关于湿度传感器HS1101的设计

关于湿度传感器HS1101的设计
本课题的设计方案
本课题所设计的系统有三个原则：1、操作维护方便，为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，也便于进行维修。

2、可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高的元器件；供电电源采用抗干扰措施；进行多向滤波等作为出发点。

3、性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性价比。

本文将从以下几个方面展开工作：一是确定测湿电路的设计方案；二是进行单片机核心电路的设计；三是对单片机及通信接口进行简单的概述；四是对所有的工作进行总结。

本次课题的设计系统的示意图如图1-1。

图1-1：系统示意图
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。

可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。

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.长时间饱和下快速脱湿
3.可以自动化焊接，包括波峰或水浸
4.高可靠性与长时间稳定性
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.快速反应时间
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；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。

可见其精度是较高的。

其湿度－电容响应曲线如图2-2：
20 40 60 80 100
相对湿度%
图2-2：HS1101湿度－电容响应曲线
HS1101的一些常用参数如表2-1：
表2-1：HS1101常用参数
a) 湿度测量电路
HS1101电容传感器，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。

涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法: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。

i. NE555时基电路
NE555是一个能产生精确定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确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。

其工作电压范围为：4.5V ≤≤cc V 16V 。

NE555的框图如图2-3所示[5]。

图2-3：NE555框图
ii.
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电路功能的简单概括为: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定时器正是根据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”,则定时器3脚输出为“1”；又由于C1 两端电压为0,故cc V 通过R2 和R3 对C1充电,当C1 两端电压达到2cc V /3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。

此时555定时器内部的放电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 两端电压降
低到cc V /3 时,定时器又翻转,使输出变为“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间为h T =0.7(R2+R3)C1；放电时间为1T = 0.7R3*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。

当外界湿度变化时,HS1101 两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。

因此只要测出555的输出频率,并根据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
b) ADC0809模数转换器
在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如湿度、湿度、压力、流量），变成数字量送入计算机内进行加工处理。

反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用心控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。

这种由模拟量变为数字量，或由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或数/模转换。

用以实现这类转换的器件，叫做模/数（A/D ）转换器或数/模（D/A ）转换器[7]。

i. ADC0809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；易与各种微控制器接口；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率为8位；功耗为15mW ；转换时间（kHz f CLK 500=）为128s μ；转换精度为%4.0±[8]。

ADC0809的引脚图如图3-1所示。

图3-1：ADC0809引脚图
ii. 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，如果晶振频率取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P2.0和读写控制线RD 、WR 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
iii. 湿度误差补偿插值法子程序
从NE555时基电路中输出的是一个模拟信号，ADC0809的作用就是要把这个单片机不能识别的模拟信号转换成一个可以读取的数字信号。

这时所用到的计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，可以用一个单调非线性函数()x f u =来表示。

将x 的值分成几个小段区间，每个区间的端点k x 都对就一个输出
k u ，
把这些k x 、k u 编成表格存储起来。

实际的测量值i x 一定会落在某个区间()1,+k k x x
内，即k x <i x <1+k x 。

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()x u 。

图3-3是对ADC0809的操作流程图。

图3-3：ADC0809操作流程图
c) 单片机电路的设计
i.
MCS-51单片机
所谓的单片机就是把中央处理器CPU 、存储器ROM/RAM 、输入输出接口电路以及定时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机――单片微型计算机。

由于单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、可靠性高、价格低廉、易于开发应用。

MCS-51单片机包括8031、8051、8751等很多型号，其代表型号为8051。

ii. AT89S51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位中央处理器和ISP Flash 存储单元。

它具有以下特点：40个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 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位可编程定时计数器，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cc ss V V 和，外接晶体引脚XTAL1和XTAL2，控制引脚ST PD R V /、ALE/PROG 、PSEN 、DD V EA /，输入输出接口P0～P3。

iii. 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种各样的微小操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系
列在时间上有一定次序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。

复位对单片机来说，是程序还没开始执行，是在做准备工作。

本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。

这样使用起来比较方便，就算是在程序“跑飞”时，也可以手动复位，不用再重起单片机电源。

其Protel DXP电路图如图3-5[11]。

图3-5：AT89S51复位与晶振电路
d)总体电路系统
i.LED报警设计
本设计中，在ST89S51单片机的P1.0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P1.0端口
输出高电平，使得LED发亮，以及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
ii.系统总设计
基于51单片机的HS1101传感器湿度测控系统，主要由几个部分组成：传感器数据采集电路，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。