毕业设计（论文）-湿度测试仪设计.doc

苏州大学本科生毕业论文（设计）目 录绪 论1前 言2第一章 湿度传感器的简介31.1 湿度的定义31.2 湿敏电阻41.3 湿敏电容6第二章 湿度测量及控制电路72.1 设计思路及电路方框图72.2 单稳态触发器与多谐振荡器72.2.1 单稳态触发器92.2.2 多谐振荡器112.3 积分与微分电路132.4 湿度测量电路152.5 湿度控制电路172.6 电路的改进172.7 测量电路的其他用途18第三章 测量数据的处理193.1 电路输出数据的记录193.2 相对湿度的定标及其控制方法21第四章 总结23参考文献24致谢25绪 论【摘要】随着经济的高速发展,许多行业诸如电力、石油化工、电子、航空航天、冶金、纺织等，为了得到高质量的产品或设备的正常运行,对湿度测量的要求越来越高,因而,湿度测量和湿度控制已经逐渐成为一个新兴的技术领域。传统的测量方法是将湿度传感器的输出信号经过调理放大后,进行a/ d 转换,然后由单片机进行处理得到相对湿度值。传统的测量方法不但测量电路复杂,成本较高,而且测量准确度较低。本文给出了一种由555 定时器构成的多谐振荡电路求解相对湿度的方法。【关键词】555定时器 多谐震荡 湿度测量 积分 微分 【abstract】 with the rapid development of economy, humidity measurement is required higher and higher by industries such as electric power, petroleum and chemistry, electronics, aerospace, metallurgy and textile etc. in order to get high quality products and guarantee the normal operation of equipments. therefore, humidity measurement and control has gradually become a new technology. the traditional measurement method is to opsonize and amplify the output signal of humidity sesor, carry on analog and digital conversion, treat with mcu and then get the rh value. this traditional method has several disadvantages as complex measurement circuit, high cost and low measurement accuracy. this thesis describes a method to solve the relative humidity in detail, using multivibrator circuit, which is composed of 555 timer.【keywords】555 timer multivibrator humidity measurementsintegral differential前 言湿度是与我们人类生活密切相关的物理量, 它的测量与应用大致经历了三个阶段, 第一阶段是自18世纪最原始的干湿球湿度计的出现至20世纪30年代,包括重量、露点和毛发等湿度计的广泛使用。1938年用于无线电遥控探空的氯化铝湿度敏感器件问世,代表着湿度仪器进入了一个新的阶段, 随后出现了包括电解质和高分子化合物、半导体陶瓷、元素半导体和多孔金属氧化物半导体等湿敏器件。第三阶段是自20世纪80年代至今, 随着集成电路、微机械加工、计算机等技术的发展, 出现了包括电阻、电容及其集成传感器在内的多种湿度传感器，它们具有体积小、灵敏度高、可批量生产等特点, 已逐步成为湿度测量的主导产品。 工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用rh%表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。湿度测量的基本原理：一般的湿度测量系统包括多谐振荡器、微分电路、单稳态触发电路、比较电路、积分电路、测量电路及其外部电路等七部分组成。