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6º Seminário de Iniciação Científica
Goiânia, de 29 de agosto a 01 de setembro de 2012
Sensores digitais e analógicos: pesquisa, avaliação e
documentação
Resumo: Alguns dispositivos eletrônicos necessitam de uma interação com o mundo e
utilizam os sensores para medir variáveis do ambiente. Sensores são dispositivos
eletrônicos que transformam uma grandeza física, como temperatura e umidade, em
um sinal elétrico proporcional, como por exemplo, variação de resistência e diferença
de potencial. Este trabalho teve o objetivo de catalogar os sensores disponíveis no
mercado e classificá-los de acordo com a amplitude de entrada e saída, a precisão, o
tipo de saída (analógico ou digital) e grandeza física mensurada. Este trabalho também
apresenta a conversão analógico-digital que permite a utilização de sensores
analógicos em conjunto de microcontroladores. Como estudo de caso são
apresentados quatro sensores sendo, dois sensores analógicos e dois digitais para
duas grandezas diferentes. Empiricamente foi avaliado o sensor analógico de
temperatura LM35 e o sensor analógico de luminosidade LDR.
De forma
complementar é apresentado a utilização de um conversor analógico-digital com um
dos sensores.
Palavras-chave: Sensores, grandezas físicas, analógico-digital, microcontroladores.
Introdução
Muitos dispositivos eletrônicos interagem com o mundo exterior e utilizam
sensores para perceber o ambiente. Sensores são dispositivos eletrônicos analógicos
ou digitais que transformam uma grandeza física em um sinal elétrico. Dentre essas
grandezas podemos destacar: luz, calor, som, pressão, umidade, luminosidade e
temperatura.
Sensores são utilizados no ambiente industrial, comercial, residencial e no
entretenimento. Eles podem ser classificados conforme a grandeza medida, o tipo de
saída e ainda apresentam características que influenciam sua aplicação como a
amplitude e a precisão. Este artigo apresenta uma revisão sobre sensores abordando
suas classificações e características. Quatro sensores foram escolhidos para estudo
de caso sendo dois para temperatura e dois para luminosidade. Dois destes sensores
foram utilizados em uma simples aplicação empírica para demonstrar o uso.
Objetivos
O objetivo geral deste projeto é catalogar os sensores disponíveis no mercado
e fornecer subsídios técnicos para a escolha destes sensores. Como objetivos
específicos destacam-se:
 Levantar as grandezas que podem ser medidas por sensores;
 Levantar os parâmetros inerentes aos sensores;
 Levantar os tipos de sensores;
 Revisar a bibliografia sobre sensores;
 Selecionar sensores para estudo de caso;
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 Verificar como diferentes sensores se comportam em um PLC.
Metodologia
Inicialmente foram levantadas as definições e características que permitem
classificar os sensores e determinar sua aplicações. Dados como tipo de saída,
amplitude de percepção e de saída e precisão foram documentados. O levantamento
dos sensores foi realizado perante os fabricantes e o mercado varejista e atacadista
utilizando os web-sites e catálogos eletrônicos. Alguns dispositivos foram selecionados
para estudo de caso e para avaliação empírica. As informações sobre os dispositivos
foi coletada por datasheets diretamente do site do fabricante.
Resultados e discussão
Por definição, grandeza física, é toda manifestação física que pode ser
mensurável, ou seja, tudo que pode se atribuir uma unidade de medida (YOUNG,2008).
Sensores são dispositivos eletrônicos que transformam grandezas físicas em sinais
elétricos. Além da classificação dos sensores pela grandeza física, os sensores podem
ser classificados pelo tipo de saída: analógicos ou digitais.
Um sensor analógico produz uma saída proporcional ao valor medido para uma
determinada grandeza. Normalmente, a saída de um sensor analógico é uma
resistência ou diferença de potencial variável (URBANETZ,2010). Os sensores digitais
encapsulam um conversor analógico-digital (ADC) que fornece como saída um
conjunto de bits que podem ser interpretado como um valor decimal inteiro ou racional
correspondente a medida da grandeza. A resolução do sensor digital é determinada
pela amplitude do sensor e da quantidade de bits gerados pelo ADC.
Para que os sensores sejam utilizados nos sistemas digitais, sua saída deve
ser digital. Para os sensores analógicos, é necessário o uso de um conversor analógico
digital (ADC, do inglês analogic to digital converter). O ADC recebe como sinal
analógico, uma tensão variável, e produz como saída um conjunto de bits. Existem
vários métodos de conversão analógico-digital, o mais usado é o método de
aproximações sucessivas (TOCCI, 2007).
