基于湿敏电阻实现湿度测量电路设计

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 杨伟光 学 号： 0805014125 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 题 目： 基于湿敏电阻实现湿度测量电路的设计 指导教师： 程耀瑜 职称: 教授 李文强 职称: 讲师 2011 年 1 月 7 日 中北大学课程设计任务书 2010/2011 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 杨伟光 学 号： 0805014125 课程设计题目： 基于湿敏电阻实现湿度测量电路的设计 起 迄 日 期： 12月26日1月 7日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 程耀瑜

2、，李文强 系 主 任： 程耀瑜 下达任务书日期: 2010 年 12 月 26 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本课程设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养学生在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养学生用课程中所学的理论独立地解决实际问题的能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）了解湿敏电阻的工作原理；（2）掌握湿度测量电路的设计、仿真与调试；（3）掌握湿度显示电路的设计、仿真与调试；（4）掌握方案设计与论证；（5）掌握用

3、相关软件进行电路图设计、仿真，以及对仿真结果的分析、总结；3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：（1）提供核心器件的工作原理与应用介绍；（2）提供用Protel99设计的电路原理图，也可给出印刷板电路图；（3）提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他软件对电路的仿真结果与分析；（4）提供符合规定要求的课程设计说明书；（5）提供参考文献不少于三篇，且必须是相关的参考文献； 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：（1） 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998；（2） 王远.模拟电子技术.北京：机械工业出版社，2001

4、；（3） 陈汝全.电子技术常用器件应用手册.北京：机械工业出版社，2003；（4） 毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，2006；5设计成果形式及要求：（1）电路原理图，仿真结果；（2）课程设计说明书；6工作计划及进度：2010年 12月26日12 月28日：分析课程设计任务书，查找资料，初步确定方案； 12月 29日12月30 日：论证、确定方案； 12 月31日2011年1月4 日：电路设计、计算、仿真，并完善设计与方案； 2011年1月5日1月6 日：整理资料，书写课程设计说明书；1月 7日： 答辩，提交课程设计说明书。系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 设计

5、目的 12 设计意义13 湿度的定义与测量方法13.1 湿度的定义13.2 湿度的测量方法14. CHR-01型湿敏电阻24.1 CHR-01型湿敏电阻的工作原理24.2 CHR-01型湿敏电阻的性能参数24.3 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图34.4使用湿敏电阻注意的问题35. 实验所用芯片简介45.1 OP07AJ简介45.2 555定时器简介56. 湿度测量方案简介67. 电路工作原理67.1 由运算放大器构成的湿度检测电路工作原理67.2 由555定时器构成的湿度检测电路工作原理78. 湿度测量电路原理图与仿真结果98.1 由运算放大器构成的湿度检测电路原理图98.2

6、由运算放大器构成的湿度检测电路仿真结果108.3 由555定时器构成的湿度检测电路原理图118.4 由555定时器构成的湿度检测仿真结果129. 实验数据采集与分析1310. 实验总结与感想14附录一 所需元器件清单16附录二 参考文献171.设计目的本次设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养用课程中所学的理论独立地解决实际问题的能力。另外还培养用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2.设计意义在工农业生产、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。

7、对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分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，湿度是比较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。随着科学技术的不断发展，湿度的测量越来越智能化，近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。基于湿度测量的准确性难以保证及校准的问题,本次设计力图用所学的相关知识,尽可能用

8、最简单的方法设设计一个湿度检测电路,并且能够较准确的实现湿度测量。3.湿度的定义与测量方法3.1湿度的定义 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。3.2 湿度的测量方法 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。

9、双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。 静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡68小时。 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±

10、0.2甚至更高。但用现代光电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有57%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。电子式湿度传感器法，电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检

11、测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。4.CHR-01型湿敏电阻4.1 CHR-01湿敏电阻的工作原理采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件,导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。4.2 CHR-01湿敏电阻的性能参数(1）特点： 具有感湿范围宽，精度高、响应速度快，抗污染能力强，耐水性好，性能稳定可靠，一致性好，信号输出为通用型，使用便利，替代进口产品等特点。(2) 特性参数： 湿度敏感元件：高分子湿敏电阻“CHR-01”； 供电电压：DC5V±5%； 耗电电流：