多谐振荡器用来产生方波信号，其输出信号至微分电路，产生一个出发信号，用来出发单稳态出发电路，而单稳态电路的暂稳时间由湿敏电容来决定，输出的定时脉冲在比较电路中相与、比较，将反映湿度变化的比较，脉宽检出、积分、得出与相对湿度对应的平均直流电压，从而可计算出相对湿度的大小。第一章 湿度传感器的简介随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。1.1 湿度的定义湿度：湿度就是指空气中湿气的含量。物理定义：空气湿度是用来表示空气中的水汽含量多少或空气潮湿程度的物理量。相对湿度：实际空气的湿度与在同一温度下达到饱和状况时的湿度之比值。单位：%相对湿度（rh）= ma/mg * 100% / tma = 空气中水的含量 mg = 该空气可含水的最大量t = 温度 同样体积空气的含水饱和度随着温度的变化而变化。温度越高，空气含水饱和度越高。绝对湿度：空气中的水蒸气质量与湿空气的总体积之比。露点温度：在给定的压力下，混合比为的湿空气被水饱和时的温度。在该温度下水的饱和蒸气压等于混合比为的湿空气的水蒸气分压。露点：指空气中饱和水汽开始凝结结露的温度，在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点温度。露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。饱和水汽压：饱和空气下产生的压力，饱和水汽压间接反应大气中的水汽压力，是温度的系数，温度越高，空气中所容量水分子数量越多；反之，越少。饱和差：在一定温度条件下，饱和水汽压与当时的实际水汽压之差。 在讨论水面蒸发强度时，多用饱和差，因饱和差的大小表示水分的蒸发能力，气温越高，饱和差越大，则蒸发进行的越强烈；气温越低， 饱和差越小，蒸发进行缓慢。混合比：湿空气中所含的确定气体质量与它共存的干空气质量之比。比湿：湿空气中水蒸气的分体积与干空气的分体积之比。体积比：水蒸气摩尔数与总摩尔数之比。水蒸气摩尔分数：水蒸气摩尔数与总摩尔数之比。水蒸气分压：湿气（体积为v，温度为t）中的水蒸气相同v、t条件下单独存在时的压力。1.2 湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。1. 半导体陶瓷湿敏元件铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件是较常用的一种湿度传感器，它是由mgcr2o4-tio2固熔体组成的多孔性半导体陶瓷。这种材料的表面电阻值能在很宽的范围内随湿度的增加而变小，即使在高湿条件下，对其进行多次反复的热清洗，性能仍不改变。该元件采用了mgcr2o4-tio2多孔陶瓷，电极材料二氧化钌通过丝网印制到陶瓷片的两面，在高温烧结下形成多孔性电极。在陶瓷片周围装置有电阻丝绕制的加热器，以450、1min对陶瓷表面进行热清洗。湿敏电阻的电阻-相对湿度特性曲线如图1.1所示。 图1.1 电阻-湿度特性曲线图1.2是这种湿敏元件应用的一种测量电路。图中r为湿敏电阻，为温度补偿用热敏电阻。为了使检测湿度的灵敏度最大，可使r=rt。这时传感器的输出电压通过跟随器并经整流和滤波后，一方面送入比较器1与参考电压u1比较，其输出信号控制某一湿度；另一方面送到比较器2与参考电压u2比较，其输出信号控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。图1.2 湿敏电阻测量电路方框图2. 氯化锂湿敏电阻图1.3是氯化锂湿敏电阻的结构图。它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化。 1-感湿膜 2-电极 3-绝缘基板 4-引线图1.3 氯化锂湿敏电阻结构3有机高分子膜湿敏电阻有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝等陶瓷基板上设置梳状型电极，然后在其表面涂以具有感湿性能，又有导电性能的高分子材料的薄膜，再涂复一层多孔质的高分子膜保护层。这种湿敏元件是利用水蒸汽附着于感湿薄膜上，电阻值与相对湿度相对应这一性质。由于使用了高分子材料，所以适用于高温气体中湿度的测量。图1.4是三氧化二铁-聚乙二醇高分子膜湿敏电阻的结构与特性。 图1.4 高分子膜湿敏电阻的结构与特性1.3 湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。高分子电容式湿敏元件的结构如图1.5所示。这种湿敏元件基本上是一个电容器，在高分子薄膜上的电极是一层很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，这样便导致高分子薄膜介电常数发生相应的变化。