2011.1

INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA Higrômetro Digital

Alunos: Raphael Lima Moura

Professor: Luciano Fontes Cavalcanti

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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SUMÁRIO

1. LISTA DE FIGURAS.....................................................................................................03

2. INTRODUÇÃO............................................................................................................04

3. SENSOR.....................................................................................................................05

4. PROJETO...................................................................................................................07

4.1. MODULADOR PWM...........................................................................................08

4.2. CONVERSOR A/D...............................................................................................10

4.3. COMPARADOR...................................................................................................11

4.4. MEMÓRIA..........................................................................................................13

4.5. CIRCUITO MONTADO.........................................................................................18

5. CONCLUSÃO..............................................................................................................19

6. BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................20

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Curva do Sensor de Umidade Capacitivo

Figura 2 – Sensor HS 1101

Figura 3 – Características Dimensionais do Sensor HS 1101

Figura 4 – Diagrama de blocos do Higrômetro Digital

Figura 5 – Circuito Oscilador

Figura 6 – Multivibrador mono estável

Figura 7 – Oscilador, multivibrador e filtro passa baixa simulado

Figura 8 – Circuito prático: Oscilador, multivibrador e filtro passa baixa

Figura 9 – ADC 0804

Figura 10 – Montagem do Conversor A/D

Figura 11 – Implementação de um latch para armazenar o dado anterior

Figura 12 – Comparador com o latch e parte do conversor

Figura 13 – Circuito que representa a mudança de umidade. Umidade subindo

Figura 14 – Circuito que representa a mudança de umidade. Umidade descendo

Figura 15 – Memória EPROM

Figura 16 - Circuito Prático: Memória EPROM

Figura 17 – Esquema da ultima parte do circuito

Figura 18 – Circuito Prático: Displays sete segmentos

Figura 19 – Esquema mostrando os sinais de controle e da portadora.

Figura 20 – Circuito Prático: Esquema Mostrando os fios dos sinais de controle e da portadora

Figura 21 – Circuito completo do Higrômetro Digital

Figura 22 – Circuito Prático: Higrômetro Digital na protoboard

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INTRODUÇÃO

A umidade é a quantidade de vapor de água na atmosfera. A umidade relativa

(UR) é a relação entre a pressão de vapor do ar e a pressão de vapor do ar obtida em

condições de equilíbrio ou saturação sobre uma superfície de água líquida ou gelo. O

valor da UR varia entre 0 e 1 para condições até a saturação (e acima de 1 para

condições supersaturadas) de acordo com a temperatura. Convencionalmente

também é denotada em porcentagem. Em outras palavras pode se dizer que umidade

relativa do ar é a relação entre a quantidade de água existente no ar (umidade

absoluta) e a quantidade máxima que poderia haver na mesma temperatura (ponto de

saturação). Ela é um dos indicadores usados na meteorologia para saber como o

tempo se comportará. Essa umidade presente no ar é decorrente de uma das fases do

ciclo hidrológico, o processo de evaporação da água. O vapor de água sobe para a

atmosfera e se acumula em forma de nuvens, mas uma parte passa a compor o ar que

circula na atmosfera.

A umidade relativa tem uma grande importância na vida dos seres humanos, há

vários problemas decorrentes da baixa umidade do ar, como: Complicações alérgicas e

respiratórias devido ao ressecamento de mucosas, Sangramento pelo nariz,

ressecamento da pele, irritação dos olhos, eletricidade estática nas pessoas e em

equipamentos eletrônicos, aumento do potencial de incêndios em florestas e

pastagens. A partir de 30% cuidados devem ser tomados.

O higrômetro é o instrumento que mede a umidade presente nos gases, mais

especificamente na atmosfera. É utilizado principalmente em estudos do clima, mas

também em locais fechados onde à presença de umidade excessiva ou abaixo do

normal poderia causar danos, por exemplo, em peças de museus, documentos de

bibliotecas e elementos de laboratórios. Os higrômetros são compostos, em sua

maioria de substâncias com capacidade de absorver a humidade atmosférica.