Como estudo de caso, foram selecionados quatro sensores. São dois sensores
para temperatura, o analógico LM35 e o digital SHT1x, e dois para luminosidade, o
analógico LDR e o digital TSL2550. Para a avaliação empírica foram selecionados os
dois sensores analógicos, o LM35 e o LDR. A Tabela 1 apresenta o resumo dos
sensores utilizados para estudo de caso e para avaliação empírica. As Figuras de 1 a 4
apresentam as fotos dos respectivos sensores.
Figura 1:
Figura 2: Sensor
Sensor LM35 LDR
Grandeza
Sensor
Saída
Figura 3: Sensor Figura 4: Sensor
SHT1x
TSL2550
Amplitude
Experimento
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Temperatura
LM35
analógica
-55 a 150°C
sim
SHT1x
digital
-40 a 123,8°C
não
LDR
analógica
0,1KΩ a 1000KΩ
sim
digital
0 a 1400 lux
não
Luminosidade TSL25
50
Tabela 1: Sensores utilizados como estudo de caso
O LM35 é um sensor alimentado por uma tensão que pode variar de 4 a 20V. A
amplitude de percepção do sensor é de -55 a 150°C. Seu encapsulamento apresenta
três pinos: o primeiro e o terceiro pinos(+Vss e GND) são responsáveis pela
alimentação do componente, respectivamente como pólo positivo e negativo. O
segundo pino, Vout, gera como saída uma tensão proporcional à temperatura do meio
em que o sensor está inserido, sendo 10mV para cada grau Celsius. O sensor pode
funcionar de duas formas, um modo básico em que sua amplitude irá de 2 a 150°C e o
modo completo que permite medir toda sua amplitude (Datasheet LM35, 2000). No
experimento, este sensor foi acoplado a um conversor analógico digital ADC0804
permitindo que a grandeza fosse representada de forma binário em um conjunto de 8
LEDs.
O SHT1x é um sensor digital de temperatura e umidade. Produz uma saída de
8 ou 12 bits medindo de 0 a 100% para umidade relativa e 12 ou 14 bits sendo que sua
precisão varia dependendo da quantidade de bits em 0,04 a 0,01°C, respectivamente.
O LDR é uma resistência variável inversamente proporcional a presença de luz.
Sua variação de resistência vai de 0.1kΩ a 1000kΩ (Datasheet LDR, 1997). Os ADC (como o
ADC0804 ou aqueles integrados aos microcontroladores) utilizam como entrada uma tensão
variável. Como o sensor LDR oferece uma resistência variável, não pode ser ligado diretamente
ao microcontrolador. Deve-se, portanto, utilizar um circuito divisor de tensão, que produz uma
variação de tensão em função da variação de resistência (em consequência da variação de luz)
(CAPUANO & MARINO, 2007). No experimento, este sensor foi ligado como uma das resistência
do circuito divisor de tensão e a diferença de potencial foi monitorada utilizando um
multímetro.
O TSL2550 é um sensor digital de luminosidade que emite uma saída de 12bits para
luminosidade entre 0 e 1400 lux. Ele pode ser alimentado com 2,7 ou 5,5V. O sensor utiliza dois
foto-diodos para mensurar luz visível e luz infravermelha.
Conclusões
Este trabalho apresentou uma revisão sobre sensores abordando sua
classificação em função do tipo de saída (analógico e digital), precisão, amplitude de
entrada e saída. Como estudo de caso foram apresentados os sensores LM35 e LDR,
ambos analógicos e os sensores digitais SHT1x e TSL2550. O objetivo é apresentar
subsídios para a escolha de sensores que serão aplicados em sistemas de controle em
malha fechada com base nas características inerentes e classificações
Este estudo apresentou de forma complementar mecanismos para utilizar as
saídas dos sensores em sistemas de controle digital com a presença de circuitos
integrados de conversão analógico-digital ou integrados a microcontroladores. Para
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sensores que não geram o tipo de sinal utilizado nos ADC (variação de tensão), é
apresentada uma solução simples, o circuito divisor de tensão.
Referências
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networked systems. Final Report. Conference organised by DG Information
Society and Media, Networks and Communication Technologies Directorate , 6 &
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SIQUEIRA, Ethevaldo. Nuvem, Internet das Coisas e Internet Semântica. Grupo de
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TOCCI, Ronald J. Sistemas digitais: princípios e aplicações, 10ª edição / Ronald J.
Tocci, Neal S. Widmer, Gregory L. Moss; tradução: Cláudia Martins; revisão técnica:
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CAPUANO, Francisco G., MARINO, Maria A. M. Laboratório de eletricidade e
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