基于濕敏電阻實現濕度測量電路設計

1、中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 楊偉光 學 號： 0805014125 學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 題 目： 基于濕敏電阻實現濕度測量電路的設計 指導教師： 程耀瑜 職稱: 教授 李文強 職稱: 講師 2011 年 1 月 7 日 中北大學課程設計任務書 2010/2011 學年第 一 學期學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 學 生 姓 名： 楊偉光 學 號： 0805014125 課程設計題目： 基于濕敏電阻實現濕度測量電路的設計 起 迄 日 期： 12月26日1月 7日 課程設計地點： 中北大學 指 導 教 師： 程耀瑜

2、，李文強 系 主 任： 程耀瑜 下達任務書日期: 2010 年 12 月 26 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：本課程設計主要針對模擬電子技術和數字電子技術課程要求，培養(yǎng)學生在查閱資料的基礎上，進行實用電路設計、計算、仿真、調試等多個環(huán)節(jié)的綜合能力，同時培養(yǎng)學生用課程中所學的理論獨立地解決實際問題的能力。另外還培養(yǎng)學生用專業(yè)的、簡潔的文字,清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：（1）了解濕敏電阻的工作原理；（2）掌握濕度測量電路的設計、仿真與調試；（3）掌握濕度顯示電路的設計、仿真與調試；（4）掌握方案設計與論證；（5）掌握用

3、相關軟件進行電路圖設計、仿真，以及對仿真結果的分析、總結；3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：（1）提供核心器件的工作原理與應用介紹；（2）提供用Protel99設計的電路原理圖，也可給出印刷板電路圖；（3）提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他軟件對電路的仿真結果與分析；（4）提供符合規(guī)定要求的課程設計說明書；（5）提供參考文獻不少于三篇，且必須是相關的參考文獻； 課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：（1） 閻石.數字電子技術基礎.北京：高等教育出版社，1998；（2） 王遠.模擬電子技術.北京：機械工業(yè)出版社，2001

4、；（3） 陳汝全.電子技術常用器件應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003；（4） 畢滿清.電子技術實驗與課程設計.北京：機械工業(yè)出版社，2006；5設計成果形式及要求：（1）電路原理圖，仿真結果；（2）課程設計說明書；6工作計劃及進度：2010年 12月26日12 月28日：分析課程設計任務書，查找資料，初步確定方案； 12月 29日12月30 日：論證、確定方案； 12 月31日2011年1月4 日：電路設計、計算、仿真，并完善設計與方案； 2011年1月5日1月6 日：整理資料，書寫課程設計說明書；1月 7日： 答辯，提交課程設計說明書。系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目 錄1 設計

5、目的 12 設計意義13 濕度的定義與測量方法13.1 濕度的定義13.2 濕度的測量方法14. CHR-01型濕敏電阻24.1 CHR-01型濕敏電阻的工作原理24.2 CHR-01型濕敏電阻的性能參數24.3 CHR-01濕敏電阻的外形尺寸及內部結構示意圖34.4使用濕敏電阻注意的問題35. 實驗所用芯片簡介45.1 OP07AJ簡介45.2 555定時器簡介56. 濕度測量方案簡介67. 電路工作原理67.1 由運算放大器構成的濕度檢測電路工作原理67.2 由555定時器構成的濕度檢測電路工作原理78. 濕度測量電路原理圖與仿真結果98.1 由運算放大器構成的濕度檢測電路原理圖98.2

6、由運算放大器構成的濕度檢測電路仿真結果108.3 由555定時器構成的濕度檢測電路原理圖118.4 由555定時器構成的濕度檢測仿真結果129. 實驗數據采集與分析1310. 實驗總結與感想14附錄一 所需元器件清單16附錄二 參考文獻171.設計目的本次設計主要針對模擬電子技術和數字電子技術課程要求，培養(yǎng)在查閱資料的基礎上，進行實用電路設計、計算、仿真、調試等多個環(huán)節(jié)的綜合能力，同時培養(yǎng)用課程中所學的理論獨立地解決實際問題的能力。另外還培養(yǎng)用專業(yè)的、簡潔的文字,清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。2.設計意義在工農業(yè)生產、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。

