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sábado, 14 de janeiro de 2012

Utilizando um sensor de temperatura - Termistor NTC 10K no PIC

Quando necessitamos coletar uma determinada temperatura para ser tratada por nosso sistema microcontrolado chegamos a pergunta: - Que tipo de sensor usar?

Depende da finalidade e precisão necessária. Existem no mercado diversos tipos de sensores de temperatura, cada um com suas características e formas de interface com o microcontrolador.

Quando se trata de sistemas profissionais de climatização trabalhando com temperaturas entre -55°C e 150°C, a preferência dos fabricantes destes sistemas recai sobre o Termistor NTC 10K, que possui elevada confiabilidade e baixo custo.

Entretanto, a resposta deste Termistor não é linear. Veremos neste artigo como contornar esta característica e conectá-lo ao nosso microcontrolador PIC.


Termistores

São resistores termicamente sensíveis. Os termistores são muito utilizados em aplicações que necessitem de uma alta sensibilidade com mudança à temperatura, pois eles são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de temperaturas.

Todavia não são lineares. A resposta da variação de temperatura não é linear à variação de sua resistência, mas pode-se obter a relação entre a resistência e a temperatura para faixas pequenas de variação de temperatura através da equação de Steinhart & Hart.

Existem dois tipos de termistores, o PTC (Coeficiente Positivo de Temperatura) e o NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura), essa distinção é devida ao material de sua construção. Esses dispositivos são construídos a partir de misturas cerâmicas de óxidos semicondutores, como titânio de bários para os PTCs e magnésio, níquel, cobalto, titânio, ferro e cobre para os NTCs.


 Termistor NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura)

Termistor sensível a variações de temperatura. Sua resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Desenvolvidos com uma tecnologia que permite tolerância de variação de 1%.

São usados principalmente para faixas de medições entre -55º a 150ºC.

Devido ao baixo custo e ao excelente desempenho o NTC é possui uma vasta utilização nas indústrias, seja para refrigeração e ar condicionado, linhas automotivas, controle de temperatura, sistemas de detecção e alarmes contra incêndio dentre outras.

A curva que defini o comportamento da temperatura em relação à resistência tem um comportamento exponencial, como pode ser visto no gráfico abaixo:


A simbologia utilizada pelo NTC 10K está apresentada à seguir:


E abaixo, um exemplo de forma construtiva do NTC 10K:



Interface eletrônica para o sensor de temperatura

Para que o microcontrolador consiga interpretar a temperatura medida pelo Termistor NTC 10K deve-se desenhar um circuito eletrônico que permita converter a variação da resistência, decorrente da variação de temperatura medida, em um sinal analógico compatível com o microcontrolador.

Para isso, foi utilizada uma das entradas analógicas do microcontrolador. Esta entrada analógica é, na verdade, um conversor A/D (analógico para digital) que lê o valor de tensão presente em seu terminal – que pode variar entre 0V e +5VCC – e converte para uma palavra digital de 10 bits (0 a 1023) proporcional a este sinal de entrada.

Utilizando as características do sensor resistivo foi montado um circuito divisor de tensão com a adição de um resistor de 10k em série ao NTC. Este divisor tem como tensão de entrada +5VCC – o limite permitido à entrada analógica do microcontrolador – e o sinal de saída do divisor de tensão será injetado à entrada analógica do microcontrolador conforme a figura abaixo:




 Equação de Tensão de Saída do Circuito

Para este circuito divisor de tensão determina-se a equação para o sinal de saída injetado ao microcontrolador da seguinte maneira:
Sendo:



Como a tensão de saída Vout = VR1, temos:






Como Vout do circuito é igual à Vin da entrada analógica do microcontrolador, pode-se adaptar a equação e inseri-la ao código do programa para determinar corretamente o valor da resistência do NTC. Este valor de resistência será utilizado na equação seguinte, à equação de Steinhart-Hart:






Equação de Steinhart & Hart

Analisando o gráfico da curva resistiva característica deste Termistor NTC 10K, observa-se que a resposta do sensor à variação da temperatura medida não é linear, desta forma, a interpretação do sinal de entrada injetado ao microcontrolador precisar ser tratada através de uma equação que torne precisa qualquer temperatura medida.


A relação entre resistência e temperatura no NTC é dada pela equação de Steinhart & Hart:



Para utilizá-la, selecionam-se as constantes a, b e c definidas no manual do fabricante do Termistor NTC ou através de medições realizadas em ensaio quando estas informações não estiverem disponíveis.

Como exemplo, as constantes para o sensor que utilizo são:

a = 0,0011303
b = 0,0002339
c = 0,00000008863


Basta agora aplicar estes valores a formula inserida no programa do microcontrolador para determinar a correta leitura de temperatura em tempo real. Vemos abaixo um exemplo de código escrito em C a ser utilizado por um microcontrolador PIC:


//Conversão da leitura do sensor em temperatura
       sensor =ADRES;
       sensor *=5;
       sensor/=1023;
       rntc=33000/sensor;     //RNTC=(Vcc*R1/Vin)-R1
       rntc=rntc-10000;       //
       b1=log(rntc);          //LN(RNTC)
       b1=b1*b;               //b*LN(RNTC)
       c1=log(rntc);          //LN(RNTC)
       c1=pow(c1,3);          //LN(RNTC)^3
       c1=c1*c;               //c*(LN(RNTC)^3)
       temp=a+b1+c1;          //a+b*LN(RNTC)+c*(LN(RNTC)^3)
       temp=1/temp;           //1/(a+b*LN(RNTC)+c*(LN(RNTC)^3))
       temp=temp-273.15;


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