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SENSOR

O sensor de umidade capacitivo que foi usado foi do tipo capacitivo, nele, é

medido o efeito da umidade sobre a constante dielétrica de um polímero ou material

de óxido de metal. Com ajustes, esses sensores têm uma precisão de UR +/- 2% na

faixa 5-95%. Sem calibração, a precisão é de 2 a 3 vezes pior. Sensores capacitivos são

robustos contra alguns efeitos, tais como condensação e altas temperaturas

temporárias. Os sensores capacitivos estão sujeitos à deriva, contaminação e efeitos

do envelhecimento, mas são adequados para muitas aplicações.

Eles consistem de um substrato sobre o qual uma fina película de polímero ou

de óxido de metal é depositada entre dois eletrodos condutores. A superfície de

detecção é revestida com um eletrodo de metal poroso para protegê-la da

contaminação e da exposição à condensação. O substrato é tipicamente de vidro,

cerâmica, ou de silício. A mudança incremental na constante dielétrica de um sensor

de umidade capacitivo é quase diretamente proporcional à umidade relativa do

ambiente circundante. A mudança na capacitância é tipicamente 0,2-0,5 pF para uma

variação de 1% de umidade relativa, enquanto que a capacitância é maior entre 100 e

500 pF a 50% UR a 25 ° C. Sensores capacitivos são caracterizadas por baixo coeficiente

de temperatura, capacidade de funcionar em altas temperaturas (até 200 ° C), a

recuperação total da condensação, e uma resistência razoável aos vapores químicos. A

resposta intervalos de tempo 30-60 s para uma mudança de passo de 63% de umidade

relativa.

Há técnicas para a produção de sensores capacitivos que tiram proveito de

muitos dos princípios utilizados na fabricação de semicondutores para produzir

sensores com drift de longo prazo mínimo e histerese. Sensores capacitivos de película

fina podem incluir circuito de condicionamento de sinal integrado monolítico sobre o

substrato. O condicionador de sinal mais utilizado incorpora um temporizador CMOS

para o sensor de pulso e para produzir uma saída de tensão quase linear (Figura 1).

Figura 1 – Curva do Sensor de Umidade Capacitivo

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O sensor usado escolhido o modelo HS 1101(Figura 2) da marca HUMIREL.

Figura 2 – Sensor HS 1101

Figura 3 – Características Dimensionais do Sensor HS 1101

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PROJETO

O projeto foi desenvolvido de acordo com o diagrama abaixo (figura 4).

Figura 4 – Diagrama de blocos do Higrômetro Digital

O circuito completo foi implementado em laboratório na placa protoboard

utilizando os circuitos integrados que serão comentando durante o decorrer deste

relatório.

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MODULADOR PWM

O circuito modulador é formado pelo por um oscilador a cristal de 3.6864 MHz,

ligado ao circuito integrado 74HCT4060N, que se trata de um contador binário com

oscilador que divide essa frequência e dispõe em suas saídas frequências menores que

a introduzida, em cada saída do CI, tem-se uma frequência diferente, essa primeira

parte é mostrada no circuito da figura 5.

Figura 5 – Circuito Oscilador

Após essa divisão temos a frequência disponível no pino 3, cerca 30 KHz. Então

ligamos esse pino, através de um capacitor de acoplamento, à entrada de disparo do

multivibrador monoestável, CI LMC555. O sensor de umidade, na figura 6

representado por uma capacitância variável, é ligado entre o terra e o pino 6 do

multivibrador, ele é responsável por determinar a duração dos impulsos de saída do

monoestável, o circuito é representado na figura 6.

Figura 6 – Multivibrador mono estável

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O sinal de saída do monoestável é ligado a uma rede RC, que é o demodulador

PWM, um filtro passa baixa, filtrando apenas o nível DC à partir dos pulsos gerados

pelo multivibrador. O circuito completo, oscilador, multivibrador, e filtro passa baixa,

está representado montado na figura 7. O circuito está com sua saída ligada a um

multímetro, para medir o nível de tensão equivalente para uma determinada

capacitância, que representa uma percentagem definida de umidade.

