基于555定時器的濕度檢測電路的設計與Multisim仿真

摘要：基于Multisim仿真軟件，利用555定時器設計了濕度檢測電路，用于電子技術實踐教學。系統設計：1)利用HM1500 濕度傳感器采集濕度信息，轉換為電壓信號;2)利用555定時器設計壓頻轉換電路，間接實現模/數轉換;3)利用74LS161、74LS273等設計計數器測量鎖存濕度值;4)利用數碼管顯示濕度值。Multisim軟件仿真結果顯示，本文設計電路準確穩定，轉換精度高，線性度高，且成本低。該系統設計融合了模擬電子技術及數字電子技術課程基本教學內容，可作為實踐項目用于教學。

濕度檢測及控制在日常生活及工程生產中應用廣泛。隨著電子技術日新月異的發展及新型器件的應用，濕度檢測電路設計方案不斷更新優化。本文為配合電子技術實踐教學，遵循以下原則設計了一種新型濕度檢測電路：1)方案所應用到的知識點密切聯系模擬、數字電子技術課程教學內容;2)不采用單片機等微處理器，而采用常用邏輯功能器件進行信號處理;3)設計方案的硬件電路調試方便，滿足實踐教學的可行性。本文切合以上原則，基于Multisim仿真軟件，利用555 定時器設計了濕度檢測電路，仿真結果顯示，本文設計電路準確、穩定，轉換精度高，線性度高，且成本低。

1 濕度檢測電路設計方案

本文依照圖1設計了濕度檢測電路。濕度采集模塊將濕度值轉換為電壓信號;壓頻轉換模塊間接地實現模/數轉換，將電壓信號轉換為數字頻率信號(方波);濕度測量及顯示模塊通過測量頻率大小測量出環境濕度值，并進行顯示。

2 濕度檢測電路模塊設計

2.1 濕度采集模塊設計

日常生活中所指的濕度常為相對濕度，用%RH(Relativehumidity)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系的電壓信號，如式(1)所示。

Uout(mv)=25.68RH+1 079 (10≤RH≤95) (1)

如圖1所示，HM1500將濕度值轉換成電壓信號后，經信號處理模塊處理，實現整個濕度采集模塊輸出電壓值U'out與濕度值呈正比例函數線性關系，如式(2)所示。

U'out(mv)=Uout-1 079=25.68RH (2)

基于multisim仿真軟件設計的具體電路如圖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，可模擬濕度RH變化范圍。

虛框(b)中電路可產生穩定輸出1.079 V。基于運算放大器設計的減法電路如虛框(c)中所示。根據表1中不同濕度RH值下傳感器輸出值調節電位器R2，得到相應的采集模塊輸出值，由表1中數據及圖3所示曲線可知，濕度采集模塊實現了其輸出電壓值與濕度值呈正比例函數線性關系，即式(2)所示。

2.2 壓頻轉換模塊設計

壓頻轉換模塊由集成運算放大器差分積分電路及555定時器單穩態觸發電路構成，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UiUoh。

根據555定時器的內部結構分析得，圖4中壓頻轉換電路含兩種狀態：初始狀態和穩定狀態。在這兩個狀態下，Utr，Uth和Uo的波形如圖5所示。

初始狀態：上電時，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，單穩態電路中C2也從Uth=0 V開始充電，適當選擇電路參數，使得Utr充電到>1/3VCC時，C2上充的電壓Uth2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、 C2繼續充電，當C2上充的電壓Uth>2/3VCC時，Utr仍然>1/3VCC，輸出則變為Uol，此時，C2通過555內部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V2/3VCC，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，電路繼續放電。

穩定狀態：當放電使得Utr1/3VCC時，由于此時Utr=0 V2/3VCC，則輸出變為Uoh，此時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，C2上充的電壓Uth2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、C2繼續充電，當 C2上充的電壓Uth>2/3VCC時，Utr仍然>1/3VCC，輸出則變為Uol，此時，C2通過555內部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V2/3VCC，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，電路繼續放電，當放電使得 Utr1/3VCC時，由于此時Uth=0 V2/3VCC，則輸出變為Uoh。則該穩定狀態不斷重復。

根據以上分析可知，進入穩定態后，若令充電時間為t1，放電時間為t2，周期為T=t1+t2，由555電路構成的單穩態電路分析知：

因此，本文設計中，取C2=10μF，則R2=466.9 Ω(實際用1 kΩ電位器)。

本文基于multisim軟件。針對10個不同輸入情況對圖4所示電路進行了仿真。經過仿真，調節參數R2=1kx48.8%=488 Ω，其它參數如圖4所示不變。圖6所示為部分輸入時仿真所得，和的波形，波形結果與前文分析一致。表2為所有仿真情況數據結果統計。根據表2中仿真數據繪制出圖7所示壓頻轉換線性關系曲線。由表2及圖7結果可知，本文設計的壓頻轉換電路轉換精度高，且轉換線性度高。

2.3 濕度測量及顯示模塊設計

本文設計的濕度測量及顯示模塊如圖8所示。設計100進制BCD計數器對壓頻轉換電路輸出頻率信號進行計數，設計多諧振蕩器產生圖中所示波形①作為計數器使能信號，波形①通過非門取反后產生波形②作為鎖存器CLK信號，波形②通過非門取反后產生波形③作為計數器清零信號。整個控制端信號實現如下控制時序：計數器計數結束時鎖存計數值，鎖存好計數值后清零計數器，以等待6 s后進行下一次計數。該部分詳細設計及電路仿真不在本節贅述。

3 總體設計

根據圖1設計方案，將2.1～2.3節介紹的各模塊設計電路進行連接即可得到基于555定時器設計的濕度檢測系統的總體電路，本節模擬表1中環境RH值對總體電路進行了仿真。不同RH值的環境下，數碼管顯示的數據如表3所示，本文提出的濕度檢測電路準確，存在誤差為1%～3%。

4 結論

本文基于555定時器設計的濕度檢測電路準確、穩定，轉換精度高，線性度高，成本低。設計方案融合了模擬電子技術及數字電子技術課程基本教學內容，可作為實踐項目用于教學。