一種濕度測量電路的設計

引 言 本文引用地址：http://www.czjhyjcfj.com/article/163698.htm 在工農業生產、氣象、環保、科研等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控制，快速、準確地測量出環境濕度有著重要作用。電容式相對濕度傳感器HS1100／1101是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時間快等優點，可用于線性電壓或頻率輸出回路當中。本設計采用HS1100／1101的頻率輸出特性，來實現對環境相對濕度的測量。 2 HS1100／1101的特點及輸出特性 HS1100／1101采用具有專利權的固態聚合物結構，它具有全互換性，在標準環境下不需要校正，長時間飽和下快速脫濕，高可靠性等特點，可用于作業環境濕度自動化及工業控制系統，同時在需要濕度補償的地方它也可以得到很大的應用。其輸出電容與相對濕度特征曲線如圖1所示，該曲線中的數據是在工作頻率為10 kHz，工作溫度為25℃下測定的數據。此曲線的方程如下： 式中，C0為工作頻率等于10 kHz，相對濕度RH為55時HS1100／1101表現的電容值，C單位為pF。 由于該電容的測量是在10 kHz條件下測得的，而傳感器HS1100／1101可工作于5～100 kHz范圍內，并沒有限制必須工作于10 kHz上，因此當工作于其他頻率時，必須對該曲線進行校正，其校正公式如下所示： 式中C1為工作頻率為10 kHz時傳感器的典型電容值；f為電路工作頻率，單位為kHz。在利用傳感器進行測量時為了達到更好的互換性，回路中需要把傳感器的第2腳接地。該腳已經標記在傳感器頭的背面的標簽上。

3 電路設計

3.1 系統電路設計

電路系統主要由控制電路、濕度測量電路、接口電路、顯示電路和鍵盤組成，如圖2所示。其中，控制電路采用AT89C51單片機以及外圍元件構成，主要完成定時、濕度頻率數據采集、數據處理和結果顯示等任務。濕度測量電路實現環境濕度與頻率的轉換，其輸出信號的頻率與濕度單值對應。接口電路主要完成輸出頻率信號的整形、電平匹配等，送入單片機的定時／計數器T1。T1工作于計數器方式，定時記錄脈沖數并存入內存緩沖區。

為了使占空比接近50％，R4與R2相比，應該非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100／1101起始充電電流的限制。一般要求起始充電電流不大于5 mA。當外界濕度變化時引起HS1100／1101電容值的改變，從而改變回路的輸出頻率值。其輸出端Fout與51單片機的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內部溫度補償用，應具有1％的精度，目的是為了引入溫度效應，使它與HS1100／1101的溫度效應相匹配。由于不同型號的555的內部溫度補償有所不同，所以R1的值必須與特定的芯片相匹配。此電路所用的電阻阻值及元件如圖3所示。

基于圖3所示電路參數，在溫度為25℃，典型的環境濕度下測量其對應的頻率值，通過多次反復實驗，得到幾種典型相對濕度值所對應的頻率值，如表1所示。RH為百分比相對濕度；F為輸出頻率，單位是Hz。

根據表1所示的典型參數值，這里以溫度25℃，頻率F0=6 600 Hz，F單位為Hz，相對濕度RH=55為參考點，經過實驗分析，繪制出所測相對濕度與輸出頻率之間的關系曲線，如圖4所示。其曲線方程式如下：

4 數據處理

本文中數據處理的主要任務是確定測定的頻率與相對濕度值之間的計算關系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機的T1腳相連，計數出1 s的脈沖個數，即振蕩器的輸出頻率，然后進行頻率與濕度之間的轉換。但由于頻率與相對濕度的關系曲線是非線性的，單片機對它的處理能力較差，為了使其處理過程簡化，將RH-F曲線分段線性化處理。頻率6 667 Hz(50％)與6 409 Hz(70％)將該曲線分為3段近似直線，使單片機在不同的頻率范圍內進行不同的線性轉換。其頻率-濕度對應的線性關系如下：

根據以上3種線性關系可編寫出用51單片機顯示所測濕度值的程序。

5 結 語

相對濕度傳感器HS1100／1101應用廣泛，利用它與555定時器構成非穩態電路可測出周圍環境下的相對濕度，通過調試，該設計已應用于“林區溫度濕度監測系統”中。此設計具有硬件電路相對簡單、體積小、可靠性高、穩定性好、反應時間快等特點，但由于在實際操作過程中條件所限，所測的濕度值與真實值存在一定的誤差，需做進一步完善