传感器湿度报警电路设计.doc

石家庄铁道大学四方学院课程设计报告时间：2019 年 6 月 18日至2019 年 6 月 19 日课程编号： S08011 课程名称： 测试技术课程设计 学生姓名： 周智雄 学 号： 20166297 专 业：电气工程及其自动化班 级： 方1610-1 指导教师： 秦华 湿度报警电路设计一、设计任务及要求： 设计任务： 1. 当婴儿尿布尿湿后，若不及时更换，对婴儿健康不利，利用湿度传感器设计一个尿湿报警器。 设计要求： 1.有湿度传感器与三极管组成开关电路。 2.设计延时功能，当婴儿撒尿10s后才开始报警，避免惊吓婴儿。 3.完成3000字设计报告。 二、指导教师评语：设计过程（40分）：答辩过程（40分）：报告 （20分）：三、成绩 指导教师签名： 年 月 日 目录第1章 设计目的1第2章 设计要求1第3章 硬件电路设计13.1 电路设计结构框图13.2 传感器选择23.3 信号处理电路33.4 总电路图5第4章 仿真与调试6第5章 误差分析6第6章 结论6参考文献7第1章 设计目的这次课程设计，涉及的对象是湿度检测控制电路，既能检测尿布湿度又能对湿度起到一定控制作用，实现其自动湿度调控功能。当婴儿尿布尿湿后，若不及时更换，婴儿易感染尿布湿疹等疾病，对婴儿健康不利。所以将婴儿尿湿报警器放在婴儿尿布下面，当婴儿撒尿后，延时10s就能从喇叭传出音乐声，提醒妈妈快给婴儿换尿布。利用湿度传感器设计一个尿湿报警器。第2章 设计要求(1)有湿度传感器与三极管组成开关电路。 (2)设计延时功能，当婴儿撒尿10s后才开始报警，避免惊吓婴儿。(3)完成3000字设计报告。(4) NE555定时器和阻容原件实现延时。(5)采用直流电源12V。第3章 硬件电路设计3.1 电路设计结构框图 本次设计既能检测尿布湿度又能对湿度起到一定控制作用。湿敏传感器是能感受外界湿度的变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。利用湿敏传感器来实现对婴儿是否尿湿尿布的检测，实现对婴儿身体健康的保护。此电路包括传感器检测电路，延时电路和报警电路。如图3-1所示。图3-1 电路设计结构框83.2 传感器选择湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。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。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。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。而本次设计具体选用的是MS01湿敏电阻式传感器，是以硅粉为主体材料，参入少量金属氧化物烧结而成的。MS01湿敏电阻式传感器的优点是体积小，寿命长，抗水性好，电阻范围变化大，响应时间短因此便于推广应用，抗水性好。婴儿尿湿报警器的基本原理是利用湿度进行控制的，平时湿敏传感器处于开路状态，而VT1属于NPN型三极管，因此集电极无电压输出，这里VT1相当于一个受湿度控制的电子开关，利用模拟婴儿尿湿尿布时的情况。当婴儿尿湿尿布后，湿敏传感器被尿液短路，VT1导通，延时电路就开始计时工作，计时10s后，555定时器第3脚输出高电平，触发IC2进行数模转换，三极管VT2进行放大信号后，由喇叭发出音乐声音，提示监护人及时给婴儿换尿布，以达到保护婴儿身体健康的目的。3.3信号处理电路检测电路由12v直流电源，作开关使用的8550型号的三极管VT1，MS01型的湿敏传感器组成。导线1、2、3分别与延时电路的左边的导线1、2、3相连。VT1三极管是PNP型的，有三个引脚，分别是：基极，发射极，集电极；集电极基极电压：Vcbo-40v；与8050(NPN)相对；所用材料为半导体硅；最大集电极电流为：0.5A；直流电增益为：10到60；功耗为：625mv；最大集电极发射电压(VCEO)为：25；频率为：150MHz。检测电路如图3-2所示。 图3-2 检测电路延时电路由一个NE555定时集成电路IC1、一个100uF电容、一个100K电阻和若干导线组成。其中导线4、5、6与报警电路中导线4、5、6相连。该延时电路在婴儿撒尿大约10s后才开始报警，其目的是让婴儿把尿撒完。