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湿度检测电路设计与研究

一种湿度测量电路的设计

2009-07-1510:

50:

10来源：

现代电子技术

关键词：

湿度,传感器,测量电路

1引言

在工农业生产、气象、环保、科研等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制，快速、准确地测量出环境湿度有着重要作用。

电容式相对湿度传感器HS1100／1101是基于独特工艺设计的电容元件，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点，可用于线性电压或频率输出回路当中。

本设计采用HS1100／1101的频率输出特性，来实现对环境相对湿度的测量。

2HS1100／1101的特点及输出特性

HS1100／1101采用具有专利权的固态聚合物结构，它具有全互换性，在标准环境下不需要校正，长时间饱和下快速脱湿，高可靠性等特点，可用于作业环境湿度自动化及工业控制系统，同时在需要湿度补偿的地方它也可以得到很大的应用。

其输出电容与相对湿度特征曲线如图1所示，该曲线中的数据是在工作频率为10kHz，工作温度为25℃下测定的数据。

此曲线的方程如下：

式中，C0为工作频率等于10kHz，相对湿度RH为55时HS1100／1101表现的电容值，C单位为pF。

由于该电容的测量是在10kHz条件下测得的，而传感器HS1100／1101可工作于5～100kHz范围内，并没有限制必须工作于10kHz上，因此当工作于其他频率时，必须对该曲线进行校正，其校正公式如下所示：

式中C1为工作频率为10kHz时传感器的典型电容值；f为电路工作频率，单位为kHz。

在利用传感器进行测量时为了达到更好的互换性，回路中需要把传感器的第2脚接地。

该脚已经标记在传感器头的背面的标签上。

3电路设计

3.1系统电路设计

电路系统主要由控制电路、湿度测量电路、接口电路、显示电路和键盘组成，如图2所示。

其中，控制电路采用AT89C51单片机以及外围元件构成，主要完成定时、湿度频率数据采集、数据处理和结果显示等任务。

湿度测量电路实现环境湿度与频率的转换，其输出信号的频率与湿度单值对应。

接口电路主要完成输出频率信号的整形、电平匹配等，送入单片机的定时／计数器T1。

T1工作于计数器方式，定时记录脉冲数并存入内存缓冲区。

3.2湿度测量电路设计及工作原理

HS1100／HS1101电容式湿度传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接收的信号，常用2种方法：

一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A／D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

本文采用第二种方法，因此在系统电路设计中，可略去接口电路。

由HS1100／1101与555定时器构成的非稳态振荡电路如图3所示，它是典型的555非稳态电路。

555必须为CMOS型定时器。

HS1100／1101作为定时电容CT接在555的2脚（TRI）和6脚（THR）上，R3起输出短路保护作用。

引脚7连接于电阻R4与R2之间，这样充电支路为R4，R2，CT，放电支路为CT，R2。

当电源+Vcc接通时，CT两端的电压Vc=0，定时电路处于置位状态，由+Vcc通过R2与R4对变量电容CT充电，当Vc达到门限电压（2／3Vcc）时，定时电路翻转为复位状态，CT通过R2向555内部的放电管放电，当Vc降低到触发电平（1／3Vcc）时，定时电路又翻转为置位状态，CT开始充电，这样周而复始，形成振荡。

其工作循环中的充电时间Thigh、放电时间Tlow、振荡频率F可描述如下：

为了使占空比接近50％，R4与R2相比，应该非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100／1101起始充电电流的限制。

一般要求起始充电电流不大于5mA。

当外界湿度变化时引起HS1100／1101电容值的改变，从而改变回路的输出频率值。

其输出端Fout与51单片机的T1脚相连接。

555电路的非平衡电阻R1作为内部温度补偿用，应具有1％的精度，目的是为了引入温度效应，使它与HS1100／1101的温度效应相匹配。

由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同，所以R1的值必须与特定的芯片相匹配。

此电路所用的电阻阻值及元件如图3所示。

基于图3所示电路参数，在温度为25℃，典型的环境湿度下测量其对应的频率值，通过多次反复实验，得到几种典型相对湿度值所对应的频率值，如表1所示。

RH为百分比相对湿度；F为输出频率，单位是Hz。

根据表1所示的典型参数值，这里以温度25℃，频率F0=6600Hz，F单位为Hz，相对湿度RH=55为参考点，经过实验分析，绘制出所测相对湿度与输出频率之间的关系曲线，如图4所示。

