一種濕度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

摘 要：采用電容式相對(duì)濕度傳感器HS1100/1101，設(shè)計(jì)一種濕度測(cè)量電路。通過實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)，用其結(jié)果繪制出相對(duì)濕度RH與電路輸出頻率F的關(guān)系曲線。單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理編程采用分段線性化方法，降低了編程難度。該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于溫度、濕度測(cè)量控制電路系統(tǒng)中，具有可靠、穩(wěn)定、反應(yīng)快速等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濕度測(cè)量;電路設(shè)計(jì);RH-f曲線；HS1100/1101

中圖分類號(hào)：TN403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)2000403

Design of Humidity Measurement Circuit

SHAO Sifei1，2，ZHOUMeili1，HE Erchao1

(1.College of Physics Electronic Information，Yan′an University，Yan′an，716000，China;2.Innovation College，Yan′an University，Xi′an，710100，China)

Abstract：A design of a Relative Humidity(RH) measuring circuit using capacitive sensor HS1100/1101 is presented in this paper.Using actual circuit experimental results，the curve of relative humidity and circuit output frequency F is rendered.Meanwhile，the data acquisition of output frequency in a single chip computer using the piecewise linear programming methods which reduce the difficulty of programming.The design has been applied to measurement and control system of temperature and humidity with the characteristics of reliability，stability，rapid response and so on.

Keywords：humidity measurement;circuit design;RH-f;curve;HS1100/1101

1 引 言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、科研等部門，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制，快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出環(huán)境濕度有著重要作用。電容式相對(duì)濕度傳感器HS1100/1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，可用于線性電壓或頻率輸出回路當(dāng)中^［1］。本設(shè)計(jì)采用HS1100/1101的頻率輸出特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的測(cè)量。

2 HS1100/1101的特點(diǎn)及輸出特性

HS1100/1101采用具有專利權(quán)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，它具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需要校正，長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕，高可靠性等特點(diǎn)，可用于作業(yè)環(huán)境濕度自動(dòng)化及工業(yè)控制系統(tǒng)，同時(shí)在需要濕度補(bǔ)償?shù)牡胤剿部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。其輸出電容與相對(duì)濕度特征曲線如圖1所示，該曲線中的數(shù)據(jù)是在工作頻率為10 kHz，工作溫度為25 ℃下測(cè)定的數(shù)據(jù)。 此曲線的方程如下^［1］：

C=C0(1.25×10－7RH3－1.36×10－5RH2+

2.19×10－3RH+9.0×10－1)

式中，C0為工作頻率等于10 kHz，相對(duì)濕度RH為55時(shí)HS1100/1101表現(xiàn)的電容值，C單位為pF。

由于該電容的測(cè)量是在10 kHz條件下測(cè)得的，而傳感器HS1100/1101可工作于5～100 kHz范圍內(nèi)，并沒有限制必須工作于10 kHz上，因此當(dāng)工作于其他頻率時(shí)，必須對(duì)該曲線進(jìn)行校正，其校正公式如下所示：

C=C1(1.027－0.011 85ln(f))

式中C1為工作頻率為10 kHz時(shí)傳感器的典型電容值；f為電路工作頻率，單位為kHz。在利用傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)為了達(dá)到更好的互換性，回路中需要把傳感器的第2腳接地。該腳已經(jīng)標(biāo)記在傳感器頭的背面的標(biāo)簽上。

圖1 HS1100/1101典型輸出曲線

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)主要由控制電路、濕度測(cè)量電路、接口電路、顯示電路和鍵盤組成，如圖2所示。其中，控制電路采用AT89C51單片機(jī)以及外圍元件構(gòu)成，主要完成定時(shí)、濕度頻率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示等任務(wù)。濕度測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度與頻率的轉(zhuǎn)換，其輸出信號(hào)的頻率與濕度單值對(duì)應(yīng)。接口電路主要完成輸出頻率信號(hào)的整形、電平匹配等，送入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1 。T1工作于計(jì)數(shù)器方式，定時(shí)記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)。

圖2 系統(tǒng)電路框圖

3.2 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)及工作原理

HS1100/ HS1101 電容式濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接收的信號(hào)，常用2種方法:一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集^［2］。本文采用第二種方法，因此在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，可略去接口電路。

由HS1100/1101與555定時(shí)器構(gòu)成的非穩(wěn)態(tài)振蕩電路如圖3所示，它是典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。555必須為CMOS型定時(shí)器。HS1100/1101作為定時(shí)電容CT接在555的2腳（TRI）和6腳（THR）上，R3起輸出短路保護(hù)作用。引腳7連接于電阻R4與R2之間，這樣充電支路為R4，R2，CT，放電支路為CT，R2。

