湿度传感器设计

1、设计目的：

本课程设计主要针对电子信息工程专业课程体系设置的要求，安排的一种综合性的课程设计，进行包括光、机、电系统的设计、计算、仿真、编程、调试等多个环节的综合能力培养。

2、设计方案：

在元器件的选择上，选取DS18B20数字式温度传感器和HS1101湿敏电容作为温、湿度信号的采集传感器。选取1602液晶显示屏显示温、湿度值。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，可直接将其测得的温度值传入单片机，再通过LCD进行显示。而HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接送入单片机。采用温度传感器DS18B20与电容式湿敏传感器HS1101的系统结构框图如图2.1所示。

图2.1 采用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的系统结构框图

2.1温度传感器的选择

方案1:单总线数字式温度传感器DS18B20,无需外部器件,可通过数据线供电,零待机功耗,测温范围-55℃—125℃,温度以9-12位数字量读出.

方案2：采用AD590温度传感器，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力，

AD590的测量信号可远传百余米,但是还需加入A/D转换，才可连接单片机。

综合比较方案1与方案2，方案1更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

2.2湿度传感器的选择

方案1：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

方案2：采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/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。具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，，精度较高。

综合比较方案一，方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且还不能在系统要求的温度条件下工作，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

3、测量电路的设计

3.1 湿度检测电路设计

3.1.1湿度传感器的主要特性

HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。其测量的范围相对湿度在1%--100%RH内，电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃。可见精度是较高的。

3.1.2湿度测量电路

HS1100/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。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，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；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

频率输出的555测量振荡电路如图3-1所示。集成定时器555芯片外接电阻

4R 、2R 与湿敏电容C ，构成了对湿敏电容C 的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对湿敏电容C 的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，3R 是防止输出短路的保护电阻，1R 用于平衡温度系数。

图3-1频率输出的555振荡电路

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc 通过4R 、2R 向湿敏电容C 充电，经充电时间后，Uc 达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过2R 放电，经放电时间后，Uc 下降到比较器的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为

充电T =C(4R +2R )ln2

放电T =C 2R ln2

因而，输出的方波频率为

f=1/(充电T +放电T )=1/[C(4R +22R )ln2]

可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-2给出了其中的一组典型测试值。

3.2 CPU 单元的设计

单片机是整个系统的核心，在此装置中选择8位微处理器AT89C52，该微处理器是一种CMOS 工艺的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。该器件与MCS-51系列的同类产品（如80C52等）在指令系统及引脚上完全兼容。微处理器具有8K 可写/擦1000次的Flash 内部程序存储器，对系统开发过程中的程序编写和调试可以提供极大的方便。另外，微处理器内部还有256字节的RAM 、3个16位定时器/计数器、8个中断源和可编程串行口。在该系统的单片机模块中，还有一路由11.0592MHz 晶振和电容组成的振荡电路用于构成系统时钟。如图3.3所示：

表3-2 空气湿度与电压频率的典型值

图3.3 CPU单元电路图

3.3时钟信号设计

时钟引脚为XTAL1、XTAL2。时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

本系统采用晶振时钟电路。外部晶振以及电容C2和C3构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。时钟电路如下图3.4所示。