其曲线方程式如下：

4数据处理

本文中数据处理的主要任务是确定测定的频率与相对湿度值之间的计算关系。

文中将555振荡电路的输出端Fout与MCS-51单片机的T1脚相连，计数出1s的脉冲个数，即振荡器的输出频率，然后进行频率与湿度之间的转换。

但由于频率与相对湿度的关系曲线是非线性的，单片机对它的处理能力较差，为了使其处理过程简化，将RH-F曲线分段线性化处理。

频率6667Hz（50％）与6409Hz（70％）将该曲线分为3段近似直线，使单片机在不同的频率范围内进行不同的线性转换。

其频率-湿度对应的线性关系如下：

根据以上3种线性关系可编写出用51单片机显示所测湿度值的程序。

5结语

相对湿度传感器HS1100／1101应用广泛，利用它与555定时器构成非稳态电路可测出周围环境下的相对湿度，通过调试，该设计已应用于“林区温度湿度监测系统”中。

此设计具有硬件电路相对简单、体积小、可靠性高、稳定性好、反应时间快等特点，但由于在实际操作过程中条件所限，所测的湿度值与真实值存在一定的误差，需做进一步完善。

一种湿度检测电路的设计

2012-03-1619:

19:

14

摘要：

湿度是工农业生产和人民日常生活非常重要的环境因素，为了达到稳定、高亮度和快速的显示，采用电容式湿度传感器和单片机结合的方法设计了湿度检测电路，给出了传感器、单片机、A／D转换、显示等元器件和单元电路选择和设计的依据。

检测时，湿度传感器HM1500感受湿度变换成电信号送ADC0809转换后经单片机C51处理，由MAX7219控制显示。

检测电路具有原理清楚、结构简单、灵敏度高、稳定性好以及高亮度数码显示等特点。

关键词：

湿度；传感器；检测电路；ADC0809

0引言

   随着现代工农业技术发展以及人们对生活环境和质量要求的提高，湿度的测量和控制显得日益重要起来。

如在具有粉尘作业和电子产品生产的车间里当湿度小而产生静电时，常会发生爆炸事故；在大规模集成电路生产过程中，当湿度低于30％时，容易产生静电而影响生产；仓库湿度过大，会使存放的物资变质或变坏；在农业的育苗、栽培、生产、保鲜等方面也都需要对湿度进行测量与控制。

另外，为了使人们的生活环境舒适，必须对湿度进行检测和控制。

   湿度常用相对湿度来表示。

它是指空气中实际所含水蒸气的分压Pw和同温度下饱和水蒸气的分压Pw的百分比，即：

1电路组成及工作原理

   湿度检测电路由湿度传感器、A／D转换电路、主机电路、显示电路组成，原理框图如图1所示。

   湿度传感器HM1500将检测到的湿度信号转换成电压信号，经放大后送入A／D转换器，并通过A／D转换器将模拟信号转换成单片机需要的数字信号，经单片机处理后，通过显示电路显示。

