一種濕度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

1 引 言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、科研等部門，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制，快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出環(huán)境濕度有著重要作用。電容式相對(duì)濕度傳感器HS1100／1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，可用于線性電壓或頻率輸出回路當(dāng)中。本設(shè)計(jì)采用HS1100／1101的頻率輸出特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的測(cè)量。

2 HS1100／1101的特點(diǎn)及輸出特性

HS1100／1101采用具有專利權(quán)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，它具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需要校正，長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕，高可靠性等特點(diǎn)，可用于作業(yè)環(huán)境濕度自動(dòng)化及工業(yè)控制系統(tǒng)，同時(shí)在需要濕度補(bǔ)償?shù)牡胤剿部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。其輸出電容與相對(duì)濕度特征曲線如圖1所示，該曲線中的數(shù)據(jù)是在工作頻率為10 kHz，工作溫度為25℃下測(cè)定的數(shù)據(jù)。此曲線的方程如下：

式中，C0為工作頻率等于10 kHz，相對(duì)濕度RH為55時(shí)HS1100／1101表現(xiàn)的電容值，C單位為pF。

由于該電容的測(cè)量是在10 kHz條件下測(cè)得的，而傳感器HS1100／1101可工作于5～100 kHz范圍內(nèi)，并沒(méi)有限制必須工作于10 kHz上，因此當(dāng)工作于其他頻率時(shí)，必須對(duì)該曲線進(jìn)行校正，其校正公式如下所示：

式中C1為工作頻率為10 kHz時(shí)傳感器的典型電容值；f為電路工作頻率，單位為kHz。在利用傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)為了達(dá)到更好的互換性，回路中需要把傳感器的第2腳接地。該腳已經(jīng)標(biāo)記在傳感器頭的背面的標(biāo)簽上。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)主要由控制電路、濕度測(cè)量電路、接口電路、顯示電路和鍵盤組成，如圖2所示。其中，控制電路采用AT89C51單片機(jī)以及外圍元件構(gòu)成，主要完成定時(shí)、濕度頻率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示等任務(wù)。濕度測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度與頻率的轉(zhuǎn)換，其輸出信號(hào)的頻率與濕度單值對(duì)應(yīng)。接口電路主要完成輸出頻率信號(hào)的整形、電平匹配等，送入單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1。T1工作于計(jì)數(shù)器方式，定時(shí)記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)。

3.2 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)及工作原理

HS1100／HS1101電容式濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接收的信號(hào)，常用2種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。本文采用第二種方法，因此在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，可略去接口電路。

由HS1100／1101與555定時(shí)器構(gòu)成的非穩(wěn)態(tài)振蕩電路如圖3所示，它是典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。555必須為CMOS型定時(shí)器。HS1100／1101作為定時(shí)電容CT接在555的2腳(TRI)和6腳(THR)上，R3起輸出短路保護(hù)作用。引腳7連接于電阻R4與R2之間，這樣充電支路為R4，R2，CT，放電支路為CT，R2。

當(dāng)電源+Vcc接通時(shí)，CT兩端的電壓Vc=0，定時(shí)電路處于置位狀態(tài)，由+Vcc通過(guò)R2與R4對(duì)變量電容CT充電，當(dāng)Vc達(dá)到門限電壓(2／3Vcc)時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，CT通過(guò)R2向555內(nèi)部的放電管放電，當(dāng)Vc降低到觸發(fā)電平(1／3Vcc)時(shí)，定時(shí)電路又翻轉(zhuǎn)為置位狀態(tài)，CT開始充電，這樣周而復(fù)始，形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間Thigh、放電時(shí)間Tlow、振蕩頻率F可描述如下：

為了使占空比接近50％，R4與R2相比，應(yīng)該非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100／1101起始充電電流的限制。一般要求起始充電電流不大于5 mA。當(dāng)外界濕度變化時(shí)引起HS1100／1101電容值的改變，從而改變回路的輸出頻率值。其輸出端Fout與51單片機(jī)的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內(nèi)部溫度補(bǔ)償用，應(yīng)具有1％的精度，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與HS1100／1101的溫度效應(yīng)相匹配。由于不同型號(hào)的555的內(nèi)部溫度補(bǔ)償有所不同，所以R1的值必須與特定的芯片相匹配。此電路所用的電阻阻值及元件如圖3所示。

基于圖3所示電路參數(shù)，在溫度為25℃，典型的環(huán)境濕度下測(cè)量其對(duì)應(yīng)的頻率值，通過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到幾種典型相對(duì)濕度值所對(duì)應(yīng)的頻率值，如表1所示。RH為百分比相對(duì)濕度；F為輸出頻率，單位是Hz。

根據(jù)表1所示的典型參數(shù)值，這里以溫度25℃，頻率F0=6 600 Hz，F(xiàn)單位為Hz，相對(duì)濕度RH=55為參考點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，繪制出所測(cè)相對(duì)濕度與輸出頻率之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。其曲線方程式如下：

4 數(shù)據(jù)處理

本文中數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是確定測(cè)定的頻率與相對(duì)濕度值之間的計(jì)算關(guān)系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機(jī)的T1腳相連，計(jì)數(shù)出1 s的脈沖個(gè)數(shù)，即振蕩器的輸出頻率，然后進(jìn)行頻率與濕度之間的轉(zhuǎn)換。但由于頻率與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線是非線性的，單片機(jī)對(duì)它的處理能力較差，為了使其處理過(guò)程簡(jiǎn)化，將RH-F曲線分段線性化處理。頻率6 667 Hz(50％)與6 409 Hz(70％)將該曲線分為3段近似直線，使單片機(jī)在不同的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行不同的線性轉(zhuǎn)換。其頻率-濕度對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系如下：

根據(jù)以上3種線性關(guān)系可編寫出用51單片機(jī)顯示所測(cè)濕度值的程序。

5 結(jié) 語(yǔ)

相對(duì)濕度傳感器HS1100／1101應(yīng)用廣泛，利用它與555定時(shí)器構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)電路可測(cè)出周圍環(huán)境下的相對(duì)濕度，通過(guò)調(diào)試，該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于“林區(qū)溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”中。此設(shè)計(jì)具有硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，但由于在實(shí)際操作過(guò)程中條件所限，所測(cè)的濕度值與真實(shí)值存在一定的誤差，需做進(jìn)一步完善。