因为介电系数随空气相对湿度变化而变化，所以只要测定电容值c的大小便可测得相对湿度。湿敏元件的电容值可由下式确定:s/d (1.1)式中: -高分子薄膜的介电常数; d-高分子薄膜的厚度; s-电极的面积。 图1.5 电容式湿敏元件结构目前大多数采用醋酸丁酸纤维素作为高分子薄膜材料，这种材料制成的薄膜吸附水分子后，不会使水分子之间相互作用，尤其在采用多孔金电极时，可使元件具有响应速度快、无湿滞等特点。第二章 湿度测量及控制电路2.1 设计思路及电路方框图在仅仅要求控制气体相对湿度，而对于温度没有严格要求的情况下。则只需改变气体的温度就可以使其相对湿度产生大幅度的变化。因为如果温度不固定，在绝对湿度不变的情况下，相对湿度可以在一定的范围内变化，反之，在相对湿度不变时，绝对湿度也可以变化1。本设计在温度基本不变的情况下，给出了一种由555 定时器和湿度传感器构成的多谐振荡电路求解相对湿度的方法。如图2.1所示，测量电路由基准脉冲发生器、微分电路、湿度传感单稳延时电路、脉宽比较电路、积分电路和测量表头组成。 图2.1 湿度测量电路方框图 多谐振荡器用来产生一个方波信号，经一个微分电路产生单稳态电路所需要的低电平触发脉冲，单稳态的暂稳时间由湿敏电容和一个电阻决定，再将单稳输出与多谐振荡器输出的方波进行比较，得到占空比可反映相对湿度的矩形波输出，再经积分电路得出与相对湿度对应的平均直流电压值。2.2 单稳态触发器与多谐振荡器3本设计电路的多谐振荡器与单稳态电路均由555构成。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。定时器有双极型和cmos两种类型的产品，他们的结构及工作原理基本相同，没有本质的区别。一般说来，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为516v，最大负载电流可达200ma。而coms定时器的电源电压范围为318v,最大负载电流在4ma以下，它具有功耗低、输入阻抗高的优点。555定时器的电路结构555定时器的内部电路由分压器、电压比较器c1和c2、简单sr锁存器、放电三极管t以及缓冲器g组成，其内部结构图如图2.2所示。 图2.2 555定时器的电路结构三个5k的电阻串联组成分压器，为计较器c 、c提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01f左右的滤波电容），比较器c1和c2的基准电压分别为vcc和。v是比较器c的信号输入端，称为阈值输入端；v是比较器c的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压v ，则比较器c、c的基准电压就变为v和。比较器c、c的输出控制sr锁存器和放电三极管t的状态。放电三极管t为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端v即为低电平。当v, v时，比较器c输出低电平，比较器c输出高电平，简单sr锁存器q端置0，放电三极管t导通，输出端v为低电平。当v, v时，比较器c输出高电平，比较器c2输出低电平，简单sr锁存器q端置1，放电三极管t截止，输出端v为高电平。当v时，简单sr锁存器r=1,s=1,锁存器状态不变，电路保持原状态不变。电路功能综合上述分析，可得555定时器功能表，如下表所示。输入输出阈值输入（v）触发输入（v）复位（）输出（v）放电管t0111010不变导通截止导通不变2.2.1 单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器如图2.3所示。图2.3 用555组成的单稳态触发器 （a）电路 （b）简化电路没有触发信号时v处于高电平（v），如果接通电源后q=0，v=0，t导通，电容通过三极管t放电，使v=0，v保持低电平不变。如果接通电源后q=1，放电三极管就会截止，电源通过电阻r向电容c充电，当v上升到时，由于r=0，s=1，锁存器置0，v为低电平。此时放电三极管t导通，电容c放电，v保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态v=0。若触发输入端施加触发信号（vtw，这种电路称为积分电路。在电容c两端（输出端）得到锯齿波电压，如图2.9所示。 图2.8 积分电路 图2.9 c两端的锯齿波电压（1）t=t1时，vi由0vm，因电容电压不能发生突变vo=vc=0。