Figura 7 – Oscilador, multivibrador e filtro passa baixa simulado

Figura 8 – Circuito prático: Oscilador, multivibrador e filtro passa baixa

O sinal de elétrico (sinal analógico) obtido após o demodulador PWM é

convertido em um valor digital de 8 bits.

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CONVERSOR A/D

Temos um valor analógico de tensão gerado pelo multivibrador monoestável e

demodulado pelo filtro passa baixa. A partir deste sinal é necessário converte-lo em

um sinal digital de 8 bits, que podem representar, 2^8 , 256 valores. Foi feita a opção

de utilizar um conversor de fácil implementação e de baixo custo, o ADC 0804, figura 9.

O pino que sai do filtro passa baixa, é conectado no pino 6 do conversor A/D.

Figura 9 – ADC 0804

Para nossa aplicação é necessário polarizar o circuito de modo que ele esteja

sempre habilitado e em leitura. Quando o nível de umidade é zero, o sinal elétrico é

diferente de zero, então para isso que se precisa ajustar o valor máximo medido

através do valor de tensão de referencia. Nesse conversor de aproximações sucessivas,

funciona com clock, para isso é utilizado o gerador de clock interno. O circuito também

foi projeto para sempre ficar fazendo leituras, na figura 10 temos o conversor

completo.

Figura 10 – Montagem do Conversor A/D

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A tensão de referencia do conversor é ajustada pelo potenciômetro P1,

enquanto que P2 fornece a tensão de offset. A rede R19 e C11 é necessário para o sinal

de clock interno usado na conversão. A resistência R20, o capacitor C12, e o diodo

1N4148, asseguram que o conversor inicie a conversão quando se liga a alimentação

do circuito. No instante em que o circuito é alimentado, o pino 3 é mantido em nível

baixo por alguns instantes, para permitir que C12 carregue através de R20. O diodo

evita que C12 curte-circuite os impulsos existentes no pino 5, que está ligado ao pino 3

e que fornece o sinal de relógio para o buffer do próximo CI, 74HC574N. A ligação

entre os pinos 3 e 5 coloca o conversor no modo de funcionamento continuo. Assim

que acaba uma conversão, o pino 5 diz ao pino 3 que já podem sair novos dados. Os

dados fornecidos.

COMPARADOR

Com a conversão do sinal analógico feita, agora temos apenas um sinal digital

de 8 bits. Com esse sinal faremos uma implementação onde iremos armazenar o dado

anterior. Para esse fim, usaremos o CI 74HC574, que se trata de um flip-flop octal tipo

D. A implementação foi feita como na figura 11.

Figura 11 – Implementação de um latch para armazenar o dado anterior

É importante destacar que só são armazenados apenas os 4 bits menos

significativos. Isso se dá para que o comparador perceba pequenas mudanças no nível

logico, e também para usamos um comparador mais simples de apenas 4 bits.

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O comparador usado foi o 74HCT85. Na figura 12 temos a representação da

montagem do comparador.

Figura 12 – Comparador com o latch e parte do conversor

A partir da saída de dados indicando que o atual é menor que o anterior, ou

que o atual é maior que o anterior, é feita a montagem de um circuito com LED’s

indicando se a umidade esta subindo (LED Verde) ou se esta descendo (LED Vermelho).

As duas entradas do circuito abaixo são as saídas descritas na figura 12.

Figura 13 – Circuito que representa a mudança de umidade. Umidade subindo

Figura 14 – Circuito que representa a mudança de umidade. Umidade descendo

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MEMÓRIA

A memória utilizada foi uma EPROM modelo M27C64A (figura 15), é um tipo de

chip de memoria de computador que mantém seus dados mesmo quando a energia é

desligada. Em outras palavras, é não volátil.

Figura 15 – Memória EPROM

Figura 16 - Circuito Prático: Memória EPROM

Uma EPROM é programada por um dispositivo eletrônico que dá voltagens

maiores do que os usados normalmente em circuitos elétricos. Uma vez programado,

uma EPROM pode ser apagada apenas por exposição a uma forte luz ultravioleta.

