基于湿度传感器的测量电路设计

1、基于湿度传感器的测量电路设计1.实验目的: 1.掌握传感器选择的一般设计方法；2.掌握测量电路的设计方法；3.掌握DXP绘图软件应用；4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力;2.实验任务：1.制作湿度传感器；2.将输入湿度信号转换成电压输出；3实验原理：3.1基本原理：3.1.1湿度传感器人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。 和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的信息时代，传感器技术与计算机

2、技术、自动控制技术紧密结合着。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。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、酷酸醋酸纤维等。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。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。本实验选用HS1101电容湿度传感器。在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。涉及如何将电容

3、的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期负责重新标定。3.1.2 555定时器 NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。在

4、多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压范围为：4.5V16V。NE555的框图如图3.1所示。 把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图4.1所示。NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。图3.1 555定时器555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多

5、谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 3.1所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压/3 和 2 /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 的同相输入端的电压为 2/3，的反相输入端的电压为/3。若触发输入端 TR 的电压小于/3，则比较器的输出为 0，可使 R

6、S 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2/3，同时 TR 端的电压大于/3，则的输出为 0， 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。下图为555多谐振荡器的波形图：图3.2 555定时器波形图图3.3 湿度与电容成线性关系3.2原理框图：测量信号输出信号转换信号输入信号图3.3 电路原理框图4实验内容: 4.1电路图:图4.1 测量电路图用NE555N型定时器构成多谐振荡器如图4.1所示，和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到和C的连接处，将放电端（7脚）接到，的连接处。当湿敏电容随外界环境湿度

7、变化而引起阻值变化，从而引起输出频率的变化。把构成的多谐振荡电路中的改为电容式湿度传感器，即可成为一个测量电路。导出公式：图4.2 频压转换电路图图为典型用芯片LM331及外围电路组成压频转换电路，LM331N是美国NS公司生产的性价比较高集成芯片，输入频率经过一个稳压电路之后输出直接输入到芯片的输入端，在芯片外部接入由电阻电容组成的放电电路， 便可以构成频压转换电路，且转换精度高。管脚为一个RC的充电电路；、管脚为接地，管脚接工作电压，管脚为输出且并联一个上拉电阻和电解电容构成一个低通的RC滤波电路；管脚接一个隔直电容作为频率输入端。这种方案电路也较为简单，转换精度也很高。经过计算，其频率电

8、压转换公式为： 器件性能特点如下：最大线性度：001。双电源或单电源工作（单电源可以在5V 以下工作）。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。最佳温度稳定性：最大值为5010-6/C。小功耗：5V 以下典型值为15mW。宽的动态范围：10kHz 满量程频率下最小值为100dB。满量程频率范围：1Hz100kHz图4.3 湿度转换电路图 4.2器件选择:测量电路：HS1101电容传感器 一个，NE555N定时器 一个，电阻 ：51k一个、620k一个、1k一个、1M一个导线 若干；转换电路：Lm331频压转换器 一个，电阻 ：10k两个、68k一个、6.8k一个12k一个、5k一个、100k一个电容 ：1

9、uF一个、470PF一个、0.01uF一个导线 若干； 4.3参数计算:5测量数据表5.1相对湿度（RH%）38%47%58%60%65% 频率（KHz）5.875.585.485.395.36 电压 （V）4.484.254.214.104.036心得体会 经过本次传感技术课程设计，让我收获很多，首先要感谢老师的精心准备，为我们提供工具材料，而且耐心的指导帮我们解决实践中的问题，让我们能把书本上的所学转化为实际操作。感觉着样的实习还是非常有意义的。 在实验中，我们首先开始收集材料和资料，然后根据所需从资料中选择合适的，我们第一次的方案是利用集成放大做,但是电路复杂而且我们发现，在现有的材料中缺少采样开关电容网络LTC1043。所以改用555做。在实验中还是会因为电路，器件，等等原因引起错误和误差，经过多次检查和老师的帮助最终才完成。从中我知道们在书本上学到的东西真的甚少，要想多增加知识还必须多做一些类似的设