（2）t1ttw ，电容充电非常缓慢，vc上升很小，vc tw是本电路必要条件，因为在方波到来期间，电容只是缓慢充电，vc还未上升到vm时，方波就消失，电容开始放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且越大，锯齿波越接近三角波。输出波形是对输入波形积分运算的结果。它是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。微分电路如图2.10所示，电阻r和电容c串联后接入输入信号vi，由电阻r输出信号vo，当rc数值与输入方波宽度tw之间满足：rct1），电容c的电压按指数规律快速充电上升，输出电压随之按指数规律下降（因vovivcvmvc），经过大约3（r*c）时，（rc）的值愈小，此过程愈快，输出正脉冲愈窄。t=t2时，vi由vm0,相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负的电压vm开始按指数规律经电阻r放电，刚开始，电容c来不及放电，它的左端（正电）接地，所以vovm，之后vo随电容的放电也按指数规律减小，同样经过大约3后，放电完毕，输出一个负脉冲。只要脉冲宽度tw（510） ，在tw时间内，电容c已完成充电或放电（约需3），输出端就能输出正负尖脉冲，才能成为微分电路，因而电路的充放电时间常数必须满足：（1/51/10）tw，这是微分电路的必要条件。由于输出波形vo与输入波形vi之间恰好符合微分运算的结果：vo=rc（dvi/dt），即输出波形是取输入波形的变化部分。如果将vi按傅里叶级展开，进行微分运算的结果，也将是vo的表达式。它主要用于对复杂波形的分离和分频器，或用于产生脉冲信号。2.4 湿度测量电路相对湿度测量具体的电路如图2.12所示。 图2.12 湿度测量电路湿度传感头用湿敏电容cs，它是用湿敏高分子薄膜作为电解质，利用该薄膜吸附水分子的可逆性，使介电常数的变化反映到电容量的改变。湿敏电容抗干扰能力强，线性度好。本设计中的湿度传感器件选用的是hs1101，hs1101是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构，精度可达2%，有极好的线性输出，湿度测量范围在1-99%rh，温度工作范围在-40-100，响应时间为5s，湿度输出受温度影响较小，防腐蚀性气体，常温使用无需温度补偿，无需校准，电容与湿度变化0.34pf/%rh，典型值为180pf55%rh，长期稳定可靠，年漂移量为0.5%rh/年。湿敏电容的特性曲线如下图所示，基本符合线性。ic1、ic2采用两块时基电路555，ic1作为无稳态多谐振荡器，振荡频率由电阻r决定，图示参考的振荡周期t=1.4rc3，占空比为50%，另一块ic2由r3以及湿敏传感电容cs组成单稳延时电路，单稳的暂稳时间td=1.1r3cs,由于cs的电容随环境的变化而变化，因此暂稳宽度可反映出相对湿度的大小。它将ic1输出的基准脉冲作为出发计时的起点。输出的定时脉冲在d4相与、比较，将反映湿度变化的比较脉宽检出、积分、得出与相对湿度对应的平均直流电压值，即e点的电压；或者直接读电流读数即可。由测得的电压或电流值，通过简单计算，即可得此时空气的相对湿度。d点输出电压的占空比与湿敏电容的关系如下：占空比q(%)=（td-t/2）/t=(1.1r3cs-t/2)/t=(1.1r3/t)cs-0.5 (2.9)式中t为多谐振荡器的周期，cs为湿敏电容，r3=470k。 因此可以证明，输出电压和湿敏电容成线性的关系。图2.12中各点的电压波形如图2.13所示。 图2.13 电路各点的输出波形2.5 湿度控制电路湿度控制电路主要由一个电压比较器和一个继电器组成。电路如图2.14所示。 图2.14 湿度控制电路将测量电路的输出电压接入到2.14的控制输入端，电阻r5为一个分压器，可调节比较器反相端的输入参考电压，分压器的输出电压，由所需的控制的相对湿度决定，举个例子来说，如果需要控制相对湿度为30%，则需要将测量电路在相对湿度为30%时的输出电压，作为电压比较器的反相输入电压，当“+”端的电压高于“-”端的电压时，输出为高电平，此时三极管bg4导通，继电器j开始工作，则可以由继电器来控制后面的除湿电路，使得空气相对湿度降低，反之如果“+”端电压低于“-”端电压，则比较器输出低电平，三极管bg4截止，继电器停止工作，从而可以达到一个控制空气相对湿度的目的。2.6 电路的改进在图2.14的控制电路中，当“+”端电压高于“-”端电压时，输出电压为高电平，从而三极管导通，继电器开始工作并控制后面的除湿电路，除湿电路开始工作后，相对湿度降低，便使得“+”端电压低于“-”端电压，从而三极管又截止，继电器停止工作并控制后面的除湿电路停止工作，在这种控制方法下，继电器将频繁工作，电路很不稳定，因此考虑用一个施密特触发器来控制继电器的工作状态，以控制相对湿度在一定的范围内变化，具体的控制电路如图2.15所示。 