盆花缺水自动报警器.docx
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盆花缺水自动报警器
盆花缺水自动报警器）
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传感器技术
课程设计
题目盆花缺水自动报警器
摘要
在人们眼中，光凭盆中表面的土壤湿润与否来判断是否需要浇水，往
往不正确，或因一时的疏忽，势必贻误了浇水时间。
一旦盆花缺水，探头a>b检拾到的土电阻就会成倍增大，VT1失去合适偏流而退出饱和区,A的触发端电压》1/2VDD,A内部电路被触发工作，其0U端输出内储电信号，经晶体三极管VT2功率放大后，驱动B使小灯亮起来。
主人看见浇水后，小灯就会自己火了。
此报警器具有线路简单、容易安装、容易调整、效率高、成本低、元件少等特点，适合广大市民的应用，而且操作简
单。
报警器采用的报警装置是小灯，而不是音乐电路报警，如果盆花在夜
间缺水，这样不会影响人们的正常生活。
本文主要研究了将普通电路的报警器与采用555集成电路的报警器
进行对比。
通过对比显现出555集成电路的有点以及还有待改进的不足之处。
本文还研究了湿度传感器，以及湿度传感器的分类还有一些湿度传感器的主要结构。
最后对555集成电路的工作原理进行深入的分析,555集成电路开始时作定时器应用的，称为555定时器或555时基电路。
经过开发,它除了作定时延时控制外，还可用于调光，调温,调压，调速等多种控制及计量检测。
此外，还可以组成脉冲振荡，单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
关键词：
555触发器湿敏传感器土壤电阻小灯报警
'、设计目的1
1、设计任务与要求1?
2.1设计任务1
2.2设计要求1?
三、设计步骤及原理分析？
2
3.1设计方法2
3.2设计步骤2?
3.3设计原理分析4
四、课程设计小结与体会9
五、参考文献10?
一、设计目的
不论在家中养花还是在庭院中栽花，盆中的花卉都需要及时浇
水。
在人们眼中，光凭盆中表面的土壤湿润与否来判断是否需要浇水，往
往不正确，或因一时的疏忽，势必贻误了浇水时间。
利用湿敏传感器制作一个简单的可以进行盆花缺水报警装置：
当盆花缺水时，盆花缺水指示灯就会闪烁发光，提醒人们及时给花浇水；使用555时基电路组成的振荡
器来实现缺水时发光二极管VD闪烁。
二、设计任务与要求
2.1设计任务
当花盆缺水时，发光二极管随着振荡频率一闪一闪发光，提示花盆该浇水了。
土壤不缺水时，发光二极管不发光。
2.2设计要求
表1部分性质土壤的电阻率
序
号
土0电赵半1耿•盹来）
扯岸散储1
1
FO
600-7000
2
砂匕
10
ZOOflO^-lOO-OC
3址皿
20
1000-8000
"血
20-10
3090—10000
5
20
3000*26000
rnr
因为在种植花卉的时候选择土壤上也是有所差异的，所以在这里我们将土壤的电阻率进行分析实验。
当土壤的含水量的不同，也会引起电阻率的变化。
这样在具体的应用上就需要提前对土壤进行设定。
图1555时基电路盆花缺水指示电路
图1所示的电路则是采用单片集成时基电路555组成的一种盆花缺水自动指示电路。
大家知道,555时基电路是一种将模拟功能和逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的线性集成电路。
这种电路可以应用在微型计算机、电子控制、电子检测、电子乐器、电子报警、电子定时等许多方面。
这里仅用了其中的控制与检测等方面。
该电路工作原理如下：
当土壤中不缺水，两探测电极在潮湿的土壤中近于导通，电容C1,也近于短路而不能充电，因此IC555电路无工作电压,输出端-3点无输出，发光二极管LED不闪光。
一旦土壤中缺水，探测电极的两端近于开路，电源就对电容C1,进行充电,H点的电位上升，这一充电过程给IC555电路提供了工作电压，一旦达到集成时基电路555所组成的振荡器的工作条件，电路即开始振荡，那么输出端-点即有输出，并使发光二极管LED发出红色闪光信号，以告戒人们盆花缺水。
本电路具有线路简单、容易安装、容易调整、效率咼、成本低、兀件少等特点。
只要按图中元件的规格大小组装，接线勿误,便可达到满意效果。
三、设计步骤与原理分析
3.1设计方法
利用湿敏传感器制作一个简单的可以进行盆花缺水报警装置：
当盆花缺水时，盆花缺水指示灯就会闪烁发光，提醒人们及时给花浇水；使用555时基电路组成的振荡器来实现缺水时发光二极管VD闪烁。
？
系统
组成框图
图2
原理图
3C.6E
47k
//
V
VT
图3盆花缺水制动报警其原理图
3.2设计步骤
盆花缺水告知器的电路如图3所示,它主要由报警小灯、晶体三极管
1及土壤探头A、E等组成。
VT1的基极偏流电阻由可变电阻器R味口土壤电阻串联而成。
平常盆花不缺水时，置入盆花泥土内的A、B探头所检拾出
jDJ&E
9013
555
集光二
水卡申阴
■
截止
导通
开通
扳童
■J+"EiF11
1/Xb闪烁
花然不玦
5DJ6E
W1j
555
发光二
导通
——截止
关闍
»
不宴
1
1
U4JC
1
15?
