使用單片通用數字集成電路的濕敏電阻傳感器信號調理電路

宋陽 邵建波 孫煥博

摘? 要：濕度是指空氣中水汽含量的多少或空氣干濕的程度。在果蔬儲存，醫院呼吸機和室內空調等等都需要考慮濕度。測量濕度的方法有很多種，現在設計一個簡單的電路對濕度進行檢測估計。考慮現有的測量方法和儀器，本次設計電路更加簡單方便，成本也比較低。更適合在一些需要簡單估計濕度的環境。

關鍵詞：濕敏電阻;反相器;信號調理

中圖分類號：TN431.2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0063-02

Abstract： Humidity refers to the amount of water vapor in the air or the degree to which the air is dry and wet. Humidity needs to be considered in fruit and vegetable storage， hospital ventilators and indoor air conditioners. There are many ways to measure humidity. Now a simple circuit is designed to detect and estimate the humidity. Considering the existing measurement methods and instruments， the design circuit is more simple and convenient， and the cost is relatively low. It is more suitable for environments where simple estimation of humidity is needed.

Keywords： humidity sensitive resistor; inverter; signal conditioning

1 電路設計及主要元件

1.1 電路設計

電路由濕敏電阻，施密特反相器，電容等構成。濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發生變化這一原理而制成的。設計電路如圖1所示：

1.2 濕敏電阻的工作特點

濕敏電阻會隨著濕度的改變而阻值發生變化。濕敏電阻隨濕度溫度的變化曲線如圖2所示：

濕敏電阻與其他電阻不同，其他電阻可以直接在兩端加上直流電源和可以直接用萬用表測出電阻阻值。濕敏電阻只能在其兩端加上交流電壓，因為水分子是極性分子，在直流電場中會分解為H2及O2，影響測量，并且在濕度傳感器中存在導電離子，在高濕情況下， 直流的電場會導致濕敏電阻中的高分子材料中的帶電粒子偏向兩極，造成電導率漂移，影響濕敏電阻的壽命。濕敏電阻的額定電壓很小，很小的交流電一般很難做到和檢測。而且其他電阻可以接在處理器（CPU）的端口，由處理器（CPU）直接控制和檢測電阻的變化情況。濕敏電阻卻不可以這樣做。必須讓其在交流電環境下。所以本次設計難點在于怎么讓濕敏電阻正常工作。

1.3 施密特反相器的工作特點

施密特反相器和普通的反相器最大的不同點，在于當輸入電壓增大和減小時，電路有不同的閾值電壓和，其傳輸特性曲線如圖3：

施密特反相器常用于波形的整形和變換、脈沖幅度的鑒別，也可以用來構成方波振蕩電路。

其方波振蕩電路如圖1所示。當在接通電源的瞬間，電容C上的電壓為0V，輸出為高電平，隨后通過R對電容充電，當達到時，施密特反相器翻轉，輸出為低電平，充電時間為T1。此后電容開始放電，輸入電壓下降，當下降到時，電路又發生翻轉，輸出為高電平，放電時間為T2。如此反復形成振蕩。反相器的振蕩周期為：T=T1+T2。

2 原理介紹

本次設計實驗原理是利用濕敏電阻的阻值隨著濕度和溫度的變化而變化的特性設計使用單片通數字集成電路的濕敏電阻傳感器信號調理電路。反相器振蕩反饋過來的方波信號，可以看做交流電加在濕敏電阻兩端，可以使濕敏電阻正常工作。當溫度和濕度改變時，電路振蕩輸出波形的頻率也會不同。在已知環境的相對濕度的條件下測量對應于不同濕度的電路輸出信號， 找出環境的相對濕度與該相對濕度下電路的輸出頻率之間的關系。經過微處理器，即用此電路可對環境的濕度進行測量。

3 實驗過程及其數據分析

由振蕩周期的計算式可知，當加在反相器的兩端的電壓不變時，振蕩周期僅僅與電阻和電容有關。而濕敏電阻又受到溫度和濕度的影響，所以振蕩周期又和溫度，濕度有關。

3.1 濕敏電阻與濕度的關系

當選擇電容為0.27nf的電容，溫度27攝氏度，對不同的濕度測量對應的電路輸出的頻率如表1。

由表1的數據擬合成的變化曲線如圖4所示。

對得出的數據進行擬合函數得到如下曲線如圖5所示。

橫軸是濕度、縱軸是頻率。由擬合曲線可以看出在電容和溫度一定時輸出的頻率和環境濕度成線性關系，可以求出方程為：Y=16.253X-606.03其中Y為頻率，X為濕度。

3.2 濕敏電阻與頻率的關系

當濕度和電容值一定時考慮溫度對輸出頻率的關系，選取電容為0.27nf，濕度為55%RH，經實驗得到數據如表2。

對畫出數據大致曲線走向如圖6所示。

當濕度和電容一定時由圖可以看出輸出頻率與溫度是線性關系。擬合出函數為：Y=16.004Q-35.579，其中Y為輸出頻率，Q為溫度。

4 結束語

電路的輸出頻率與溫度、濕度成線性關系。電路穩定簡單便于實現操作。把電路用在空調上，當空調調到一定溫度時，可以由處理器判斷輸出波形來顯示當前濕度。以此判斷是否進行加濕處理。當用在果蔬存儲上，更加簡單的方便顯示當前濕度是否對存儲有影響。

參考文獻：

[1]牛德芳.半導體傳感器原理及其應用[M].大連理工大學出版社，1993.

[2]趙春華，張學軍.電子技術基礎仿真實驗[M].機械工業出版社，2008.