关于湿度传感器HS1101的设计Word下载.docx
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它有以下几个显著的特点：
1、全互换性，在标准环境下不需校正
2、长时刻饱和下快速脱湿
3、能够自动化焊接，包括波峰或水浸
4、高靠得住性与长时刻稳固性
5、专利的固态聚合物结构
6、可用于线性电压或频率输出回路
7、快速反映时刻
HS1101的简单物照图如图2-1[5]。
图2-1：
HS1101实物照
相对湿度在0%～100%RH范围内；
电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；
响应时刻小于5s；
温度系统为℃。
可见其精度是较高的。
其湿度－电容响应曲线如图2-2：
图2-2：
HS1101湿度－电容响应曲线
HS1101的一些常常利用参数如表2-1：
表2-1：
HS1101常常利用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
S
2.1湿度测量电路
HS1101电容传感器，在电路组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。
涉及如何将电容的转变量准确地转变成运算机易于同意的信号时，常常利用两种方式:
一是将HS1101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HS1101置于555振荡电路中，将电容值的转变转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被运算机所收集。
2.1.1NE555时基电路
NE555是一个能产生精准按时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。
在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容肯定；
在单稳态工作方式时，其延不时刻由一个外接电阻和一个外接电容肯定，它能够延时数微秒到数小时。
其工作电压范围为：
。
NE555的框图如图2-3所示[5]。
图2-3：
NE555框图
2.1.2基于555振荡电路的湿度测量电路设计
图2-4：
测湿电路图
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图2-4所示。
NE555电路功能的简单归纳为:
当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；
当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。
在此电路中,555按时器正是按照这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。
当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则按时器3脚输出为“1”；
又由于C1两头电压为0,故通过R2和R3对C1充电,当C1两头电压达到2/3时,按时电路翻转,输出变成“0”。
现在555按时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1通过R3和内部放电BJT进行放电,当C1两头电压降低到/3时,按时器又翻转,使输出变成“1”,内部放电BJT截止,VCC又开始通过R2和R3对C1充电,如此周而复始,形成振荡。
其工作循环中的充电时刻为=（R2+R3）C1；
放电时刻为=*C1；
输出脉冲占空比为q＝（R2+R3）/（R2+2R3）,为了使输出脉冲占空比接近50％,R2应远远小于R3。
当外界湿度转变时,HS1101两头电容值发生改变,从而改变按时电路的输出频率。
因此只要测出555的输出频率,并按照湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度[6]。
核心电路的设计
3.1ADC0809模数转换器
在单片机应用中，专门是在实时控制系统中，常常需要把外界持续转变的物理量（如湿度、湿度、压力、流量），变成数字量送入运算机内进行加工处置。
反之，也需要将运算机输出的数字量转为持续转变的模拟量，用心控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。
这种由模拟量变成数字量，或由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或数/模转换。
用以实现这种转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器[7]。
3.1.1ADC0809应用简介
ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。
其主要性能有：
逐次比较型；
CMOS工艺制造；
单电源供电；
无需外部进行零点和满量度调整；
可锁存三态输出，输出与TTL兼容；
易与各类微控制器接口；
具有锁存控制的8路模拟开关；
分辨率为8位；
功耗为15mW；
转换时刻（）为128；
转换精度为[8]。
ADC0809的引脚图如图3-1所示。
图3-1：
ADC0809引脚图
3.1.2测湿电路与单片机连接
NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。
ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。
ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，若是晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。
8051通过地址线和读写控制线、来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。