如果没有延时电路，婴儿一撒尿，报警器立即报警，这样会吓到婴儿，造成闭尿现象，会危害婴儿健康。延时电路如图3-3所示。图3-3 延时电路NE555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中1引脚为接地端；2引脚为低电平触发端。由此输入低电平触发脉冲；3引脚为输出端。输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；4引脚为复位端。输入负脉冲，或使其电压低于0.7V，可使NE555定时器直接复位；5引脚为电压控制端。在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰。6引脚为高电平触发端。由此输入高电平触发脉冲；7引脚为放电端。NE555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；8引脚为电源端。可在5V18V范围内使用。NE555定时器的内部结构如图3-4所示。图3-4NE555定时器内部结构图报警电路由数模转换器IC2、喇叭BL和9014三极管VT2组成，VT2三极管为NPN型，耐压值较大。IC2有T端与S端，T端从555集成电路3引脚接收电信号，转换成声音信号后由S端输出模拟信号，经三极管VT2放大后，由喇叭输出。导线4、5、6分别与延时电路的4、5、6导线相连。报警电路如图3-5所示。图3-5报警电路3.4总电路图整个电路由三个电路单元所组成。(1)由湿敏传感器MS01、VT18550、DC12V、开关S与若干导线组成的检测电路；(2)由一个NE555定时集成电路IC1、一个100uF电容、一个100K电阻和若干导线组成的延时电路；(3)由软封装音乐集成电路IC2、9014型三极管VT2、喇叭BL和若干导线组成的报警电路。总电路原理如图3-6所示。图3-6 总电路原理图第4章 仿真与调试本次实验选用的是电阻式湿敏传感器。电阻式湿度传感器是利用湿敏元件的电气特性，随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，而湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。在尿湿报警器仿真电路中，它是由检测电路、延时电路、报警电路组成。电源电压采用12V的直流电压，用开关J1代替湿敏传感器，其闭合来模拟婴儿尿床后，湿敏传感器被短路的情况。Q1(2N3906)为三极管；电阻R1、R2、R4起到了限流保护的作用，R3与电容C1组成阻容元件；LM555CN代替NE555定时器，实现延时；发光二极管LED1代替音乐集成电路，包括IC2和喇叭。当音乐响起时，二极管发绿光。XMM1是多功能数字电表，主要是为了观察J1接通后，检测三极管集电极是否有电压输出。按图4-1所示连接电路，接通测试开关(模拟婴儿尿尿)，待10s后，发光二极管点亮(模拟音乐报警)。仿真电路如图4-1所示。图4-1 仿真电路图第5章 分析误差传感器放入测量位置的过程中产生的误差，传感器的存在所引起的误差，传感器本身特性所引起的误差，环境条件变化带来的误差中温度变化所产生的误差最为显著，所以在现实中误差必定存在且误差较大。第6章 结论婴儿尿湿报警器是利用湿敏传感器能感受外界湿度的变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的功能，来实现对婴儿是否尿湿尿布的检测，以实现对婴儿身体健康的保护。它的工作原理是:平时湿敏传感器处于开路状态，而VT1属于PNP型三极管，因此集电极无电压输出，这里VT1相当于一个受湿度控制的电子开关。当婴儿尿布尿湿后，湿敏传感器被尿液短路，通过尿液与电源正极相连，使J1导通，其集电极输出低电平，VT1则由截至转为导通，从而解除对C1的封锁，这时正电源就通过电阻R3向电容C1充电，因充电需要时间，所以R4的左端仍保持低电平。随着充电不断进行，C1两端电压逐渐升高，使NE555定时触发器导通，第3引脚端口输出高电平，音乐报警器开始报警，提醒监护人及时给宝宝换尿布。电路的延时时间主要由R3、C1的充电时间常数决定，R3、C1数值愈大，延时时间愈长，反之则短。该尿湿报警器有一个延时电路，当婴儿撒尿时，开始计时，计时时间到