湿度检测电路设计报告

湿度检测电路的设计报告一．设计要求电路能检测（35%—85%）RH/oC的湿度值，精度约为4.0%。用RH湿敏电阻H104R。用热敏电阻RT进行补偿。总体设计画出原理框图。单元电路设计。原理图设计并绘制原理图。利用仿真软件进行电路仿真，列出原件明细表。撰写电路说明书。二．设计的作用及目的实践所掌握的电子制作技能。会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试,进一步完善理论设计。通过查阅手册和文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则。掌握模拟电路的安装、测量与调试的基本技能熟悉电子仪器。分析实验中出现的正常或不正常现象（或数据）独立解决调试中所发生的问题。学会撰写课程设计报告。培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风。通过本课程设计的教学训练，使学生掌握电路原理图的设计方法，掌握电路板的绘制方法和技巧。培养学生的动手操作能力。提高学生的专业技术水平。为学生将来就业于电子类技术岗位打下扎实的基础。巩固所学的相关理论知识。1.系统概述湿敏电阻是最常见，价格也是最低的一种传感器之一。下面介绍利用湿敏电阻及相应的外围的设计而形成的相对湿度测量仪。本仪器采用温度补偿，非线性补偿和湿度校准等各项技术，实现了电路的优化设计。测量范围是在35%RH—85%RH,测量精度为4%。该相对湿度测量仪点路况图如下图所示：图1：湿度测试电路框图该电路的电源电压为土12V,振荡电路的振荡频率为lKHz。传感器线性补偿由三个电阻的串并联网络组成而且对输入信号有很大的控制范围。RH湿敏电阻Hl04R的温度系数为0.7%RH/°C。常用热敏电阻RT为温度补偿电路。它和后级的温度放大电路是同时取出相应的温度输出信号。可将湿度传感器取出的信号经也放大，并与热敏电阻的温度信号一起经过合成后输出相应的湿度信号。采用这种电路能检测(35〜85)%RH/°C的湿度值，精度约为土4.0%。电路中，U为输出的相应的湿度信号，U0102为输出的相应的温度信号。湿敏电阻只能在交流信号下工作，即采用正弦信号来驱动湿敏电阻。即选用频率为1000Hz。电压为4.5V的正弦信号。其其输出信号不包含直流分量。解决负系数热敏电阻的热敏电阻的非线性采用了热敏电阻和温度系数很小的电阻并联构成电阻网路代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度陈线性关系。等效电阻，可知R与TrRCT的关系曲线比较平坦，因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。利用湿度校准电路和温度补偿电路对35%RH、85%RH俩点进行校准。对电路整体进行调试：①调节电位器R5，使A］的振荡电压为4.5V;②用20kQ假电阻替换热敏电阻RT;③用68kQ假电阻替换湿度传感器H104R，调节电位器R，使U输出为4.0V;④2601将68kQQ假电阻，调节电位器R，使湿度输出U为8.0V;⑤1801重复③、④步骤2-3次，将电位器固定，湿度输出U为4.0V和018.0V，再将假电阻换成湿度传感器和热敏电阻进行以下调整：⑥将传感器置于40%RH大气中15min,调节R，使U为4.0V，再2601将传感器置于80%RH大气中15min,凋节R，使u为8.0V，反1801复调节2一3次即可。2.单元电路设计、仿真与分析（1）直流稳压电源单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。电路图2所示。lOQnFlOQnFa电源变压器可通过降压变压器实现。b整流部分采用桥式整流，可采用4个整流二极管接成桥式,也可采用二极管整流桥堆。c滤波电路在电流输出不大的情况下一般选用电容滤波即可。d三端集成稳压器有固定输出和可调输出两种。由于课题要求的输出电源都是固定的，所以稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器。元件参数的选择：整流部分二极管的选择：在单项桥式整流中。设负边电压为

u={2Usinwt (1-1)22U为其有效值12V。由整流的特点可知：输出电压平均值21TOC\o"1-5"\h\zU =-i\：：2Usinwtd(wt) (1-2)O(AV)兀0 2可得:U =^；2U2沁0.9U (1-3)O(AV) 兀 2输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值):U 0.9U1-4)I =―O(AV)沁1-4)O(AV)R RLL在整流二极管的选择中,二极管承受的最大反向电压1-5)U=^21-5)Rmax 2考虑到电网电压的波动范围为±10%,在实际选用二极管时,应至少有10%的余量，选择最大整流电流I和最高反向工作电压FUrm分别为TOC\o"1-5"\h\z1.1I 迈U / 、I> O(AV)=1.1 2 (1-6)F 2 兀RLU >1.1迈U (1-7)RM 2滤波部分的电容的选择：由热敏电阻的补偿电路特点可知负载电流的平均值为I =100mA、输出平均电压为U =12V。L(AV) O(AV)C的取值满足RLC=RLC=(3~1-8)的条件。R一"o(AV)—―12一Q—1200 (1-9)LI 100X10-3L(AV)电容的电容量为1-101-10)C—(3~5)20X10-3 12120电容的耐压值为U>1.K2U2—1.1\2x12沁18.7V (1-11)实际可选电容容量为470rf、耐压为25V的电容为本电路的滤波电容。集成稳压器的选择：表一：三端稳压器性能指标参数测试条件W7812输入电压U[(V)+15〜+25V输出电压Uo(V)I0=500mA+12V电压调整率Sv(V)U［〜电流调整率S[I:10mA〜1.5Ao<0.1%负载电流I0(A)U［〜显然，由表1可知，所选的W7812三端集成稳压器满足课题技术.