2单元电路选择与设计

2．1湿度传感器

   这里，湿度传感器采用美国Humirel公司生产的HM1500，它是电压输出式集成传感器，有GND，Ucc（+5V电源端）、Uo（电压输出端）3个引脚。

内部包含由HS1101型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号。

输出阻抗为70Ω，适合与ADC单片机相连。

测量范围的0～100％RH，输出电压范围为1～4V，精度为±3％RH，灵敏度为25mV／RH，温度系数为0．1RH／℃。

   输出电压的计算公式：

   Uo=1.079+0.2568RH    

（2）

2．2A／D转换电路

   A／D转换器采用ADC0809，它是8位8通道逐次逼近式转换器，由一个8路模拟开关，一个地址锁存与译码器，一个8位转换器和一个三态输出锁存器组成。

它有八路模拟量输入端，在多路开关的控制下，任一瞬间只能由一路模拟量经模拟通道输入到A／D转换器中的比较器。

对输入电压范围要求为0～5V，HM1500的电压输出范围在1～4V，因此电路中不需要设置放大电路。

   ADC0809与AT89C51的连接如图2所示，连接时需要地址锁存器74LS373。

2．3单片机

   单片机选用MCS-51系列单片机AT89C51。

AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器、高性能的CMOS8位微处理器，具有软件编程灵活、自由度大、性价比高的特点。

AT89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。

2．4显示电路

   显示电路采用LED显示器动态显示。

动态显示采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个数码管轮流点亮。

但由于点亮的时间短暂和人的视觉及二极管的余辉效应，给人视觉是一组稳定的显示数据。

同时动态显示还具有节省I／O口、硬件电路简单等优点。

   显示电路由MAX7219芯片控制实现，它是一种高集成化的串行输入／输出的共阴极LED显示驱动器，每位可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，与微处理器连接只需3根线。

   MAX7219与51单片机串行接口连接图如图3所示。

MCS-51单片机串行口工作于方式0，通过RXD（P3．0）引脚发送／接收串行数据，通过TXD（P3．1）引脚发送移位时钟脉冲。

发送顺序为低位在前高位在后，与MAX7219的接收相反。

3总体检测电路

   湿度检测总体电路图如图4所示。

湿度传感器HM1500接收到湿度信号，将其转化成电压信号，经内部放大器放大后，通过模拟通道IN1送入A／D转换器ADC0809。

   要使ADC0809工作，先对其进行初始化，使ST，OE信号全部为低电平。

把模拟通道IN1的地址送入A，B，LabVIEWC端口上。

ADC0809通道选择引脚A，B，C的地址由地址锁存器74LS373提供。

将单片机P2．7作片选信号，只有P2．7为低电平时，才能对ADC0809进行操作。

启动A／D转换时，由单片机的写信号WR和P2．7共同控制ADC地址锁存和转换启动，ALE和START连在一起，ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。

A／D转换后得到的数字量需单片机读取并进行处理，单片机读取结果时采用中断方式。

转换结束信号EOC经非门与89C51的INT1相连。

A／D转换结果的读取需要对A／D转换是否完成进行确认。

确认完成才可读取数据。

用单片机的读信号RD和P2．7经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用于打开三态输出锁存器，就能读出模拟通道IN1的转换结果。

A／D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

中断服务程序中，将转换好的数据送入指定的存储单元。

   单片机把A／D转换的数据通过RXD（P3．0）引脚送入MAX7219的串行数据输入端DIN，当CLK为上升沿时，数据被载入16位移位寄存器。

LOAD为片选端，当LOAD为低电平时，芯片接收送来的数据，当LOAD为高电平时，接收的数据被锁定，然后通过数码管显示出来。

4软件设计

   检测电路的软件部分采用模块化程序设计，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的，主要包括数据采集子程序、显示子程序等模块，主程序流程图如图5所示。