TC,L
1
4
的土电阻较小，VT1获得合适偏流而饱和导通,A的触发端TG脚处于低电位，故A内部电路不工作，压电陶瓷片E无声。
一旦盆花缺水，探头A、E检拾到的土电阻就会成倍增大，VT1失去
合适偏流而退出饱和区，A的触发端电压》1/2VDDA内部电路被触发工作，其0U端输出内储电信号，经晶体三极管VT2功率放大后，驱动B使小灯亮起来。
主人看见浇水后，小灯就会自己灭了。
3.3设计原理分析
3.3.1关于湿敏传感器的知识
湿度传感器原理
这种传感器的工作原理是高分子电解质吸湿而导致电阻率变化。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水
蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特
性即可测量湿度。
以往的湿敏材料单独使用，但在结露状态及高温环境下长期使用时，由于聚合物膜吸湿而变形，导致特性改变。
为解决这一问题，在聚合物膜上赋予耐水性。
为此提出了接枝法、交联法、相互浸入
网络法。
接枝法是在耐水性、耐有机溶剂性的某种疏水性聚合物膜上，将亲水性聚合物用放射线或催化剂使其接枝聚合，制成不溶于水、其电阻率具有湿度依存性的聚合物膜。
如在疏水性的PTET膜或多孔的聚烯薄
膜（PE）接枝上亲水聚合物聚苯乙烯磺酸盐或四级化聚乙烯吡啶。
交联法是使用适当的交联剂，使可溶于水的聚合物进行交联，从而制成耐水性感湿膜。
当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
湿度的表示法
空气的湿度对工农业生产和人类的生活有着密切的关系。
湿度有多
种表示方法，例如绝对湿度、相对湿度、露（霜）点温度、比湿度、饱和度等。
HamV
绝对湿度表示单位体积的空气中所含水汽的质量，其定义为V
式中：
mV为待测空气中的水汽质量，V为待测空气的总体积。
Ha的单
或mg/m3
相对湿度定义为待测空气的水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压比值的百分数。
这是一个无量纲量，常表示为％只（RH为相对湿度RelativeHumidity的缩写）,亦即P
相对湿度亠100%RH
T
湿度传感器的分类
表2新型湿度传感器分类
湿度传感器的类型
按感湿材料分类
海疵湿度传感器
MgCr/.）,系湿度传感謹
ZnOCr2<）3系湿度传感器
膜状湿度传感器
F引厲胶质涂膜湿度传感器
■
氧化铝湿度传感器
Al2（）3涂膜湿度传感器
多孔膜湿度传感器
硅MOS刑AlzOa湿度传感器
元素半导体湿度传感器
Gi：
薄膜湿度传感器
Se薄膜湿度传感器
Si烧结利湿度传感器
化学感湿膜湿度传感器
电解质类湿度传感器
1炭膜湿度传感器
高分F电解质薄膜湿度传感器
MgCr2O4-TiO2湿度传感器的结构
金属氧化物陶瓷中，由MgCr2O4-TQ2固溶体制成的多孔性半导体陶瓷湿敏材料的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度变化，而且即使在高温条件下，对其进行多次反复的热清洗，性能仍不易改变。
MgC2O4-TQ2半导体陶瓷湿度传感器的结构如图4所示。
在4mmX5mmx0.3mm的MgC204-Ti02陶瓷片的两面，设计有多孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。
在半导体陶瓷片的外面，设置一个用镍铬丝烧制而成的加热清洗线圈，以便对器件能够经常加热清洗，排除有害气氛对器件的污染。
器件安装在一个高度致密的、疏水性的陶瓷基片上。
为了消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和
污染引起的漏电，在电极2和3的周围设置了金短路环。
图中1和4为
加热器的引出线。
MgCr2O4-TiO2感湿陶瓷
金短路环
片
图4半导体陶瓷湿度传感器的结构
微型多孔SiO2湿度传感器
制作微型多孔SiO2湿度传感器时，首先是在硅单晶衬底上形成一个多孔硅层。
多孔硅层经氧化后即成为一个具有感湿功能，性能比较稳定的多孔Si02层，在多孔Si02层上制作适当的金属电极，经封装、标定后即可使用。
高分子电阻式湿度传感器
这种传感器的工作原理是高分子电解质吸湿而导致电阻率变化。
以往的湿敏材料单独使用，但在结露状态及高温环境下长期使用时，由于聚
合物膜吸湿而变形，导致特性改变。
为解决这一问题，在聚合物膜上赋予耐水性。
为此提出了接枝法、交联法、相互浸入网络法。
接枝法是在耐水性、耐有机溶剂性的某种疏水性聚合物膜上，将亲水
性聚合物用放射线或催化剂使其接枝聚合，制成不溶于水、其电阻率具有湿度依存性的聚合物膜。
如在疏水性的PTET膜或多孔的聚烯薄膜（PE）接枝上亲水聚合物聚苯乙烯磺酸盐或四级化聚乙烯吡啶。
交联法是使用适当的交联剂，使可溶于水的聚合物进行交联，从而制
成耐水性感湿膜。
如用三聚氰胺树脂使HNPTAC聚合物交联，就可制成不溶于水的感湿膜。
相互浸入网络法是将两种以上的聚合物制成聚合物网络（Inter
penetratingPolymerNetworks,IPN））将分别为亲水性和疏
水性的两种交联聚合物交织在一起，可以合成既是亲水性却不溶于水的聚合物膜。
用此IPN膜制成的高分子电阻式湿度传感器做耐水性实验，