测湿电路与单片机的连接图如图3-2所示。
图3-2：
测湿电路与单片机连接图
3.1.3湿度误差补偿插值方式程序
从NE555时基电路中输出的是一个模拟信号，ADC0809的作用就是要把那个单片机不能识别的模拟信号转换成一个能够读取的数字信号。
这时所用到的运算机思想就是插值法[9]。
即当ADC0809的输入与输出特性为非线性时，能够用一个单调非线性函数来表示。
将x的值分成几个小段区间，每一个区间的端点都对就一个输出，把这些、编成表格存储起来。
实际的测量值必然会落在某个区间内，即<
<
插值法的思想就是用一段简单的曲线近似代替这段区间的实际曲线，然后用近似曲线公式计算出。
图3-3是对ADC0809的操作流程图。
图3-3：
ADC0809操作流程图
3.2单片机电路的设计
3.2.1MCS-51单片机
所谓的单片机就是把中央处置器CPU、存储器ROM/RAM、输入输出接口电路和按时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，组成一个完整的微型运算机――单片微型运算机。
由于单片机把各类功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、靠得住性高、价钱低廉、易于开发应用。
MCS-51单片机包括803一、805一、8751等很多型号，其代表型号为8051。
3.2.2AT89S51单片机
本课题所设计的系统的核心采用的是AT89S51单片机，它是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含有4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用8位中央处置器和ISPFlash存储单元。
它具有以下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程按时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内有时钟振荡器。
HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的双列直插（DIP）方式，CHMOS制造工艺的80C31/80C51除采用DIP封装方式外，还采用PLCC方形的封装方式。
图3-4是AT89S51的PDIP封装引脚图[10]。
图3-4：
AT89S51的PDIP封装
其中，有主电源引脚，外接晶体引脚XTAL1和XTAL2，控制引脚、ALE/、、，输入输出接口P0～P3。
3.2.3时钟晶振电路和复位电路
AT89S51单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各类各样的微小操作的时刻基准，在此基础上，控制器依照指令的功能产生一系列在时刻上有必然顺序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。
复位对单片机来讲，是程序还没开始执行，是在做预备工作。
本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。
如此利用起来比较方便，就算是在程序“跑飞”时，也能够手动复位，不用再重起单片机电源。
其ProtelDXP电路图如图3-5[11]。
图3-5：
AT89S51复位与晶振电路
3.3整体电路系统
3.3.1LED报警设计
本设计中，在ST89S51单片机的口外接一个LED二极管作为对湿度测控的报警输出。
当湿敏元件HS1101对室内的湿度检测时，达到某个值，就会在端口输出高电平，使得LED发亮，和时通知工作人员进行相关的操作。
其电路原理图如图3-6所示。
图3-6：
系统报警电路
3.3.2系统总设计
基于51单片机的HS1101传感器湿度测控系统，主要由几个部份组成：
传感器数据收集电路，模数转换电路，LED报警电路，单片机主板电路等。
其程序流程图如图3-7所示。
图3-7：
系统总流程图
从流程图能够明白，本系统在设计进程中包括了几个子程序：
读湿度子程序，湿度转换子程序，计算湿度子程序，比较子程序。
本系统的部原理图如图4-8所示
下面对本次设计的总电路进行说明。
第一，AT89S51单片机具有许多特点，其功能壮大、I/O接口多，但其内部的数据暂存存储器的空间实际上是比较小的，当用于多位的外围外接芯片时，会出现内部RAM利用不足的状况。
所以，在本系统设计中，考虑到目前只是计划应用于较小的机房中，监测点不多，因此本文没有对片内RAM进行扩展或是改换单片机的型号。
在实际编程中实现本系统的功能应该没有太大的障碍。
AT89S51具有4个I/O接口，它们别离是P0口、P1口、P2口和P3口。
本文进行设计时只是用到了其中的部份接口，与本系统的其它部份进行连接，别离实现了不同的功能。
例如：
口通过电阻用于LED的外接；
和P0所有接口接ADC0809模数转换器等等。
8051的接口通过非门与ADC0809的EOC接口相接，通过两个或非门跟ADC0809的START、ALE和OE相连，如此就可以够使得8051能够通过读写控制线来控制输入通道地址的锁存、启动和输出允许。
NE555电路中的参数选择为：
R1＝1K、R2＝499K、R3＝576K、R4＝909K。
其中R1与555的频率输出引脚相连，起输出短路保护作用，避免输出电流过大。
R4是用作555按时器内部温度补偿的，其应该具有1%的精度。
由于这里采用的是TexasInstruments生产的NE555，所以按照微调R4和R3取值别离为909K和576K。
图3-8：
系统总原理图
3.4电路PCB版图设计
本设计所用到的电路图，是在ProtelDXP2004软件中进行画图的，ProtelDXP2004是目前新一代完整的板级设计工具，它是Altium公司2004
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