   系统的初始化包括对A／D转换器的初始化、MAX7219的初始化等。

ADC0809的初始化使ST和OE全部为低电平。

MAX7219初始化时将5个工作状态寄存器，即译码方式选择、亮度调节、扫描位数设定、待机开关和显示器检测全部为零。

   数据采集部分的子程序设计是单片机对A／D转换器ADC0809的操作。

驱动ADC0809的IN1进行A／D转换，单片机接收转换好的数据，存入指定内存单元，由INT1中断服务程序完成。

每次驱动A／D转换后等待外部中断1，中断到来说明A／D转换已经完成，通过中断服务程序读取转换得到的数据。

   显示子程序是指单片机通过中断方式对MAX7219的控制，传送16位数据的地址位和数据位。

它还包括对串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配等。

5结语

   本设计创新地利用电容式湿度传感器和单片机结合，使设计的湿度检测电路结构简单、灵敏度高、稳定性好以及数码显示亮度高。

室内湿度检测系统设计

发表时间：

2012-6-28 来源：

《时代报告（学术版）》2012年5月（上）供稿 作者：

谢家泰

[导读]由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。

谢家泰   （黔南民族师范学院物理与电子科学系 贵州都匀  558000）

中图分类号：

TP29   文献标识码：

A  

摘要：

随着科学技术的发展，一个低成本和具有较高精度的湿度测量仪在室内湿度检测、科研实验研究等领域中具有十分重要的作用。

本设计系统采用DHT11传感器，使用模拟电路，将湿度信号变为电压信号输出，传输给单片机进行分析、处理和显示。

使其具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

关键词：

湿度检测；单片机；DHT11；设计

       随着社会的不断进步和人们生活质量的提高。

湿度的测量与控制在生产和生活中具有越来越重要的意义。

在工业中，如仓库的防潮，防霉，防腐是衡量该仓库质量的的重要指标，它直接影响了仓库内储存物资的保存状况。

在生活中，湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对湿度的检测及控制就非常有必要了。

据此，设计出一个可以时时对湿度检测的监测系统就有非常大的前景和市场价值，下面阐述其设计原理。

       一、硬件系统设计

       1、系统结构

       该系统以STC89C52RC为控制核心，以DHT11传感器检测湿度，并将信号传送给单片机进行处理，处理后的信息显示在液晶显示器上呈现给用户，并且如果采集的信息超出用户设置范围，蜂鸣器将会给用户提出报警，以便及时采取相应措施。

系统结构图如图1

       图1系统结构图       

       2、键盘模块

       键盘模块由3个按键组成。

如图2连接。

       图2键盘模块连接图

       按键分别与单片机P10,P11P12相连，由此可实现湿度上下限设置，历史数据查询功能。

       3、显示模块

       该系统选用LCD1602做为显示设备，它属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）相较与其他的液晶显示器，LCD1602显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低，所以我们在此选用此显示设备。

       4、报警模块

       本设计采用峰鸣音报警电路。

压电式蜂鸣器是一种电声转换器件。

将压电材料粘贴在金属片上，当压电材料和金属片两端施加上一个电压后，因为压电效应，蜂鸣片就会产生机械变形而发出声响。

压电式蜂鸣器具有体积小、灵敏度高、耗电省、可靠性好，造价低廉的特点和良好的频率特性。

因此它广泛应用于各种电器产品的报警、发声用途。

       5、信号分析

       STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。

       二、控制模块软件设计

       本设计的系统主流程图如图3所示。

       三、结论

       本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识，完成了单片机控制的湿度和显示装置的设计。

本设计具有如下特点。

（1）把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境湿度的数据采集和读取。

（2）利用LCD液晶的显示技术完成了环境湿度及显示电路的设计。

       （3）外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定湿度上下限时自动报警。

       （4）在本设计的基础上皆有继电器模块，可以外接调湿电器，把功能扩展延伸为实现对环境湿度的控制。

       （5）整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。

       由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。

本文介绍的系统设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。

还需要在智能化方面加以改进。

特别是在节省功耗，提高稳定度等方面。

不过，该产品有很好的可扩性能，比如，该设备的测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和RS-485总线通信协议将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的存档、处理。

主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的湿度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。

主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。

       图3系统流程图

参考文献：

[1]罗亚飞.凌阳16位单片机应用基础[M]。

北京：

航空航天大学出版社，2005.5

[2]邱关源.电路分析第五版[M]。

北京：

高等教育出版社，2006.5

[3]胡向东.牛京城.余成波等.传感器与检测技术[M]。

北京：

机械工业出版社，2009.1

[4]朱晓华.微机原理与接口技术（第二版）[M].北京：

电子工业出版社，2008.5