7、對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè)材料水分值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術條件之一,但在常規(guī)的環(huán)境參數中，濕度是比較難準確測量的一個參數。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素(大氣壓強、溫度)的影響。此外，濕度的校準也是一個難題。隨著科學技術的不斷發(fā)展，濕度的測量越來越智能化，近年來，國內外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平?；跐穸葴y量的準確性難以保證及校準的問題,本次設計力圖用所學的相關知識,盡可能用

8、最簡單的方法設設計一個濕度檢測電路,并且能夠較準確的實現濕度測量。3.濕度的定義與測量方法3.1濕度的定義 在計量法中規(guī)定,濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用RH%表示。總言之，即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。濕度很久以前就與生活存在著密切的關系,但用數量來進行表示較為困難。對濕度的表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點、濕氣與干氣的比值（重量或體積）等等。3.2 濕度的測量方法 常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和電子式傳感器法。

9、雙壓法、雙溫法是基于熱力學P、V、T平衡原理，平衡時間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現代測控手段，這些設備可以做得相當精密，卻因設備復雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標準計量之用，其測量精度可達±2%RH以上。 靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內濕度和瓶內濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡68小時。 露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學的直接結果，準確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達±

10、0.2甚至更高。但用現代光電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標準濕度發(fā)生器配套使用。干濕球法，這是18世紀就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風速必需達到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準確度只有57%RH,干濕球也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。電子式濕度傳感器法，電子式濕度傳感器產品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè), 近年來，國內外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢

11、測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。4.CHR-01型濕敏電阻4.1 CHR-01濕敏電阻的工作原理采用功能高分子膜涂敷在帶有導電電極陶瓷襯底上,形成阻抗隨相對濕度變化成對數變化的敏感部件,導電機理為水分子的存在影響高分子膜內部導電離子的遷移率。4.2 CHR-01濕敏電阻的性能參數(1）特點： 具有感濕范圍寬，精度高、響應速度快，抗污染能力強，耐水性好，性能穩(wěn)定可靠，一致性好，信號輸出為通用型，使用便利，替代進口產品等特點。(2) 特性參數： 濕度敏感元件：高分子濕敏電阻“CHR-01”； 供電電壓：DC5V±5%； 耗電電流：

12、2mA； 使用溫度范圍：060； 濕度檢測范圍：2090%RH； 儲存溫度范圍：2070；儲存濕度范圍：95%RH以下（非凝露）； 濕度檢測精度：±5%RH（溫度25）。(3) 適用范圍：電子、紡織、倉儲、煙草、制藥、氣象等行業(yè)；溫濕度表、加濕器、除濕機、空調、微波爐等產品8。4.3 CHR-01濕敏電阻的外形尺寸及內部結構示意圖圖4.1 CHR-01濕敏電阻的外形尺寸及內部結構示意圖4.4 使用濕敏電阻注意的問題 濕敏電阻存在非線性特征，為了提高它的精度，如何改善它的非線性就成為迫切需要解決的問題。實際應用中最常用的方法之一是分段線性插值法，即每一定的間隔為一段，分別求出相應的插值

13、公式。在實際測濕度時，根據頻率的大小用相應的插值公式求取相應的濕度值。由于現有的濕度值標定只能精確到1 % RH，沒有小數位，并且通常標定五個點，所以在數據處理上較本系統中的溫度處理容易一些，處理過程中可以完全調用溫度值處理的一些子程序。濕敏電阻的輸出值有隨溫度而漂移的特性，這也是濕敏電阻普遍存在的另一個問題。它典型溫度漂移系數為+0.1%RH/0C。為了保證濕度測量的精度，采用相應的溫度補償措施是必要的。方法是在濕敏電阻標定時，把標定時的環(huán)境溫度值記錄下來，在向存儲器存入標定數據時，同時將這個標定溫度值存入。當程序實際運行時，每次把測得的溫度值和這個標定的環(huán)境溫度值比較，求出差值，再將這個差

