基于555定時器的濕度檢測電路的設計與Multisim仿真

曹莉凌，劉雨青，楊 琛，吳燕翔

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

濕度檢測及控制在日常生活及工程生產中應用廣泛。隨著電子技術日新月異的發展及新型器件的應用，濕度檢測電路設計方案[1]不斷更新優化。本文為配合電子技術實踐教學，遵循以下原則設計了一種新型濕度檢測電路：1）方案所應用到的知識點密切聯系模擬、數字電子技術課程教學內容[2-4]；2）不采用單片機等微處理器，而采用常用邏輯功能器件進行信號處理；3）設計方案的硬件電路調試方便，滿足實踐教學的可行性。本文切合以上原則，基于Multisim仿真軟件[5]，利用555定時器設計了濕度檢測電路，仿真結果顯示，本文設計電路準確、穩定，轉換精度高，線性度高，且成本低。

1 濕度檢測電路設計方案

本文依照圖1設計了濕度檢測電路。濕度采集模塊將濕度值轉換為電壓信號；壓頻轉換模塊[6]間接地實現模/數轉換，將電壓信號轉換為數字頻率信號（方波）；濕度測量及顯示模塊通過測量頻率大小測量出環境濕度值，并進行顯示。

圖1 基于555定時器設計的濕度檢測電路Fig.1 Humidity detection circuit based on 555 timer

2 濕度檢測電路模塊設計

2.1 濕度采集模塊設計

日常生活中所指的濕度常為相對濕度，用%RH（Relative humidity）表示，即氣體中的水蒸氣壓與其氣體的飽和水蒸氣壓的百分比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。

HM1500是一款典型的線性電壓輸出式濕度傳感器，其輸出是與相對濕度呈線性關系的電壓信號，如式（1）所示。

如圖1所示，HM1500將濕度值轉換成電壓信號后，經信號處理模塊處理，實現整個濕度采集模塊輸出電壓值與濕度值呈正比例函數線性關系，如式（2）所示。

基于multisim仿真軟件設計的具體電路如圖2所示。其中，由于multisim不支持HM1500元件，仿真過程采用虛框（a）中電路，其輸出為0～4 V可調，可模擬濕度RH變化范圍。虛框（b）中電路可產生穩定輸出1.079 V。基于運算放大器設計的減法電路如虛框（c）中所示。根據表1中不同濕度RH值下傳感器輸出值調節電位器R2，得到相應的采集模塊輸出值，由表1中數據及圖3所示曲線可知，濕度采集模塊實現了其輸出電壓值與濕度值呈正比例函數線性關系，即式（2）所示。

圖2 濕度采集模塊設計Fig.2 Design of humidity acquisition module

表1 采集模塊仿真數據結果Tab.1 Simulation results of acquisition module

2.2 壓頻轉換模塊設計

壓頻轉換模塊由集成運算放大器差分積分電路及555定時器單穩態觸發電路構成，如圖4所示。其中，R1=R4，C1=C4，電路輸出高電平記為 Uoh，低電平記為Uol，要求 Ui

根據555定時器的內部結構分析得，圖4中壓頻轉換電路含兩種狀態：初始狀態和穩定狀態。在這兩個狀態下，Utr，Uth和Uo的波形如圖5所示。

圖3 采集模塊輸出與濕度值線性關系Fig.3 Linear relation between humidity and outputs of acquisition module

初始狀態：上電時，Utr，Uth均為低電平<1/3VCC，555 則輸出Uoh，差分積分電路中C1、C4從Utr=0 V開始充電，單穩態電路中C2也從Uth=0 V開始充電，適當選擇電路參數，使得Utr充電到>1/3VCC時，C2上充的電壓Uth<2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、C2繼續充電， 當 C2上充的電壓 Uth>2/3VCC 時，Utr仍然 >1/3VCC，輸出則變為Uol，此時，C2通過555內部放電管迅速放電為 0 V，即 Uth=0 V<2/3VCC，而 C1、C4通過電阻 R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持，電路繼續放電。

