de 10kΩ.
El circuito esta alimentado con una fuente de 5V DC, preferiblemente debe ser usarse una fuente variable, un adaptador de corriente no es recomendable, porque es posible de que dañe el PIC, la siguiente fotografía muestra algunos componentes del circuito.
Sus características básicas son:
Numero de Caracteres
16 x 2 líneas (62x18mm). Tamaño: 84x44x14mm. Voltaje backlight: 5V DC. Color backlight: Azul / Verde. MONTAJE DEL CIRCUITO Antes de montar el circuito sobre una protoboard, hicimos una simulación del mismo en el programa PROTEUS ISIS 7.6, se utilizo un programador de PICS USB. Un diagrama del se muestra en la siguiente ilustración.
Imagen 6 (componentes del circuito) En la siguiente fotografía se muestra circuito ya montado sobre la protoboard y funcionando.
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Imagen 7 (circuito del termómetro funcionado)
CONCLUSIONES La utilización de un micro controlador facilito mucho el montaje del circuito, si hubiéramos utilizado el circuito de una forma análoga, hubiera necesitado mas componentes y tendrá que haber utilizado una fuente de alimentación mayor, es importante resaltar el hecho de que se presentaron muchos problemas al utilizar un adaptador de corriente de 5V DC para alimentar el circuito, por utilizar este adaptador se quemaron varias PIC, fue necesario utilizar una fuente variable de 30V DC, del tipo que se usa en los laboratorios.
BIBILOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/LM35. https://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf. A02-A03 - Conversor AD del PIC16F877.
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