图2.15 改进后的控制电路调节电阻r，可以改变施密特触发器控制电压（5脚的电压）vi，即可调节电路回差电压的大小，图中各点的电压波形，如图2.16所示。 图2.16波形图调节适当的电阻r，使得vi为所需要的电压，举个例子来说，若需要控制相对湿度为80%，则只需要将测量在相对湿度为80%时的输出电压，作为控制电路中的vi ，当相对湿度高于80%时c点翻转为高电平，三极管导通，继电器开始工作，可以控制后面的除湿电路，当想对湿度下降到使得测量电路的输出电压为vi /2时，c点电平翻转为低电平，继电器停止工作，则可以将相对湿度控制在一个范围之内。2.7 测量电路的其他用途单稳态触发电路的暂稳时间td=1.1rc，本文是通过一个湿敏电容在不同相对湿度的情况下，电容值的改变引起单稳态触发电路的暂稳时间的改变，从而可以间接地测出空气的相对湿度，而单稳态电路的暂稳时间td可由两个参数来决定，我们可以将电容值固定，将电阻更换为热敏电阻，同样的原理，我们也可以间接地测量温度，在此就不多做介绍。第三章 测量数据的处理3.1 电路输出数据的记录在图2.12电路中将vcc接至+5v电压，测量电路各点的输出电压及波形。选用合适的电阻r=10k，并用数字万用表测量a点的输出频率为7.2khz，周期约为138.6us，以保证在不同的相对湿度下，单稳态电路的暂稳时间小于138.6us，确保电路的测量范围。用示波器测量电路a点的输出波形如下图所示，为一个方波信号。经过一个积分电路，用示波器测量b点的波形，如下图所示图2.12中的单稳态触发器，为一个负脉冲触发，测量c点的单稳延时脉宽，并将其与b点的波形进行比较。d点的波形为a点与c点相比较的结果，测量d点的波形如下本设计所采用的湿敏电容为180pf55%rh, 电容与湿度变化0.34pf/%rh，故可以计算得电容的变化范围为161.3pf-195.3pf，图2.12的电路是通过单稳态电路暂稳时间的改变，从而改变输出电压波形的占空比，但是由于湿度的不方便调节，为了数据测量的方便，所以采用的方法是在保证暂稳时间不变的情况下，将单稳电路中的电容值固定，将电阻换为电位器，取不同的阻值进行数据的测量，具体测量步骤如下：在常温下，当相对湿度为0%时，单稳电路中湿敏电容为161.3pf，电阻为470k，在保证暂稳时间相同的情况下，将电容改为200pf电阻变为397.06k，测量电路的输出电压及电流，以此类推，取不同的相对湿度，再通过等效的方法，可测得数据如表一。表一：电路测量数据电路中的参数td/us等效参数输出cs/pf相对湿度r3/kc/pfrx/ku/vi/ua161.30%47083.34200397.060.70287.8171.530%47088.67200403.030.842105.4180.055%47093.06200423.000.946118.8186.875%47096.58200438.981.033129.3195.3100%470100.97200458.961.132142.0将不同相对湿度下的湿敏电容值与输出电流值，用matlab画出对应关系如图3.1所示，基本符合线性的关系。 图3.1 湿敏电容与输出电容的关系3.2 相对湿度的定标及其控制方法将输出电流87.8ua定义为相对湿度0%，将输出电流142.0ua定义为相对湿度100%，由于输出电流与湿敏电容符合线性的关系，可得相对湿度的计算公式为： rh=i/(142.0-87.8)=i/54.2 （3.1）式中i为，测量电路的输出电流，即图2.12中，电流表的读数。将湿敏电容放置在需要测量相对湿度的空间，将输出电流i代入式3.1中即可算出空气的相对湿度。若需要对相对湿度进行控制则需使用图2.15的电路，举例来说，若需要控制相对湿度在50%，则将控制电路中分压器的输出电压vi调节到，相对湿度为50%时图2.12的输出电压u，当相对湿度高于50%时，控制电路中c点翻转为高电平，此时继电器将开始工作，可由继电器控制一个除湿电路，当输出电压低于u/2时，控制电路又翻转为低电平，此时继电器停止工作，后面的除湿电路也将停止工作，即可以将相对湿度控制在一个需要的范围内。第四章 总结为了得到高质量的产品或设备的正常运行,许多行业对湿度的要求越来越高，因而湿度的测量与控制已经逐渐形成一个新的技术领域，本文提出利用555构成的多谐振荡器、单稳态触发器组成的湿度测量电路，用电压比较器、分压器组成和一个继电器电路组成湿度控制电路。从上学期末开始，在党老师悉心的帮助下，我按时完