简易湿度测量仪的设计与制作

课程设计报告

摘要：

科技创新实践课程的目的是为了培养和提高学生的实践能力,动手能力,创新精神和创造能力,为学生参加校内外的各类科技创新实践活动提供必要的准备,为毕业后参加科研打下坚实的基础。通过本课程的学习和实践，能够培养学生良好的创新精神和创新能力，加深并扩大所学的理论知识范围，强化学生运用基本理论分析和处理实际问题的能力，同时有助于学生养成实事求是，一丝不苟，严谨的科学态度和独立工作能力。

本系统利用humirel公司的HS1101电容式高分子湿度传感器构成的湿度—频率转化电路实现湿度到频率的转化，通用型（F/V）变换器实现频率到电压的转化，最后使用LM324构成减法电路将LM331输出的湿度信号调整为满足3又1/2位数字是电压表显示要求的信号。555定时器、LM331等的直流供电电源要结合显示器件统一考虑，因此本系统采用±5V 电源供电。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。

关键词：湿度—频率转换，频率—电压转换，单级放大，3又1/2位DVM

目录

一、课程设计内容及要求 (2)

(一)设计内容 (2)

(二)设计要求 (2)

二、系统方案论证及设计原理 (2)

(一)方案论证 (2)

1.湿度的表示方法 (2)

2.湿度的测量 (2)

(二)系统设计原理 (3)

1.湿度－频率转换模块 (4)

2.频率－电压转换模块 (4)

3.湿度信号调理电路模块 (4)

三、系统测量与调试 (5)

(一)系统测量原理 (5)

1.湿度－频率转换模块的测量 (5)

2.频率－电压转换模块的测量 (6)

3.湿度信号调理电路模块 (6)

(二)系统调试方法 (6)

四、总结与体会 (6)

五、参考文献 (6)

一、课程设计内容及要求

(一)设计内容

设计一个简易湿度测量仪,用来测量空气的湿度.

(二)设计要求

技术指标: 湿度测量范围：5%RH∽95%RH，测湿精度：±2%RH

测量结果用数字显示

二、系统方案论证及设计原理

(一)方案论证

1.湿度的表示方法

空气中含有水蒸气的量称为湿度。湿度的表示方法有很多，主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。

（1）相对湿度：水蒸气压是在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压（e）。而饱和蒸汽压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值（e）。温度越高，饱和水蒸汽压越大。在某一温度下，待测气体中的水蒸汽分压与相同温度下水的饱和水蒸汽压的百分比，称为相对湿度，用%RH表示,它是一个无量纲的量，其表示式为：

%RH=(e/es)×100%

式中的e表示待测气体中的水中蒸汽分压；es表示待测气体中的饱和水蒸汽压。

（2）绝对湿度：绝对湿度表示单位体积内，空气中所含水蒸汽的质量，用AH表示。其定义为：

AH=(m/V) [单位是克/立方米-g/M3]

式中，m—待测空气中水蒸汽的质量

V---待测空气的总体积

ρv--待测空气的绝对湿度

2.湿度的测量

湿度传感器是能感受到外接湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质的变化，将湿度信号转化为有用信号的器件。对湿度传感器通常要求：在各种环境中稳定性好，响应时间

短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。

有电容式和电阻式两种。在实际的测量中，对湿度传感器的电容值和电阻值进行直接测量并不方便，对其变化量的测量显得更为困难，所以不采用直接测量的方式，而是将电容信号或电阻信号转换成易于测量的电流、电压或频率信号。

可用HS1101将湿度变化转换为电容变化，再将电容的变化转换为频率信号的变化。

HS1101的典型性曲线如图2-1所示。

图2-1HS1101的典型相应曲线

HS1101的电容的拟和曲线公式：

C(pf)=C@55%*(1.25*10-7RH-3-1.36*10-5RH2+2.19*10-3RH+9.01*10-1)

通过HS1101的典型曲线图可见在要求不高的情况下，可以认为相对湿度—电容成线性关系。

将湿度信号转换为频率信号后，由于A/D转换器的输入信号是电压信号，所以必须将频率信号进一步转换为电压信号。

LM331输出的湿度信号不一定能满足显示器件的要求,例如要用3又1/2位数字式电压表显示, 在湿度测量范围内(0%RH∽100%RH),最好将湿度信号调整到0~100mV或0~1V, 这样便于用3又1/2位数字式电压表的0~200mV或0~2V档显示. 可用减法电路对湿度信号进行调整。

(二)系统设计原理

本次设计采用模块化设计方法，把湿度测量仪分为三个大的模块来进行设计实现。这三个模块分别为湿度－频率转换模块、频率－电压转换模块和湿度信号调理电路模块，而湿度

信号调理电路模块中又包含了3又1/2位数字式电压表的工作原理。

1.湿度－频率转换模块

本模块应用了由7555定时器组成的典型多谐振荡电路。如图2-2所示。

图2-2由7555定时器构成的振荡电路

相当于可变电容的HS1101接在2脚和6脚，7脚用作R4的对地短路。HS1101通过R2和R4充放电至阀值电压，约0.67Vcc，然后通过R2放电至触发端电压，约0.33Vcc。

2.频率－电压转换模块

本模块采用了由LM331组成的F/V转换电路，如图2-3所示。该电路F/V线性度较好，温度系数低，功耗低以及动态范围宽等特点。

图2-3由LM331组成的F/V电路

3.湿度信号调理电路模块

（1）减法电路原理如图2-4所示。