14、值轉換為濕度值的偏差值，就可以求出真實的濕度值。5.實驗所用芯片簡介5.1 OP07AJ簡介輸入失調電壓：10mv輸入失調電壓失調系數：0.2uF偏執(zhí)電流:0.7nA增益帶寬積GB:0.6MHz轉換速率:0.3Vus消耗電流:22mA電源電壓:±22V5.2 555定時器簡介 555 定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 1 和圖2 所示。它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。

15、在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。6.濕度測量方案簡介濕敏電阻是一種對環(huán)境濕度敏感的元件，它的電阻值能隨著環(huán)境的相對濕度變化而變化。 根據此原理,可將濕敏電阻連入電路中,測量它的電壓值或者電流值可

16、間接測量和反映濕度的大小,或者將濕敏電阻連入方波發(fā)生電路，測量方波的周期來間接測量和反映濕度的大小。本文主要是用運算放大器或者555定時器設計一個方波發(fā)生電路，通過測量方波的周期來實現對濕度大小的測量。7.電路工作原理7.1由運算放大器構成的濕度檢測電路工作原理（1）工作原理當電路接通時，u+>u_ ,由于運放開環(huán)增益很大，又具有正反饋，因此輸出電壓UO將迅速上升為+UZ，則 （1）與此同時，UO將通過R1使C12充電，UC由零向正方向逐漸上升。在u_< u+之前，UO= +UZ保持不變。只要u_ 上升到略大于u+ 時，正反饋將使UO迅速變?yōu)?UZ ，則 （2）此后，在UO= -U

17、Z的作用下，電容C12通過R1放電，u_ 向負方向下降。在u_> u+ 期間，UO= -UZ保持不變。只要u_下降到略小于u+ 時，又出現正反饋過程，最終導致UO= +UZ。如此周而復始，在輸出端UO將產生方波信號，方波的幅值為±UZ。利用單片機對UO處的信號采集，就可得到方波的周期。（2） 方波周期計算方波的周期可以由電容充、放電規(guī)律和波形發(fā)生器工作原理求得。電容兩端電壓的變化規(guī)律為： （3）其中，UC(0)為在選定時起點時電容C12上的電壓值，即 （4）UC() 是t=時，電容電壓的終值 （5）是電容充電、放電時間常數 （6）將這些值代入式（3），得 （7）式中，t = t

18、 - t1, 且t1 t t2 。當時，則 （8）于是 （9）解此式可得方波的周期為 （10）由此式可見，改變R1、C12 、R5和R3P 都能改變方波周期。當測試電路確定以后，R1、C12、R5和R3都是常量，只有Rp是變量。前面的分析已經可測量出方波的周期，通過標定就可得到濕度值。7.2由555定時器構成的濕度檢測電路工作原理假設當電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上的電壓Uc略低于Vcc，Uo輸出高電平，VT截止，電源Vcc通過R1，R2給C充電。隨著充電的進行，Uc逐漸增大，但只要1/3Vcc<Uc<2/3Vcc，輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當

19、電容C上的電壓Uc略超過2/3Vcc時，RS觸發(fā)器置0，使輸出電壓從原來的高電平翻轉到低電平，即Uo=0，VT飽和導通，此時電容C通過R2和VT放電。隨著電容C放電，Uc下降，但只要1/3Vcc<Uc<2/3Vcc，Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。當Uc下降到略微低于1/3Vcc時，RS觸發(fā)器置1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，VT截止，電容C再次充電，又重復上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。因為兩個狀態(tài)隨著電容的充，放電自動結束，所以兩個狀態(tài)都稱為暫穩(wěn)態(tài)。主要參數有以上分析可知，輸出矩形波高，低電平的寬度分別相當于兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間又與充，放