12、2mA； 使用温度范围：060； 湿度检测范围：2090%RH； 储存温度范围：2070；储存湿度范围：95%RH以下（非凝露）； 湿度检测精度：±5%RH（温度25）。(3) 适用范围：电子、纺织、仓储、烟草、制药、气象等行业；温湿度表、加湿器、除湿机、空调、微波炉等产品8。4.3 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图图4.1 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图4.4 使用湿敏电阻注意的问题 湿敏电阻存在非线性特征，为了提高它的精度，如何改善它的非线性就成为迫切需要解决的问题。实际应用中最常用的方法之一是分段线性插值法，即每一定的间隔为一段，分别求出相应的插值

13、公式。在实际测湿度时，根据频率的大小用相应的插值公式求取相应的湿度值。由于现有的湿度值标定只能精确到1 % RH，没有小数位，并且通常标定五个点，所以在数据处理上较本系统中的温度处理容易一些，处理过程中可以完全调用温度值处理的一些子程序。湿敏电阻的输出值有随温度而漂移的特性，这也是湿敏电阻普遍存在的另一个问题。它典型温度漂移系数为+0.1%RH/0C。为了保证湿度测量的精度，采用相应的温度补偿措施是必要的。方法是在湿敏电阻标定时，把标定时的环境温度值记录下来，在向存储器存入标定数据时，同时将这个标定温度值存入。当程序实际运行时，每次把测得的温度值和这个标定的环境温度值比较，求出差值，再将这个差

14、值转换为湿度值的偏差值，就可以求出真实的湿度值。5.实验所用芯片简介5.1 OP07AJ简介输入失调电压：10mv输入失调电压失调系数：0.2uF偏执电流:0.7nA增益带宽积GB:0.6MHz转换速率:0.3Vus消耗电流:22mA电源电压:±22V5.2 555定时器简介 555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 1 和图2 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VCC /3 和 2VCC /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。

15、在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。6.湿度测量方案简介湿敏电阻是一种对环境湿度敏感的元件，它的电阻值能随着环境的相对湿度变化而变化。 根据此原理,可将湿敏电阻连入电路中,测量它的电压值或者电流值可

16、间接测量和反映湿度的大小,或者将湿敏电阻连入方波发生电路，测量方波的周期来间接测量和反映湿度的大小。本文主要是用运算放大器或者555定时器设计一个方波发生电路，通过测量方波的周期来实现对湿度大小的测量。7.电路工作原理7.1由运算放大器构成的湿度检测电路工作原理（1）工作原理当电路接通时，u+>u_ ,由于运放开环增益很大，又具有正反馈，因此输出电压UO将迅速上升为+UZ，则 （1）与此同时，UO将通过R1使C12充电，UC由零向正方向逐渐上升。在u_< u+之前，UO= +UZ保持不变。只要u_ 上升到略大于u+ 时，正反馈将使UO迅速变为-UZ ，则 （2）此后，在UO= -U

17、Z的作用下，电容C12通过R1放电，u_ 向负方向下降。在u_> u+ 期间，UO= -UZ保持不变。只要u_下降到略小于u+ 时，又出现正反馈过程，最终导致UO= +UZ。如此周而复始，在输出端UO将产生方波信号，方波的幅值为±UZ。利用单片机对UO处的信号采集，就可得到方波的周期。（2） 方波周期计算方波的周期可以由电容充、放电规律和波形发生器工作原理求得。电容两端电压的变化规律为： （3）其中，UC(0)为在选定时起点时电容C12上的电压值，即 （4）UC() 是t=时，电容电压的终值 （5）是电容充电、放电时间常数 （6）将这些值代入式（3），得 （7）式中，t = t

18、 - t1, 且t1 t t2 。当时，则 （8）于是 （9）解此式可得方波的周期为 （10）由此式可见，改变R1、C12 、R5和R3P 都能改变方波周期。当测试电路确定以后，R1、C12、R5和R3都是常量，只有Rp是变量。前面的分析已经可测量出方波的周期，通过标定就可得到湿度值。7.2由555定时器构成的湿度检测电路工作原理假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上的电压Uc略低于Vcc，Uo输出高电平，VT截止，电源Vcc通过R1，R2给C充电。随着充电的进行，Uc逐渐增大，但只要1/3Vcc<Uc<2/3Vcc，输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当

