一種濕度測量電路的設計

引 言 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/163698.htm 在工農業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、科研等部門(mén)，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制，快速、準確地測量出環(huán)境濕度有著(zhù)重要作用。電容式相對濕度傳感器HS1100／1101是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，可用于線(xiàn)性電壓或頻率輸出回路當中。本設計采用HS1100／1101的頻率輸出特性，來(lái)實(shí)現對環(huán)境相對濕度的測量。 2 HS1100／1101的特點(diǎn)及輸出特性 HS1100／1101采用具有專(zhuān)利權的固態(tài)聚合物結構，它具有全互換性，在標準環(huán)境下不需要校正，長(cháng)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，同時(shí)在需要濕度補償的地方它也可以得到很大的應用。其輸出電容與相對濕度特征曲線(xiàn)如圖1所示，該曲線(xiàn)中的數據是在工作頻率為10 kHz，工作溫度為25℃下測定的數據。此曲線(xiàn)的方程如下： 式中，C0為工作頻率等于10 kHz，相對濕度RH為55時(shí)HS1100／1101表現的電容值，C單位為pF。 由于該電容的測量是在10 kHz條件下測得的，而傳感器HS1100／1101可工作于5～100 kHz范圍內，并沒(méi)有限制必須工作于10 kHz上，因此當工作于其他頻率時(shí)，必須對該曲線(xiàn)進(jìn)行校正，其校正公式如下所示： 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)行測量時(shí)為了達到更好的互換性，回路中需要把傳感器的第2腳接地。該腳已經(jīng)標記在傳感器頭的背面的標簽上。

3 電路設計

3.1 系統電路設計

電路系統主要由控制電路、濕度測量電路、接口電路、顯示電路和鍵盤(pán)組成，如圖2所示。其中，控制電路采用AT89C51單片機以及外圍元件構成，主要完成定時(shí)、濕度頻率數據采集、數據處理和結果顯示等任務(wù)。濕度測量電路實(shí)現環(huán)境濕度與頻率的轉換，其輸出信號的頻率與濕度單值對應。接口電路主要完成輸出頻率信號的整形、電平匹配等，送入單片機的定時(shí)／計數器T1。T1工作于計數器方式，定時(shí)記錄脈沖數并存入內存緩沖區。

為了使占空比接近50％，R4與R2相比，應該非常小，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單片機的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內部溫度補償用，應具有1％的精度，目的是為了引入溫度效應，使它與HS1100／1101的溫度效應相匹配。由于不同型號的555的內部溫度補償有所不同，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。

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

根據表1所示的典型參數值，這里以溫度25℃，頻率F0=6 600 Hz，F單位為Hz，相對濕度RH=55為參考點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗分析，繪制出所測相對濕度與輸出頻率之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。其曲線(xiàn)方程式如下：

4 數據處理

本文中數據處理的主要任務(wù)是確定測定的頻率與相對濕度值之間的計算關(guān)系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機的T1腳相連，計數出1 s的脈沖個(gè)數，即振蕩器的輸出頻率，然后進(jìn)行頻率與濕度之間的轉換。但由于頻率與相對濕度的關(guān)系曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，單片機對它的處理能力較差，為了使其處理過(guò)程簡(jiǎn)化，將RH-F曲線(xiàn)分段線(xiàn)性化處理。頻率6 667 Hz(50％)與6 409 Hz(70％)將該曲線(xiàn)分為3段近似直線(xiàn)，使單片機在不同的頻率范圍內進(jìn)行不同的線(xiàn)性轉換。其頻率-濕度對應的線(xiàn)性關(guān)系如下：

根據以上3種線(xiàn)性關(guān)系可編寫(xiě)出用51單片機顯示所測濕度值的程序。

5 結 語(yǔ)

相對濕度傳感器HS1100／1101應用廣泛，利用它與555定時(shí)器構成非穩態(tài)電路可測出周?chē)h(huán)境下的相對濕度，通過(guò)調試，該設計已應用于“林區溫度濕度監測系統”中。此設計具有硬件電路相對簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高、穩定性好、反應時(shí)間快等特點(diǎn)，但由于在實(shí)際操作過(guò)程中條件所限，所測的濕度值與真實(shí)值存在一定的誤差，需做進(jìn)一步完善