20、電時間常數和兩個觸發(fā)端的觸發(fā)電壓有關系，所以可以利用一階電路過度過程的公式計算有關參數。（1）電容充電時間T1 一階電路過渡過程的計算公式為：uC(t)=uC()-uC()-uC(0+)exp(-t/充) 式中，uC()=Vcc，為電容C充電的終值電壓；uC(0)=1/3Vcc，為電容C充電的起始電壓值；充 =（R1+R2）C，為電容C充電的時間常數。當充電到t=t1時，uC(t1)= 2/3Vcc，這是暫穩(wěn)態(tài)結束時的轉換電平。將上述各值代入一階電路過渡過程的計算公式中得T1=（R1+R2）Cln2=0.7（R1+R2）C（2）電容充電時間T2同理，由uC 的波形可知，放電過程中uC 的初值和

21、終值分別為uC(0+)=2/3Vcc，uC()=0V，當放電到t=t2時，uC(t2)= 1/3Vcc，電容C的放電時間常數放=R2C。將上述各值代入一階電路過渡過程的計算公式中得T2=R2Cln2=0.7R2C（3）電路的振蕩周期為：T= T1+ T2=0.7（R1+2R2）C8.濕度測量電路原理圖與仿真結果8.1由運算放大器構成的濕度檢測電路原理圖8.1.1用Multisim仿真的電路原理圖8.1.2用Protel設計的電路原理圖8.2由運算放大器構成的濕度檢測電路仿真結果83由555定時器構成的濕度檢測電路原理圖8.3.1用Multisim仿真的電路原理圖8.3.2用Protel設計的電

22、路原理圖8.4由555定時器構成的濕度檢測仿真結果9實驗數據采集與分析9.1由運算放大器構成的濕度檢測電路的數據采集溫敏電阻值R2/千歐1510255070100頻率測量值/Hz41.484.1125.1206.9281.8316.7356.5頻率理論值/Hz43.286.8129.3215.4294.3329.3368.3相對誤差4.34%3.11%3.24%4.11%4.25%3.75%3.2%9.2由555定時器構成的濕度檢測電路的數據采集溫敏電阻值R2/千歐1510255070100頻率測量值/Hz45701303666.667277.778138.889102.04170.922頻率

23、理論值/Hz47621298.7680.27280.11141.44101.3171.073相對誤差4.03%0.33%1.99%0.83%1.80%0.72%0.21%10實驗總結與個人感想 本次課程設計是做一個基于濕敏電阻濕度實現濕度測量的電路，經過兩周的時間,我們終于完成了此次課程設計。本次課程設計我們是通過由運放構成的方波發(fā)生器和由555定時器構成的矩形波發(fā)生器來完成濕度檢測的,這兩種電路各有各自的優(yōu)缺點。 對于由運放構成的方波發(fā)生器，其方波頻率可由電阻的阻值的變化而成線性變化，這對后續(xù)的信號處理是很有幫助的，當濕敏電阻接入后，阻值隨濕度的變化而變化，而方波發(fā)生器的頻率則隨濕敏電阻阻值

24、的變化而變化，接入的濕敏電阻可以很大,這樣測量濕度的范圍比較大,這是由運放構成方波發(fā)生器的優(yōu)點，但缺點也明顯，那就是該方波并不是數字信號，該方波的幅值在（Vz+Vd）與-（Vz+Vd）間變化，還得做進一步的后續(xù)電路處理才能將方波信號轉化為數字信號，以方便后續(xù)單片機對信號的處理。而由555定時器構成的矩形波發(fā)生器的輸出信號則為數字信號，不用再做處理就可直接為單片機所用，這個優(yōu)點是不容置疑的。但該電路構成的矩形波發(fā)生器其頻率并不隨濕敏電阻阻值的變化而成線性變化，雖然有確定的關系式。而且當濕敏電阻阻值過大或過小時，該方波波形的占空比將嚴重偏離50%，這樣造成由它構成的方波發(fā)生器測量濕度的范圍比較小。 由相對濕度的定義我們可以知道，濕度并不僅僅與空氣中的水汽有關，還與溫度有關，因此后續(xù)單片機得對兩種信號進行綜合處理，這樣才能減小誤差。 通過這兩個電路的對比，可以發(fā)現每個電路都會有其優(yōu)點與缺點，關鍵是要如何取舍，同時還得仔細想想能否將其優(yōu)點融合，但往往會碰壁，這正應了那