曹莉凌，劉雨青，楊 琛，吳燕翔

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

濕度檢測及控制在日常生活及工程生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。隨著電子技術(shù)日新月異的發(fā)展及新型器件的應(yīng)用，濕度檢測電路設(shè)計(jì)方案[1]不斷更新優(yōu)化。本文為配合電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，遵循以下原則設(shè)計(jì)了一種新型濕度檢測電路：1）方案所應(yīng)用到的知識點(diǎn)密切聯(lián)系模擬、數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容[2-4]；2）不采用單片機(jī)等微處理器，而采用常用邏輯功能器件進(jìn)行信號處理；3）設(shè)計(jì)方案的硬件電路調(diào)試方便，滿足實(shí)踐教學(xué)的可行性。本文切合以上原則，基于Multisim仿真軟件[5]，利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)了濕度檢測電路，仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)電路準(zhǔn)確、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，線性度高，且成本低。

1 濕度檢測電路設(shè)計(jì)方案

本文依照圖1設(shè)計(jì)了濕度檢測電路。濕度采集模塊將濕度值轉(zhuǎn)換為電壓信號；壓頻轉(zhuǎn)換模塊[6]間接地實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率信號（方波）；濕度測量及顯示模塊通過測量頻率大小測量出環(huán)境濕度值，并進(jìn)行顯示。

圖1 基于555定時(shí)器設(shè)計(jì)的濕度檢測電路Fig.1 Humidity detection circuit based on 555 timer

2 濕度檢測電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 濕度采集模塊設(shè)計(jì)

日常生活中所指的濕度常為相對濕度，用%RH（Relative humidity）表示，即氣體中的水蒸氣壓與其氣體的飽和水蒸氣壓的百分比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。

HM1500是一款典型的線性電壓輸出式濕度傳感器，其輸出是與相對濕度呈線性關(guān)系的電壓信號，如式（1）所示。

如圖1所示，HM1500將濕度值轉(zhuǎn)換成電壓信號后，經(jīng)信號處理模塊處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)濕度采集模塊輸出電壓值與濕度值呈正比例函數(shù)線性關(guān)系，如式（2）所示。

基于multisim仿真軟件設(shè)計(jì)的具體電路如圖2所示。其中，由于multisim不支持HM1500元件，仿真過程采用虛框（a）中電路，其輸出為0～4 V可調(diào)，可模擬濕度RH變化范圍。虛框（b）中電路可產(chǎn)生穩(wěn)定輸出1.079 V?；谶\(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的減法電路如虛框（c）中所示。根據(jù)表1中不同濕度RH值下傳感器輸出值調(diào)節(jié)電位器R2，得到相應(yīng)的采集模塊輸出值，由表1中數(shù)據(jù)及圖3所示曲線可知，濕度采集模塊實(shí)現(xiàn)了其輸出電壓值與濕度值呈正比例函數(shù)線性關(guān)系，即式（2）所示。

圖2 濕度采集模塊設(shè)計(jì)Fig.2 Design of humidity acquisition module

表1 采集模塊仿真數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Simulation results of acquisition module

2.2 壓頻轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

壓頻轉(zhuǎn)換模塊由集成運(yùn)算放大器差分積分電路及555定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路構(gòu)成，如圖4所示。其中，R1=R4，C1=C4，電路輸出高電平記為 Uoh，低電平記為Uol，要求 Ui

根據(jù)555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析得，圖4中壓頻轉(zhuǎn)換電路含兩種狀態(tài)：初始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。在這兩個(gè)狀態(tài)下，Utr，Uth和Uo的波形如圖5所示。

圖3 采集模塊輸出與濕度值線性關(guān)系Fig.3 Linear relation between humidity and outputs of acquisition module

初始狀態(tài)：上電時(shí)，Utr，Uth均為低電平<1/3VCC，555 則輸出Uoh，差分積分電路中C1、C4從Utr=0 V開始充電，單穩(wěn)態(tài)電路中C2也從Uth=0 V開始充電，適當(dāng)選擇電路參數(shù)，使得Utr充電到>1/3VCC時(shí)，C2上充的電壓Uth<2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、C2繼續(xù)充電， 當(dāng) C2上充的電壓 Uth>2/3VCC 時(shí)，Utr仍然 >1/3VCC，輸出則變?yōu)閁ol，此時(shí)，C2通過555內(nèi)部放電管迅速放電為 0 V，即 Uth=0 V<2/3VCC，而 C1、C4通過電阻 R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持，電路繼續(xù)放電。

圖4 壓頻轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Voltage-frequency-conversion circuit

