精品论文]自动化专业方向设计报告-基于hs1101的湿度测量仪设计

精品论文]自动化专业方向设计报告-基于hs1101的湿度测量仪设计内容摘要：

电压转换器，采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内（ 55℃ — +125℃）都有极高的精度，而且其转换的线性精度高达177。 ％、功耗低（ 5V 单电源时典型值为 15mW）、动态范围宽、满量程频率范围宽 (1Hz— 100kHz),故为该系统的最优方案。 (3)模数转换单元模块选择与论证 方案一：采用 A/D 转换芯片 ICL7107， ICL7107 是高性能、低能耗的三位半 A/D 转换器电路。 它包含有七段译码器、显示 驱动器参考源和时钟电路，但引脚较多，共有 40 个引脚，而且 ICL7107 需要直接接数码管，故本系统不采用。 方案二：采用集成 A/D 转换器 ADC0801， ADC0801 是较流行的中速单通道 8 为全 MOS A/D转换器，它内部含有时钟电路，只需外接一个电阻和电容就可自身提供时钟信号，而且引脚较少，控制较为简单。 因此，本方案为首选方案。 综上所述，模数转换单元模块选择方案二。 (4)显示单元模块选择与论证 方案一：采用 12864 液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但 12864 液晶模块价格 昂贵，接线复杂，故不采用。 方案二：采用四位共阳极数码管显示所测数据，数码管接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于 12864 液晶。 因此，本方案为首选方案。 综上所述，显示模块选择方案二。 四、系统设计 系统硬件电路设计 (1)湿度的测量 本系统采用 HS1101 作为湿度传感器， HS1101 是美国 Humirel 公司新推出的湿敏电容，采用了固态聚合物（ solid polymer）专利技术，能够成不同输出形式的相对湿度检测电路，还可用作湿度补偿。 ① HS1101 的性能特点 4 a、测量范围是（ 0～ 100﹪） RH。 在 55﹪ RH 下的标称电容量为 180pF,允许有177。 3pF 的偏差。 温度系数为 +℃。 在（ 33％～ 75％） RH 范围内的平均灵敏度为。 b、产品具有良好的互换性。 在标准条件下（ 10kHz 、 +25℃），更换 HS1101 时不需要重新标定。 c、既可以构成线性电压输出电路，亦可组成线性频率输出电路。 由它们组成振荡电路时，振荡频率范围是 5kHz～ 100kHz，典型值为 10kHz。 d、响应速度快（响应时间为 5s） ,恢复时间短（ 10s），长期稳定性好（年漂移量仅为177。 ％RH），湿度滞后量为177。 ％。 e、供电电压一般选 +5V，最高不超过 +10V。 +5V 供电时漏电流仅为 1nA。 工作温度范围是40℃～ +100℃。 ② HS1101 的工作原理 图 2示出某典型产品的电容量与相对湿度的响应曲线，其测试条件为工作频率 f=100kHz，室温 AT =+25℃。 量湿敏电容在 55％ RH 下的电容量为 0C ，如图 2可见，该产品的 0C =。 当相对湿度从 0％变化到 100％时， 0C 就从 163pF 增加到 202pF。 图 2 某典型产品的电容量与相对湿度的响应曲线 当 RH≠ 55％时，可按下式对电容量进行修正： 0)( CRHC  (1) 利用式 (1)不难验证，当 0C =、 RH 分别等于 0％、 100％时， C 依次为 、 5。 这与从图 2上所查到的结果完全一致。 当工作频率 f≠ 10kHz 时，应按下式计算实际电容量 C ： CfC )ln0 1 1 8 2 (  (2) 式中，频率单位是 kHz ，允许工作频率范围是 5kHz ～ 100kHz。 举例说明，当 kHzf 5 时，利用式 (2)计算出 CC  ；当 kHzf 100 时， CC 。 (2)湿度 /频率转换电路（ 线 性频率输出式相对湿度测量电路 ） HS1101 将湿度变化转换为电容变化，再将电容的变化转换为频率信号的变化。 本设计应用了有 NE555 定时器组成的典型的多谐振荡电路。 线性频率输出式相对湿度测量电路如图 3所示，利用一片 CMOS 定时器 NE555，配上 HS1101和电阻 2R 、 4R 构成单稳态电路，将相对湿度转化为频率信号。 输出频率范围是 7351Hz ～6033Hz ，所对应的相对湿度为 0％ ～ 100％。 当 RH=55％时， f =6660Hz。 输出频率信号可送至数字频率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。 3R 为输出端的限流电阻，起保护作用。 图 3 线性频率输出式相对湿度测量电路 通电后，电源沿着电源      124 CRR 地的途径给 C 充电，经过 1t 时间后湿 6 敏电容的压降 CU 就被充电到 NE555 的高触发电平 )( CCH UU  ，使内部比较器翻转， Q 端的输出变成低电平。 然后 1C 开始放电，放电回路为 DCRC    21 端 → 内部放电管 → 地。 经过 2t 时间， CU 降至低触发电平 ）（ CCL UU  ，内部比较器再次翻转，使 Q 端输出高电平。 这样周而复始的进行充、放电，就形成了震荡。 充电、放电时间分别为 2ln)( 4211 RRCt  (3) 2ln22 CRt  (4) 输出波形的频率 (f )和占空比 (D)的计算公式如下： 2ln)2( 111 4221 RRCttTf  (5) 42422111 2 RR RRtt tTtD  (6) 通常取 24 RR  ，使 0050D ，输出接近于方波。 例如，取  kR 5762 、  kR 时， D=52％。 当 pFCC  时，由式 (5)求出 Hzf 6668 ，这与 6660Hz（典型值）非常接近。 0055RH 、CTA 025 时，输出方波频率与相对湿度的数据对照见表 1。 表 1 输出方波频率与相对湿度的数据对照表 RH/(％ ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 f/Hz 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 当 0055RH 时，可利用下式对输出频率进行修正： fRHf )1 9 7 0 3 (  (7) 举例说明，当 RH=0％时，由式 (7)计算出 f = = 6660Hz=。 同理，当RH=100％时， f = =。 这与表 1中给出的数据相吻合。 (3)频率 /电压转换电路 将湿度信号转换为频率信号后，由于 A/D 转换的信号是电压信号，所以必须将频率信号进一步转换为电压信号。 频率电压（ F/V）转换采用了 LM331。 ① LM331 概述 LM331 是美国 NS 公司生产。