手术室湿度控制电路的设计资料.docx

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手术室湿度控制电路的设计资料

课程设计任务书

（指导教师填写）

课程设计名称生物医学传感器学生姓名专业班级

设计题目手术室湿度控制电路的设计

一、课程设计目的

1、掌握生物医学传感器的工作原理；

2、掌握生物医学传感器电路的设计方法；

3、了解生物医学传感器的应用。

二、设计内容、技术条件和要求

设计内容：

手术室的湿度必须控制在一定的范围内，适宜的环境湿度对操作者和病人都是非常重要的。

本设计要求采用湿度传感器作感湿元件，设计一个手术室湿度控制电路，当湿度高于或低于设定值时，声光报警，同时开启排湿或加湿装置。

设计要求：

1、了解所选用的湿度传感器的性能参数；

2、电脑仿真软件设计并绘出电路图；

3、系统仿真、调试；

4、整理设计资料，提交设计报告。

三、时间进度安排

1、查阅并整理相关资料（3天）；

2、设计电路、仿真、调试（8天）；

3、撰写课程设计报告（3天）；

4、答辩（1天）。

四、主要参考文献

《医用传感器》（第二版）陈安宇科学出版社

《现代生物医学传感技术》王平叶学松浙江大学出版社

《传感器及其应用实例》何希才薛永毅机械工业出版社

《传感器原理及应用》王雪文北京航天航空大学出版社

《模拟电子技术基础》童诗白高等教育出版社

《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社

指导教师签字：

2016年9月3日

一．简要

温湿度控制已成为当今社会研究的热门项目。

是工农业生产过程中必须考虑的因素。

作为最常见的被控参数。

温度和湿度已经不再是相互独立的物理量，而应在系统中综合考虑。

广泛应用于实验室、大棚、花圃、粮仓乃至土壤等各个领域。

而传统的温湿度控制则利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材。

通过人工进行检测。

对不符合温度和湿度要求的手术室进行通风、降温、去湿等操作。

这种人工测试方法费时费力，效率低。

切随机性较大。

误差大。

因此就需要一种造价低廉、使用方便且计算精确的温湿度控制仪器。

利用湿敏电阻构成的传感器电路可以对温、湿度控制，具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。

鉴于医院本身就是对空气质量要求很严格的环境，手术室的温湿度控制就要求更加特殊，这是因为手术室的温度的高低、湿度的大小直接关系到病人的情况稳定与否。

病人在手术室里的情况包括体温的变化，伤口是否感染，除此以外，还涉及手术室内各种高科技精密仪器、设备的正常运作。

根据调查及各种案例得出，手术室的温度和湿度直接影响到空气中的细菌的含量和术后感染的可能性大小。

因此，为了保证手术的成功率，手术室的室内空气的洁净程度也相当的重要，一些工业发达的国家对手术室的空气细菌含量也做了限制。

冬季的时候，医生不能多穿衣服，病人的手术部位也必须暴露出来，所以，手术室内的温度会比平常的温度高。

夏季的时候，室内的温度容易太高，医生和病人都很容易出汗，容易影响病人手术部位的情况，为了保证医生和病人不受高温影响，夏季的手术室的室内温度会比平常的温度低。

在空气中的湿度较大的季节里，就需要使用空调的除湿功能、或者除湿机对梅雨季节手术室的湿度进行调节的同时监测温度变化。

空气的相对湿度过大过小都会给病人和医生造成不适，还容易滋长细菌，并加速其繁殖的。

因此，手术室的温室度最好保持在冬季的温度控制为24～26℃，夏季的温度控制为23～26℃，而相对湿度则需要全年保持为50%～60%。

温度的检测的方法根据季节的不同而不同。

夏季的时候，需要选择最热的那一个月作为检测的标准，而冬季的时候，需要选择最冷的那一个月作为检测的标准。

湿度的检测方法要距离地面80厘米作为中心，出现的数据应该有小数点后一位，同时也要检测手术室外部环境。

而手术室的空气洁净度，为了防止细菌对手术伤口的感染，国际标准是≥0.5μm和5μm尘粒数和菌落数。

本实验通过直流电源稳压模块，由湿敏传感器构成的湿度检测模块，湿度比较模块，声光报警模块和加湿降湿模块。

简单明了的满足设计要求。

通过湿度检测模块反馈的湿度有正常湿度范围进行比较，超过设定范围则引起后面光声报警电路模块工作。

二、总体设计

1、湿度检测、控制与报警电路的工作原理框图

除湿

加湿

设备

不工作

声报警

除湿

加湿

设备

工作

传感器

湿度

检测

比较

环节

发出控制报警

湿度超过设定范围

设定

湿度

光报警

图1系统部分简略框图

2、总体设计中的主要思想：

本实验由于在仿真时，没有湿敏电阻的实际模型，所以用滑动变阻器直接代替温敏电阻的功能进行试验。

本设计采用放大电路，将代替温敏电阻的滑动变阻器传送过来的电压进行放大，以便于观察。

AD转换部分使用整流电路；湿度的判断通过控制滑动变阻器改变电阻，从而改变输出端的电压，通过输出端的电压来判断；声光报警利用OPAMP-3T-ITUAL比较器将输出的电压与设定电压进行比较，通过比较器输出高、低电位来驱动二极管发光；当湿度超过一定数值，由继电器实现降湿加湿工作。