19、电容C上的电压Uc略超过2/3Vcc时，RS触发器置0，使输出电压从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，VT饱和导通，此时电容C通过R2和VT放电。随着电容C放电，Uc下降，但只要1/3Vcc<Uc<2/3Vcc，Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当Uc下降到略微低于1/3Vcc时，RS触发器置1，电路输出又变为Uo=1，VT截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。因为两个状态随着电容的充，放电自动结束，所以两个状态都称为暂稳态。主要参数有以上分析可知，输出矩形波高，低电平的宽度分别相当于两个暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间又与充，放

20、电时间常数和两个触发端的触发电压有关系，所以可以利用一阶电路过度过程的公式计算有关参数。（1）电容充电时间T1 一阶电路过渡过程的计算公式为：uC(t)=uC()-uC()-uC(0+)exp(-t/充) 式中，uC()=Vcc，为电容C充电的终值电压；uC(0)=1/3Vcc，为电容C充电的起始电压值；充 =（R1+R2）C，为电容C充电的时间常数。当充电到t=t1时，uC(t1)= 2/3Vcc，这是暂稳态结束时的转换电平。将上述各值代入一阶电路过渡过程的计算公式中得T1=（R1+R2）Cln2=0.7（R1+R2）C（2）电容充电时间T2同理，由uC 的波形可知，放电过程中uC 的初值和

21、终值分别为uC(0+)=2/3Vcc，uC()=0V，当放电到t=t2时，uC(t2)= 1/3Vcc，电容C的放电时间常数放=R2C。将上述各值代入一阶电路过渡过程的计算公式中得T2=R2Cln2=0.7R2C（3）电路的振荡周期为：T= T1+ T2=0.7（R1+2R2）C8.湿度测量电路原理图与仿真结果8.1由运算放大器构成的湿度检测电路原理图8.1.1用Multisim仿真的电路原理图8.1.2用Protel设计的电路原理图8.2由运算放大器构成的湿度检测电路仿真结果83由555定时器构成的湿度检测电路原理图8.3.1用Multisim仿真的电路原理图8.3.2用Protel设计的电

22、路原理图8.4由555定时器构成的湿度检测仿真结果9实验数据采集与分析9.1由运算放大器构成的湿度检测电路的数据采集温敏电阻值R2/千欧1510255070100频率测量值/Hz41.484.1125.1206.9281.8316.7356.5频率理论值/Hz43.286.8129.3215.4294.3329.3368.3相对误差4.34%3.11%3.24%4.11%4.25%3.75%3.2%9.2由555定时器构成的湿度检测电路的数据采集温敏电阻值R2/千欧1510255070100频率测量值/Hz45701303666.667277.778138.889102.04170.922频率

23、理论值/Hz47621298.7680.27280.11141.44101.3171.073相对误差4.03%0.33%1.99%0.83%1.80%0.72%0.21%10实验总结与个人感想 本次课程设计是做一个基于湿敏电阻湿度实现湿度测量的电路，经过两周的时间,我们终于完成了此次课程设计。本次课程设计我们是通过由运放构成的方波发生器和由555定时器构成的矩形波发生器来完成湿度检测的,这两种电路各有各自的优缺点。 对于由运放构成的方波发生器，其方波频率可由电阻的阻值的变化而成线性变化，这对后续的信号处理是很有帮助的，当湿敏电阻接入后，阻值随湿度的变化而变化，而方波发生器的频率则随湿敏电阻阻值

24、的变化而变化，接入的湿敏电阻可以很大,这样测量湿度的范围比较大,这是由运放构成方波发生器的优点，但缺点也明显，那就是该方波并不是数字信号，该方波的幅值在（Vz+Vd）与-（Vz+Vd）间变化，还得做进一步的后续电路处理才能将方波信号转化为数字信号，以方便后续单片机对信号的处理。而由555定时器构成的矩形波发生器的输出信号则为数字信号，不用再做处理就可直接为单片机所用，这个优点是不容置疑的。但该电路构成的矩形波发生器其频率并不随湿敏电阻阻值的变化而成线性变化，虽然有确定的关系式。而且当湿敏电阻阻值过大或过小时，该方波波形的占空比将严重偏离50%，这样造成由它构成的方波发生器测量湿度的范围比较小。 由相对湿度的定义我们可以知道，湿度并不仅仅与空气中的水汽有关，还与温度有关，因此后续单片机得对两种信号进行综合处理，这样才能减小误差。 通过这两个电路的对比，可以发现每个电路都会有其优点与缺点，关键是要如何取舍，同时还得仔细想想能否将其优点融合，但往往会碰壁，这正应了那