浸在水中24小时，传感器性能不变。
3.3.2关于555的介绍
555内部电路图及引脚功能说明
图5555内部电路引脚
555闭环三相多谐振荡器
图6三相多谐振荡器
如图6所示,这是由三个相同的施密特触发器组成的闭环回路，首尾相接。
每个触发器的延时为td=l.1（RP^R）C,延时td即C上的电压升到1/3VDD所需要的时间。
而555复位后,C上的电荷是通过RW对前一级IC的输出端（3脚）进行灌电流放电的，因而与C的充电时间常数一样。
因此，每个触发电路的输出端每改变一次要经过三个单稳触发电路传输，所需时间是3td。
故每个IC的输出周期Td=6td。
555集成电路工作原理
555时基电路的特点
555集成电路开始时作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。
但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光，调温，调压，调速等多种控制及计量检测。
此外，还可以组成脉冲振荡，单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中,555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及脉冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图7所示。
图7555集成电路内部结构图
555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图8（A）所示，按输入输出的排列可看成如图8（B）所示。
其中6脚称阀值端（TH）,是上比较器的输入;2脚称触发端（TR）,是下比较器的输入；3脚是输出端（Vo）,它有0和1两种状态，由输入端所加的电瓶决定；7脚是放电端（IS）,它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态；4脚是复位端（MR）,加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（Vc）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端,1脚是地端。
555的应用电路很多，只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，大体上可分为555单稳、555双稳及555无稳三类。
四、课程设计小结与体会
印制电路板实际尺寸仅为30mmx30mm晶体三极管VT2可直接插焊在音乐集成电路A的芯片上。
A芯片通过4根长约6mm的元件剪脚线插焊在电路板上。
焊接时注意：
电烙铁外壳一定要良好接地，以免交流感应电压击穿A内部CMO电路！
焊接好的电路板连同干电池G、压电陶瓷片E一块装入体积合适的绝缘小盒内。
盒面板为B开出释音孔，盒侧面开孔引出外接探头的双股软导线。
土壤探头a、b采用长度约60mr的两根粗钢丝或不锈钢针，相间15mm左右插入花盆泥土中。
为了使制成的告知器外观漂亮，使用更加方便，还可将告知器制作成
“一体化”结构。
具体方法：
土壤探头a、b直接固定在电路盒上；盒子
的面板采用有机玻璃边角余料，要求加工成向日葵（或其它花卉）形状，
并在上面用色漆描绘出向日葵图案即成。
如果要进一步缩小整机体积，可将干电池G改用成两粒串联的G13-A或SR44型氧化银扣式电池。
本告知器调试很简单：
在盆花缺水时，通过调节微调电阻器RP阻值
（必要时可改变探头插入泥土的深度及间距），使压电陶瓷片B处于临界不发声状态即可。
555集成电路将运算放大器和RS触发器巧妙地集成于一体，通过外围电路的简单连接可构成单稳、双稳、多谐振荡等多种产生和变换信号波形的电路，在控制、检测、定时报警等方面有着十分广泛的应用。
盆花缺水指示器，其中湿度传感器由埋在花盆中的两个电极组成。
当土壤缺水时，土壤的电阻率增大很多，这时两电极间的电阻很大，致使场效应管VT1截止,半导体管VT2导通,在R4上产生的压降便由555组成的振
荡器起振。
当振荡器工作时，其输出端③脚输出的低频信号使发光二极管LE□闪烁发光，提醒人们应给盆花浇水了。
当盆花不缺水时，土壤的电阻率很小，两电极间的电阻值很小.vTI的栅极相当于接地，Vti导通，VT1截止，振荡器也就停止了工作，发光二极管LED熄灭。
五、参考文献
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西安电子科技大学出版社，西安.2001:
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5］杨兆选，555时基电路原理及实用电路集锦［M］。
天津大学出版社，天津.1989:
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［6］MauriceWilkes,Progressincomputer［M］。
prestigelecturedeliveredtoIEE,Cambridge.On5february2004
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