1.湿度检测：

滑动变阻器直接代替湿敏电阻，将温度（物理量）转换成对应的电压（电量）。

2.比较环节：

将设定数字量所对应的电压量与检测湿度对应的电压量比较经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制声光报警模块，当检测湿度达到或超过设定报警湿度时即产生声光报警。

3.声光报警环节：

不同检测湿度经过电压比较器与所设温度对应的数字量，输出高低电平指示信号。

当输出信号为低电平时，二极管截止，报警电路不工作。

当有高电平信号输出时，二极管导通。

发光二级管点亮，并发出蜂鸣报警，即发生报警。

4. 降温环节：

发出警报的同时，降湿加湿设备开始工作，当湿度度降到适宜值再进行比较环节，周而复始。

3、原理图

4、调试过程

1　调整滑动变阻器R5使R4两端的额定电压为1V

2　用100千欧的滑动变阻器R4替代湿敏电阻RH

3　调节滑动变阻器R4,当电阻接入为50%时代替湿度为50%RH,记录器输出电压为V1;当电阻接入是60%时代替湿度为60%RH,记录输出电压为V1

4　调节电阻R12、R13、R14的阻值使得分压分别为V1、V2

5　反复调试几次，使得电压趋于稳定，取平均值，减小误差

3、单元电路设计与仿真

1、传感器简介

1　传感器的定义及特点:

传感器（英文名称:

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

2　传感器的特点包括:

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

3　传感器的作用：

传感器在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

4　传感器的组成：

Transducer-传感器，换能器，强调参数和能量的转换

Sensor-敏感元件，感受器，强调对被测敏感，直接感受

Transmitter-强调对各种变送器的输出信号传输及统一，电流4—20mA

传感器在国外的情况：

传感器技术列为六大核心技术之一。

六大核心技术为：

传感器，计算机，通讯，激光，半导体，超导技术，虽然技术发展的很快，但还没有形成核心技术。

西方各国不断增加传感器研究经费，耗资巨大，投入的人力、物力、财力非常强大。

5　传感器的分类：

按输入量分类：

位移传感器、速度传感器、压力传感器等

按工作原理分类:

应变式、电容式、压电式、热电式等

按物理现象分类:

结构式传感器、特性型传感器

按能量关系分类：

能量转换型传感器、能量控制传感器

按输出信号分类：

模拟式传感器，数字式传感器

电量传感器是一种将被测电量参数（如电流，电压，功率，频率，功率因数等信号）转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。

产品符合国标GB/T13850-1998。

注：

真有效值电压电流变送器用于测量电网中波形畸变较严重的电压或电流信号，也可以测量方波，三角波等非正弦波形。

信瑞达LF系列电量传感器通用技术条件：

引用标准及规则：

GB/T13850-1998相对湿度：

≤93%准确度等级：

0.2、0.5级贮藏条件：

温度-40~+70℃，相对湿度20~90%，无凝露工作温度：

-10~55℃平均无故障时间：

≥30000h位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器。

位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

在这种转换过程中有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。

因此位移传感器是一类重要的基本传感器。

在生产过

程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。

机械位移包括线位移和角位移。

按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。

模拟式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。

常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。

数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。

这种传感器发展迅速，应用日益广泛。

温度和湿度触感器1、室温管温传感器：

室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。

室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。

按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型：

1.常数B值为4100K±3%，基准电阻为25℃对应传感器电阻10KΩ±3%。

温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。

离25℃越远，对应电阻公差范围越大；在0℃和55℃对应电阻公差约为±7%；而0℃以下及55℃以上，对于不同的供应商，电阻公差会有一定的差别。

温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。

离25℃越远，对应电阻公差范围越大。

2、排气温度传感器：

排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。

3、模块温度传感器：

模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头的型号是602F-3500F，基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。

几个典型温度的对应阻值分别是：

-10℃→（25.897─28.623）KΩ；0℃→（16.3248─17.7164）KΩ；50℃→（2.3262─2.5153）KΩ；90℃→（0.6671─0.7565）KΩ。

4、温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：

PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：

B、E、J、K、S等。

温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。

5、测温原理：

根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们可以得到所需要测量的温度值。

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。

主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。

能够实现力→电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。

电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。

电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。

因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

6　传感器的特性：

传感器的动态特性:

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器的分辨率：

分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。

也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。

当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。

只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。

传感器的灵敏度：

灵敏度是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。

它是输出一输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

否则，它将随输入量的变化而变化。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。

但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

2.湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

工业上流行的湿敏电阻主要有氯化锂湿敏电阻，有机高分子膜湿敏电阻。

氯化钠湿敏电阻：

多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。

氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。

氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。

电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。

氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底，在上方制作一对金属电极，涂覆一层电解质溶液感湿膜，氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，氯化锂溶液中，Li+对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度最高。

氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作，其主要特性：

1）是可在120度高温环境中稳定工作，这一点是其他高分子电容是湿度传感器不可比拟的；2）氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在20%RH左右，在该测量范围内，其线性误差小于2%RH。