圖4 壓頻轉換電路Fig.4 Voltage-frequency-conversion circuit

穩定狀態：當放電使得Utr<1/3VCC時，由于此時Utr=0 V<2/3VCC，則輸出變為 Uoh，此時 C1、C4從 Utr=1/3VCC開始充電，C2則從Uth=0 V開始充電，則肯定有Utr充電到>1/3VCC時，C2上充的電壓 Uth<2/3VCC， 則輸出保持 Uoh，C1、C4、C2繼續充電，當C2上充的電壓Uth>2/3VCC時，Utr仍然 >1/3VCC，輸出則變為Uol，此時，C2通過555內部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V<2/3VCC，而 C1、C4通過電阻 R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持Uol，電路繼續放電，當放電使得Utr<1/3VCC時，由于此時Uth=0 V<2/3VCC，則輸出變為Uoh。則該穩定狀態不斷重復。

圖5 壓頻轉換電路波形圖Fig.5 Waveform of voltage-frequency-conversion circuit

根據以上分析可知，進入穩定態后，若令充電時間為t1，放電時間為t2，周期為T=t1+t2，由555電路構成的單穩態電路分析知：

運算放大器LM324構成的差分積分電路中，

由式（4）~（6）得：

由 U+=U-得：

該差分電路充電時：

由三要素法得：

由電容電荷量公式得：

將式（6）（9）（10）代入（8）得：

經過t1時間充電后，電壓增量為：

該電路放電時：Uc4（t1）為 C4放電初始電壓值，Q（t-t1）為放電t-t1時間釋放的電荷量。

差分積分電路Utr經過t2時間放電后，電壓差值為：

由式（13）（15）（16）（17）得：

根據前文分析，差分積分電路充放電升降壓平衡，則有：

由式（3）（12）（18）（19）得：

本文中，Uoh=5 V，Uol=0 V，則

由（21）式可知，電路輸出頻率值與輸入電壓 Ui呈線性關系。

根據式（21）及表1分析，設定該模塊中，

因此，本文設計中，取C2=10μF，則R2=466.9Ω（實際用1 kΩ電位器）。

本文基于multisim軟件，針對10個不同輸入情況對圖4所示電路進行了仿真。經過仿真，調節參數R2=1k×48.8%=488Ω，其它參數如圖4所示不變。圖6所示為部分輸入 時仿真所得，和的波形，波形結果與前文分析一致。表2為所有仿真情況數據結果統計。根據表2中仿真數據繪制出圖7所示壓頻轉換線性關系曲線。由表2及圖7結果可知，本文設計的壓頻轉換電路轉換精度高，且轉換線性度高。

2.3 濕度測量及顯示模塊設計

本文設計的濕度測量及顯示模塊如圖8所示。設計100進制BCD計數器對壓頻轉換電路輸出頻率信號進行計數，設計多諧振蕩器產生圖中所示波形①作為計數器使能信號，波形①通過非門取反后產生波形②作為鎖存器CLK信號，波形②通過非門取反后產生波形③作為計數器清零信號。整個控制端信號實現如下控制時序：計數器計數結束時鎖存計數值，鎖存好計數值后清零計數器，以等待6 s后進行下一次計數。該部分詳細設計及電路仿真不在本節贅述。

圖6 壓頻轉換模塊仿真結果Fig.6 Simulation results of voltage-frequency-conversion circuit

表2 壓頻轉換模塊仿真數據結果Tab.2 Simulation data results of voltage-frequencyconversion circuit

圖7 壓頻轉換線性度Fig.7 Linear relation between voltage and frequency

圖8 濕度測量及顯示模塊設計Fig.8 Design of humidity measure and display module

3 總體設計

根據圖1設計方案，將2.1～2.3節介紹的各模塊設計電路進行連接即可得到基于555定時器設計的濕度檢測系統的總體電路，本節模擬表1中環境RH值對總體電路進行了仿真。不同RH值的環境下，數碼管顯示的數據如表3所示，本文提出的濕度檢測電路準確，存在誤差為1%～3%。

4 結 論

本文基于555定時器設計的濕度檢測電路準確、穩定，轉換精度高，線性度高，成本低。設計方案融合了模擬電子技術及數字電子技術課程基本教學內容，可作為實踐項目用于教學。

表3 總體設計仿真Tab.3 Simulation of overall design

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