EPROMs são facilmente reconhecíveis pela janela transparente no topo do pacote,

pela qual o chip de silício pode ser visto, e que admite luz ultravioleta durante o

apagamento. Esta janela transparente é feita de cristal para permitir a passagem da luz

ultravioleta, pois o vidro comum bloqueia grande parte do UV.

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Em nosso circuito os dados fornecidos pelo conversor são aplicados como sinais

de endereço na memória e no buffer 74HC574N. Os dados de saída da EPROM excitam

os displays de sete segmentos. A memória contém dados que determinam quais os

segmentos dos displays que devem ser iluminados para indicar o valor da humidade

relativa. A EPROM serve, portanto como um conversor BCD para sete segmentos e ao

mesmo tempo corrige a não linearidade do sensor. Uma vez que o conteúdo da

memória só possui uma largura de 8 bits, o que permite armazenar dados apenas para

um display, os displays são multiplexados por meio de inversores (7404) e de

transistores modelo C557B.

O sinal do clock para a multiplexagem é fornecido pelo pino 15 do CI

74HCT4060N, cerca de 4 KHz. Este clock também é aplicado ao pino 10 da memória.

Assim, quando há uma mudança no display também há uma mudança de endereço.

Portanto, são necessários dois endereços, um para cada display.

E na figura 17 e 18 é representado o esquema da última parte do circuito, a

memoria, ligada aos displays.

Figura 17 – Esquema da ultima parte do circuito

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Figura 18 – Circuito Prático: Displays sete segmentos

Os sinais de controle (pino 15) e da portadora (pino 6) que vem das saídas do

74HC4060N, conforme esquema da figura 19.

Figura 19 – Esquema mostrando os sinais de controle e da portadora.

Figura 20 – Circuito Prático: Esquema Mostrando os fios dos sinais de controle e da portadora

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O circuito completo é mostrado na figura 21.

Figura 21 – Circuito completo do Higrômetro Digital

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CIRCUITO MONTADO

Figura 22 – Circuito Prático: Higrômetro Digital na protoboard

E como é mostrado na figura 22, nosso circuito nos forneceu uma medição de

77% de umidade relativa do ar.

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CONCLUSÃO

Durante a montagem do circuito foi possível perceber o quanto de teoria foi

posta em pratica. Todo o conhecimento adquirido em várias disciplinas no decorrer do

nosso curso, me deram noções de eletrônica analógica e digital que foram primordiais

para a implementação e entendimento de todo o circuito construído. Sem falar nas

aulas de instrumentação eletrônica, que também me passou inúmeros conhecimentos,

sobre instrumentos eletrônicos, e todos os seus funcionamentos.

Para meu projeto decidi não usar os componentes do laboratório, portanto

comprei todos os componentes. Isso foi devido primeiro a diminuir a chance de erros

com componentes defeituosos e segundo, pois eu queria montar o circuito e usar em

minha casa. O preço dos componentes é extremamente barato, os componentes mais

caros do circuito foram o sensor e a memória EPROM, porém como não encontrei os

principais componentes aqui em natal, mandei buscar pela internet, e o que encareceu

meu projeto foi o frete das 3 diferentes lojas em que mandei buscar componentes.

A maior dificuldade que encontrei foi que na hora de implementar a memória

EPROM, não havia como programar a memória, então ela foi implementada

desprogramada, o que não atrapalhou tanto assim no circuito, apenas fez com que ela

não me desse a resposta com a linearidade que eu a projetei.

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BIBLIOGRAFIA

1. Notas de aula professor Luciano fontes Cavalcanti

2. http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/640

3. http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/103

4. http://www.cpa.unicamp.br/artigos-especiais/umidade-do-ar-saude-no-

inverno.html

5. Avaliação De Um Sensor De Capacitância Elétrica E Sua Correlação Com

Atributos Do Solo - Victor George Celinski2 & Célia Regina Lopes Zimback3