當(dāng)電源+Vcc接通時(shí)，CT兩端的電壓Vc=0，定時(shí)電路處于置位狀態(tài)，由+Vcc通過R2與R4對(duì)變量電容CT充電，當(dāng)Vc達(dá)到門限電壓（2/3Vcc）時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，CT通過R2向555內(nèi)部的放電管放電，當(dāng)Vc降低到觸發(fā)電平（1/3Vcc）時(shí)，定時(shí)電路又翻轉(zhuǎn)為置位狀態(tài)，CT開始充電，這樣周而復(fù)始，形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間Thigh、放電時(shí)間Tlow、振蕩頻率F可描述如下：

Thigh=C|%RH(R2+R4)ln 2

Tlow=C|%RHR2ln 2

F=1/(Thigh+Tlow)=1/(C|%RH(R4+2R2)ln 2)

占空比=ThighF=(R2+R4)/(R4+2R2)

為了使占空比接近50%，R4與R2相比，應(yīng)該非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100/1101起始充電電流的限制。一般要求起始充電電流不大于5 mA。當(dāng)外界濕度變化時(shí)引起HS1100/1101電容值的改變，從而改變回路的輸出頻率值。其輸出端Fout與51單片機(jī)的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內(nèi)部溫度補(bǔ)償用，應(yīng)具有1%的精度，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與HS1100/1101的溫度效應(yīng)相匹配。由于不同型號(hào)的555的內(nèi)部溫度補(bǔ)償有所不同，所以R1的值必須與特定的芯片相匹配。此電路所用的電阻阻值及元件如圖3所示。

圖3 非穩(wěn)態(tài)振蕩電路

基于圖3所示電路參數(shù)，在溫度為25 ℃，典型的環(huán)境濕度下測(cè)量其對(duì)應(yīng)的頻率值，通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到幾種典型相對(duì)濕度值所對(duì)應(yīng)的頻率值，如表1所示。RH為百分比相對(duì)濕度；F為輸出頻率，單位是Hz。

表1 頻率輸出典型參數(shù)

RH01020304050

F/Hz7 2857 1597 0356 9136 7916 667

RH60708090100

F/Hz6 5406 4096 2736 1305 978

根據(jù)表1所示的典型參數(shù)值，這里以溫度25 ℃，頻率F0=6 600 Hz，F(xiàn)單位為Hz，相對(duì)濕度RH=55為參考點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，繪制出所測(cè)相對(duì)濕度與輸出頻率之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。其曲線方程式如下：

F=F0（1.103 8－1.936 8×10－3×RH+

3.011 4×10－6×RH2－3.440 3×10－8×RH3)

4 數(shù)據(jù)處理

本文中數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是確定測(cè)定的頻率與相對(duì)濕度值之間的計(jì)算關(guān)系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機(jī)的T1腳相連，計(jì)數(shù)出1 s的脈沖個(gè)數(shù)，即振蕩器的輸出頻率，然后進(jìn)行頻率與濕度之間的轉(zhuǎn)換。但由于頻率與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線是非線性的，單片機(jī)對(duì)它的處理能力較差，為了使其處理過程簡(jiǎn)化，將RH-F曲線分段線性化處理。頻率6 667 Hz（50%）與6 409 Hz（70%）將該曲線分為3段近似直線，使單片機(jī)在不同的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行不同的線性轉(zhuǎn)換。其頻率-濕度對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系如下：

CH1： RH=50（7 285－f）/618， f≥6 667 Hz

CH2： RH=20（6 667－f）/258+50，

6 409 Hz≤f<6667 Hz

CH3： RH=30（6 409－f）/431+70，

f<6 409 Hz

根據(jù)以上3種線性關(guān)系可編寫出用51單片機(jī)顯示所測(cè)濕度值的程序。

圖4 相對(duì)濕度與輸出頻率之間的關(guān)系曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

相對(duì)濕度傳感器HS1100/1101應(yīng)用廣泛，利用它與555定時(shí)器構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)電路可測(cè)出周圍環(huán)境下的相對(duì)濕度，通過調(diào)試，該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于“林區(qū)溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”中。此設(shè)計(jì)具有硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，但由于在實(shí)際操作過程中條件所限，所測(cè)的濕度值與真實(shí)值存在一定的誤差，需做進(jìn)一步完善。

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作者簡(jiǎn)介 邵思飛 男，1965年出生，陜西榆林人，副教授。主要從事電子技術(shù)教學(xué)及材料方面的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文