直流稳压源的Multisim模拟仿真如下图3所示:图3：直流稳压电路仿真结果图RC正弦振荡电路正弦波振荡电路必须由以下四个部分组成：放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节。如图4所示:Key=A图4：RC正弦振荡电路图工作原理：由RC串联选频网络和同向比例运放电路所构成的RC桥式正弦波振荡电路如图4所示。观察电路,负反馈网络的R、R、R，12 5以及正反馈网络中的心和C并联的R和C各位一臂构成桥路。3 1 4 2集成运放的输出端和“地”接桥路的俩顶点作为电路的输出;集成运放的同向输入端和反向输入端接另外俩个顶点，是集成运放的净输入电压。正反馈网络的反馈电压U是同向比例运算电路输入电压,f因而要把同相比例运算电路作为整体看成电压放大电路，他的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和复制平和条件A=-A=-U^=1+R+R5>3 (2-1)u.UpR1R+R>2R2 5 1(2-2)R2+々的取值要略大于吟应当指出’/J具有良好的线性关系，所以为了稳定电压的幅值，一般在电路中加入非线性环节。在R+R回路中串联的二极管，利用电流增大时二极管的25动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点。当U因0某种原因而增大时，流过R+R上的电流增大，R上消耗的功率2 5 1随之增大，导致温度升高，因而R的阻值增大，从而使得A数1u值减小，U也就随之减小；当U因某种原因而减小时，各物理00量变化与上述变化相反，从而可达到输出电压稳定。在二级管加入的非线性环节，此时比例系数为2-3).R+R+r2-3)=1+T5 duR1元件参数的选择：因为湿敏电阻的工作要求产生频率为1KHZ，电压为4.5V的正弦波电压。故有1f二二1000 （2-4）0 2兀RC再根据实际条件可知道R=R=160000、C二C二10nF3 4 1 2

R=R=10000Q之间。12RC正弦振荡电路Multisim模拟仿真如图5所示:會万用表-XMM1图5：RC正弦振荡电路仿真结果图对湿敏电阻的线性补偿电路湿敏电阻的线性补偿是利用与其它湿度系数小的电阻进行串并联来实现的。电路图如图6所示：

R1*—R1*—30kn 1JI Ar215kn1MQ41RH68kn图6：湿敏电阻的线性补偿电路湿敏电阻的线性补偿电路是整个电路的最重要的变量控制器。那么就要有有较大的控制范围，即在输入端电压大小为4.5V频率为lKHz的定量输入信号的情况下，那么在改变电阻RH时要有较大的电压输出范围。由图可得输出电压的大小为=4.5x2 3=4.5x2 3RH(3-1)由式(3-1)可知。要有较大的控制范围则需要R适中，R取一12个比较大的阻值而R是一个相对较小的电阻。在选取阻值大小时3也要结合实际的成本等问题。故选择R二3OK0,R二1MQ,R二15KQ。即u的输出范围是1.9〜3.2V。1 2 3 0跟随隔离电路该跟随器在电路中起到隔离缓冲的作用。电路图如图7所示:根据“虚短”和“虚断”可得TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"u二u (4-1)-0u=u (4-2)-+u=u (4-3)Pi由式(4-1)(4-2)(4-3)可得：u=u (4-4)0i故输出电压等于输入电压。这种放大电路中输出与输入的相位相同。故电压放大率为1。但电流放大率大于一，理想跟随器的输入阻抗无限大，输出阻抗为零。元件参数的选择0，输出电阻为400，带宽为600MHz，转换速率为2000V/rs。即符合电路的要求。隔离跟随电路的Multisim模拟仿真如图8所示：

图8：跟随隔离电路仿真图温度补偿电路温度补偿电路是一个可调输入大小的同相比例运算电路,电路图如图9所示:图9：温度补偿电路图

工作原理:电路引入了电压串联负反馈，故可认为输入电阻无穷大，输出电阻为零。即使考虑到集成运放参数的影响，输入电阻也可达到1090以上。如下图10所示为同相比例运算电路原理图。图10：同向比例运算原理图根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入量为零,即u=u=u (5-1)- +I说明集成运放有共模输入电压。净输入电流为零，因而i二i即:IF(5-2)(5-3)u—0u—u(5-2)(5-3) 二 RR1 FR、=(1+—^)uR+1由上式可得:Ru二(1+—)u (5-4)0 RI1有电路图可知输入电压为2.6V〜3.3V之间，即可实现在不同温度下对电路实行不同电压的线性补偿。假设湿敏电阻在25oC的情况下工作，热敏电阻的阻值为2OK0，由式(5-4)可知该运放的放大倍数为5.45倍。下图为25oC的情况下的温度补偿电路输入与输出电压Multisim模拟仿真如图11所示：图11:25oC情况下温度补偿电路仿真图差模放大电路湿敏电阻在正弦信号的驱动下经过跟随器、整流滤波电路所产生的直流信号和温度补偿电路产生的直流补偿信号可经过差模放大电路叠加到一起来实现对湿度的精确测量。因为湿敏电阻H104R在湿度增加的过程中湿敏电阻的阻值是在