所以，在全范围湿度测量环境中要想达到高精度的湿度测量，目前普遍采用的单片湿敏元件测量方法就很难实现了。

有机高分子膜湿敏电阻：

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。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

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。

电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

这方面没有干湿球测湿方法好。

3.湿敏电阻HR202本实验采用的是湿敏电阻HR202,HR202湿敏电阻器是采用有机高分子材料的一种新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽，高湿环境下具有极高的敏感性，响应速度快，具有开关功能，交流电压直流电压下工作，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。

应用范围:

应用于电子，制药，医疗，粮食，仓储，烟草，纺织，气象等行业结露检测。

技术参数：

最高使用电压：

DC1VMAX使用温度范围：

+1——60度

使用湿度范围：

1——100%RH技术测试范围：

94——100%Rh

特性：

项目

试验条件

规格

电阻值

75%RH25度

10kMAX

93%RH25度

70kMAX

100%RH60度

200kMAX

响应速度

25度60%RH---60度，100%RH

5s以下

温度循环

40度，30分钟----85度，30分钟，5个循环

表一湿敏电阻参数表

结构示意图及特性曲线：

图2湿敏电阻结构示意图图3湿度与阻值关系曲线

4.整流电路

整流电路”（rectifyingcircuit）是把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。

经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。

习惯上称单向脉动性直流电压。

由于手术室的仪器额定电压在220V交流电，对于湿敏电阻来说电压过大，需要降到一定的电压值，比如说此次设计的12V电压，即可以保证后面电路的正常运行，也满足湿敏电阻的额定电压。

例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号进行整流。

此次设计运用的是桥式整流，先运用变压器进行降压，比例是21:

1，将电压降到10V左右。

图4整流电路图5降压之后的电压

设计采用了一个一进两出的变压器，将电压分为2部分，一部分经有二极管组成的桥路进行整流，将交流电转化为直流电用于后面电路的分压，另一部分未先整流，因为湿敏电阻的额定电压要求交流电。

滤波电路在电流不大的情况下一般选用电容滤波即可。

电路上部稳压，用三段稳压管，三段稳压管有固定的输出和可调输出两种，由于课题要求的输出电压固定，所以稳压部分运用输出电压固定的三段继承稳压管。

电路下部稳压，由于交流电不稳定，故需用到稳压器进行稳压以减少后面电路的误差。

稳压器主要在电路中起到稳压的作用，主要利用二极管的单向导通性，当管的正向压降大于二极管的起始电压时，电路导通。

稳压器由两个反向的二极管组成，两者交替工作，从而起到稳压的作用，使减少对整个电路的影响，进而电路在一个稳定的正常的工作状态下工作，使得结果更加的准确，切稳定。

图5经稳压器之后的稳定交流电

图6稳压器

稳压器是使输出电压稳定的设备。

稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成。

当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷的位置改变，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。

稳压器可广泛应用于：

工矿企业、油田、铁路、建筑工地、学校、医院、邮电、宾馆、科研等部门的电子计算机、精密机床、计算机断层扫描摄影（CT）、精密仪器、试验装置、电梯照明、进口设备及生产流水线等需要电源稳定电压的场所。

也适应于电源电压过低或过高、波动幅度大的低压配电网末端的用户及负载变动大的用电设备，特别适用于一切对电网波形要求高的稳压用电场所。

大功率补偿式电力稳压器可接火力、水力、小型发电机。

三段稳压管性能指标：

参数

测试条件

LM7812

输入电压U1（V）

+15—+25V

输出电压Uo（V）

I=500mA

+12V

电压调整率Sv（V）

U:

18.5—28.5V

<0.1

电流调整率s1

I:

10mA—1.5A

<=0.1%

负载电流I0（A）

U:

18.5—28.5V

最大0.5V

表三三段稳压器指标

5.湿敏电阻检测模块

该模块由滑动变阻器R5,R4及整流桥路和诸多等值电阻和电容组成，由于软件中没有湿敏电阻这个元件，所以用滑动变阻器代替R4代替，R4的阻值设为100千欧，与HR202湿敏电阻的湿度相对应，当湿度为60%RH时，对应阻值为60千欧，对应滑动变阻器滑块60%。

图7湿敏电阻模块

由于湿敏电阻的额定电压为1v，所以调节用滑动变阻器R5使滑动变阻器的工作电压在1V左右。

滑动变阻器的R5的满阻值为40千欧，只有当滑块为90%时，可将10V的电压分为1：

9，分出的输出电压为1V.

图8湿敏电阻两端的电压

由于手术室要求的湿度范围为50%RH—60%RH，当湿度在这个范围内时符合要求，手术室湿度正常，当湿度超过这个范围，引发后面的电路报警，所以要求测出当湿度为50%RH时，测出该部分输出的电压V1，当湿度为60%RH时。

测出该部分输出的电压V2,由于湿敏电阻的湿度与电压成反比，所以V2比小于V1。

为了便于后边电路的正常运行及测量，需要将交流电经整流电桥变为直流电。

图9湿度为50%RH时的输