穩(wěn)定狀態(tài)：當(dāng)放電使得Utr<1/3VCC時(shí)，由于此時(shí)Utr=0 V<2/3VCC，則輸出變?yōu)?Uoh，此時(shí) C1、C4從 Utr=1/3VCC開始充電，C2則從Uth=0 V開始充電，則肯定有Utr充電到>1/3VCC時(shí)，C2上充的電壓 Uth<2/3VCC， 則輸出保持 Uoh，C1、C4、C2繼續(xù)充電，當(dāng)C2上充的電壓Uth>2/3VCC時(shí)，Utr仍然 >1/3VCC，輸出則變?yōu)閁ol，此時(shí)，C2通過555內(nèi)部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V<2/3VCC，而 C1、C4通過電阻 R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持Uol，電路繼續(xù)放電，當(dāng)放電使得Utr<1/3VCC時(shí)，由于此時(shí)Uth=0 V<2/3VCC，則輸出變?yōu)閁oh。則該穩(wěn)定狀態(tài)不斷重復(fù)。

圖5 壓頻轉(zhuǎn)換電路波形圖Fig.5 Waveform of voltage-frequency-conversion circuit

根據(jù)以上分析可知，進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)后，若令充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，周期為T=t1+t2，由555電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路分析知：

運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的差分積分電路中，

由式（4）~（6）得：

由 U+=U-得：

該差分電路充電時(shí)：

由三要素法得：

由電容電荷量公式得：

將式（6）（9）（10）代入（8）得：

經(jīng)過t1時(shí)間充電后，電壓增量為：

該電路放電時(shí)：Uc4（t1）為 C4放電初始電壓值，Q（t-t1）為放電t-t1時(shí)間釋放的電荷量。

差分積分電路Utr經(jīng)過t2時(shí)間放電后，電壓差值為：

由式（13）（15）（16）（17）得：

根據(jù)前文分析，差分積分電路充放電升降壓平衡，則有：

由式（3）（12）（18）（19）得：

本文中，Uoh=5 V，Uol=0 V，則

由（21）式可知，電路輸出頻率值與輸入電壓 Ui呈線性關(guān)系。

根據(jù)式（21）及表1分析，設(shè)定該模塊中，

因此，本文設(shè)計(jì)中，取C2=10μF，則R2=466.9Ω（實(shí)際用1 kΩ電位器）。

本文基于multisim軟件，針對10個(gè)不同輸入情況對圖4所示電路進(jìn)行了仿真。經(jīng)過仿真，調(diào)節(jié)參數(shù)R2=1k×48.8%=488Ω，其它參數(shù)如圖4所示不變。圖6所示為部分輸入 時(shí)仿真所得，和的波形，波形結(jié)果與前文分析一致。表2為所有仿真情況數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。根據(jù)表2中仿真數(shù)據(jù)繪制出圖7所示壓頻轉(zhuǎn)換線性關(guān)系曲線。由表2及圖7結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的壓頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度高，且轉(zhuǎn)換線性度高。

2.3 濕度測量及顯示模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濕度測量及顯示模塊如圖8所示。設(shè)計(jì)100進(jìn)制BCD計(jì)數(shù)器對壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)多諧振蕩器產(chǎn)生圖中所示波形①作為計(jì)數(shù)器使能信號，波形①通過非門取反后產(chǎn)生波形②作為鎖存器CLK信號，波形②通過非門取反后產(chǎn)生波形③作為計(jì)數(shù)器清零信號。整個(gè)控制端信號實(shí)現(xiàn)如下控制時(shí)序：計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)鎖存計(jì)數(shù)值，鎖存好計(jì)數(shù)值后清零計(jì)數(shù)器，以等待6 s后進(jìn)行下一次計(jì)數(shù)。該部分詳細(xì)設(shè)計(jì)及電路仿真不在本節(jié)贅述。

圖6 壓頻轉(zhuǎn)換模塊仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of voltage-frequency-conversion circuit

表2 壓頻轉(zhuǎn)換模塊仿真數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Simulation data results of voltage-frequencyconversion circuit

圖7 壓頻轉(zhuǎn)換線性度Fig.7 Linear relation between voltage and frequency

圖8 濕度測量及顯示模塊設(shè)計(jì)Fig.8 Design of humidity measure and display module

3 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1設(shè)計(jì)方案，將2.1～2.3節(jié)介紹的各模塊設(shè)計(jì)電路進(jìn)行連接即可得到基于555定時(shí)器設(shè)計(jì)的濕度檢測系統(tǒng)的總體電路，本節(jié)模擬表1中環(huán)境RH值對總體電路進(jìn)行了仿真。不同RH值的環(huán)境下，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)如表3所示，本文提出的濕度檢測電路準(zhǔn)確，存在誤差為1%～3%。

4 結(jié) 論

本文基于555定時(shí)器設(shè)計(jì)的濕度檢測電路準(zhǔn)確、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，線性度高，成本低。設(shè)計(jì)方案融合了模擬電子技術(shù)及數(shù)字電子技術(shù)課程基本教學(xué)內(nèi)容，可作為實(shí)踐項(xiàng)目用于教學(xué)。

表3 總體設(shè)計(jì)仿真Tab.3 Simulation of overall design

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