减小的。在该电路中当R104H电阻减小流过的电流增大即该电阻的做工增多温度增高，H104R在相同的湿度下当温度升高时电阻也是减小的，故选用差模放大电路来进行温度补偿。电路图如图12所示：工作原理：从对比例运算电路和就和运算电路的分析可知，输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因而如果多个信号同时作用与两个输入端时，那么必然可实现差分比例运算。如下图13所示为运算原理图。 11 11 «!<>一1A砧一1_R|图13：差分比例运算原理图（（6-1）（6-2）（6-3）（6-4）（6-5）6-6）在理想条件下，由于“虚断”R'U― FU+R+R1R1FRU=FU+ 1U-R+RIR+Ro1F 1F由于“虚短”，u+=u-所以R R RrFU+ 1U=FUR+RiR+Ro R'+RiTOC\o"1-5"\h\z1F 1F 1F电压传输关系为U' U\o"CurrentDocument"U=R（1一 _L）0FR' R11元件参数的选择：根据湿敏电阻H104R具有0.7%RH/oc温度系数。故R是R的1.212倍，为了不超过集成运放器的最大输出电流两点组应该选千欧级的电阻。故选R=120KQ,R=100KQ,为了不产生较大的放大12电压影响下一级的集成运放器正常工作，即不能有大的放大倍数。所以选择R3=100K0。在差分放大电路中有6-7）6-7）=+—-RRRR4 1 3 2即R=120KQ。4差分放大电路输入与输出Multisim模拟仿真如图14所示:

图14：差模放大电路图仿真图湿度校准电路湿度校准电路图是一个可调放大倍数同相比例运算电路。电路图如图15所示：图15：湿度校准电路工作原理、电路仿真结果与温度补偿电路的工作原理、电路仿真类似。参考上文温度补偿原理的介绍和电路仿真结果。3.PCB版电路制作（1）简单原理图设计创建一个新的设计文件管理库装入所需的元件库（2）绘制电路图打开有关工具栏原理图文档参数设置放置组件连接元器件放置电源部件放置电气连接点放置电路I/O端口放置网络标号放置总线3）网络表文件输出电路图检测正确与否由原理图生成网络表生成元件列表4）元件封装加载网络表与元件加载元件封装库检测元件封装名正确与否，装入网络表和元件（5）元件布局元件的自动布局手工调整原件布局（6）自动布线①设置工作层面②自动布线参数设置自动布线（7）手工调整（8）输出PCB电路板如下图16所示为电路的PCB电路板□□_ILn:廿AN□_L*n-•□nnd_l•-I.—:-hr*♦•flu*

□□_ILn:廿AN□_L*n-•□nnd_l•-I.—:-hr*♦•flu*

ndnu□口nunsH-「s口r~|insTJ_unun-•丄一UTIT*mnuoLll-..nu*_u□图16：湿度检测电路PCB电路板四.心得体会及建议对于本次课程设计基本上达到了课题的要求。因为在该电路中用到了湿敏电阻R104H和热敏电阻RT。因为它们同属于传感器一个类型，实际中的电性特点和Multisim模拟仿真中的理论电阻值是有很大的差别。这就是我们没有在Multisim模拟仿真中做出理想的结果的主要原因。但是我们对每一个模块的分析还是分析的非常的透彻的。其中有直流稳压电源、RC正弦振荡电路、对湿敏电阻的线性补偿电路、跟随隔离电路、温度补偿电路、差模放大电路、湿度校准电路。在这些模块分析中感到最困惑的就是元器件的选择和参数的确定。因为我们是第一次进行课程设计，也就是说第一次考虑接近实际的情况。在实际中选择最合适电路阻值元件不是最好的选择，因为要考虑到该元件的成本问题，比如说在电路中需要一个无穷大的电阻，但我们平时选择兆欧级的电阻。还有每一级运算产生的误差分析。都是和纯粹理论有区别的。在本次课程设计中最主要应用的是关于集成运放的相关知识，而且对其中的同相比例运算器、跟随器、差分放大器等在电路中应用很广泛。而且还应用了对非线性电阻线性化的知识。在本次课程设计中遇到了多个变量控制输出结果时，在思维方法上应用了控制变量法思路进行分析问题的。通过这几周的课程设计，我对一些专业知识和电子设计有了更深的了解，同时也尝试着去应用自己的所掌握的知识。本次电子课程设计主要是对本学年学习的模拟电子技术的应用，同时加上电路等知识，设计一些课题。经过几天的奋战,我感受很深。电子课程设计不仅给我们提供了一个很好的展现应用自己所掌握的知识的平台,又是检验自己所学知识的一次考核。我们运用各自在各方面的优势中和起来,形成了一个团队。通过团队力量,才使设计得以完成。