一種濕度測量電路的設(shè)計

1 引 言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、科研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制，快速、準確地測量出環(huán)境濕度有著重要作用。電容式相對濕度傳感器HS1100／1101是基于獨特工藝設(shè)計的電容元件，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時間快等優(yōu)點，可用于線性電壓或頻率輸出回路當(dāng)中。本設(shè)計采用HS1100／1101的頻率輸出特性，來實現(xiàn)對環(huán)境相對濕度的測量。

2 HS1100／1101的特點及輸出特性

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，在標準環(huán)境下不需要校正，長時間飽和下快速脫濕，高可靠性等特點，可用于作業(yè)環(huán)境濕度自動化及工業(yè)控制系統(tǒng)，同時在需要濕度補償?shù)牡胤剿部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。其輸出電容與相對濕度特征曲線如圖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，相對濕度RH為55時HS1100／1101表現(xiàn)的電容值，C單位為pF。

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

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

3 電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計

電路系統(tǒng)主要由控制電路、濕度測量電路、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單片機以及外圍元件構(gòu)成，主要完成定時、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)。濕度測量電路實現(xiàn)環(huán)境濕度與頻率的轉(zhuǎn)換，其輸出信號的頻率與濕度單值對應(yīng)。接口電路主要完成輸出頻率信號的整形、電平匹配等，送入單片機的定時／計數(shù)器T1。T1工作于計數(shù)器方式，定時記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)。

3.2 濕度測量電路設(shè)計及工作原理

HS1100／HS1101電容式濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接收的信號，常用2種方法：一是將該濕敏電容置于運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經(jīng)整流、直流放大、再A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；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，可直接被計算機所采集。本文采用第二種方法，因此在系統(tǒng)電路設(shè)計中，可略去接口電路。

由HS1100／1101與555定時器構(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型定時器。HS1100／1101作為定時電容CT接在555的2腳(TRI)和6腳(THR)上，R3起輸出短路保護作用。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，CT兩端的電壓Vc=0，定時電路處于置位狀態(tài)，由+Vcc通過R2與R4對變量電容CT充電，當(dāng)Vc達到門限電壓(2／3Vcc)時，定時電路翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，CT通過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，定時電路又翻轉(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)中的充電時間Thigh、放電時間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單片機的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內(nèi)部溫度補償用，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。由于不同型號的555的內(nèi)部溫度補償有所不同，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)境濕度下測量其對應(yīng)的頻率值，通過多次反復(fù)實驗，得到幾種典型相對濕度值所對應(yīng)的頻率值，如表1所示。RH為百分比相對濕度；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，相對濕度RH=55為參考點，經(jīng)過實驗分析，繪制出所測相對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)是確定測定的頻率與相對濕度值之間的計算關(guān)系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機的T1腳相連，計數(shù)出1 s的脈沖個數(shù)，即振蕩器的輸出頻率，然后進行頻率與濕度之間的轉(zhuǎn)換。但由于頻率與相對濕度的關(guān)系曲線是非線性的，單片機對它的處理能力較差，為了使其處理過程簡化，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，使單片機在不同的頻率范圍內(nèi)進行不同的線性轉(zhuǎn)換。其頻率-濕度對應(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單片機顯示所測濕度值的程序。

5 結(jié) 語

相對濕度傳感器HS1100／1101應(yīng)用廣泛，利用它與555定時器構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)電路可測出周圍環(huán)境下的相對濕度，通過調(diào)試，該設(shè)計已應(yīng)用于“林區(qū)溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)”中。此設(shè)計具有硬件電路相對簡單、體積小、可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時間快等特點，但由于在實際操作過程中條件所限，所測的濕度值與真實值存在一定的誤差，需做進一步完善。