中央一臺天氣預報臺_濕度測量儀的設計與制作

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所屬分類:空氣濕度

濕度測量儀的設計與制作_工程科技_專業資料。濕度是一個最基本的環境參數之一,人們的生活與濕度息息相關 在工農業生產氣象環保國防科研等部門, 經常需要對環境的濕度進行測量和控制測量濕度在生物制藥食品加工造紙等行業更是至關重要的因此研究濕度的測量方 法和控制具有重要的意義

2011 年第 5 期 NO.5. 2011 百家講壇 濕度測量儀的設計與制作 王藝筱 (山東大學威海分校機電與信工學院電子信息科學與技術專業 2009 級 2 班, 山東 【摘 威海 264209 ) 要】 濕度是一個最基本的環境參數之一, 人們的生活與濕度息息相關。在工農業生產、 氣象、 環保、 國防、 科研等部門, 測量濕度在生物制藥、 食品加工、 造紙等行業更是至關重要的。 因此研究濕度的測量方 經常需要對環境的濕度進行測量和控制。 法和控制具有重要的意義。 濕度的表示方法: 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度。濕度的表示方法有很多, 主要有質量百分比和體積百分比、 相對濕度 和絕對濕度、 (霜點 等表示法。 露點 ) 1.相對濕度: 水蒸氣壓是在一定的溫度條件下, 混合氣體中存在的水蒸氣分壓 ) 而飽和蒸汽壓是指在同一溫度下, (e 。 混合 氣體中所含水蒸氣壓得最大值 ) 溫度越高, (e 。 飽和水蒸汽壓越大。 在某一溫度下, 待測氣體中的水蒸汽分壓與相同溫度下水的 飽和水蒸汽壓的百分比, 稱為相對濕度, 用%R H 表示,它是一個無量綱的量, 其表示式為: %R H=(e/ es)×100% 式中的 e 表示待測氣體中的水中蒸汽分壓;s 表示待測氣體中的飽和水蒸汽壓。 e 2. 絕對濕度:絕對濕度表示單位體積內, 空氣中所含水蒸汽的質量, AH 表示。其定義為: 用 ρv=(m/ V)g/ m3 式中,m—— —待測空氣中水蒸汽的質量 V—— —待測空氣的總體積 ρv—— —待測空氣的絕對濕度 本設計采用電容式高分子濕度傳感器 HS1101 將濕度變化轉換為電容變化, 再將電容的變化轉換為頻率信號的變化。 本設 計采用了由 7555 定時器組成的多謝振蕩電路。 然后通過頻率 / 電壓轉換器模塊將頻率信號進一步轉換為電壓信號。本設計采 所以要通過電壓跟隨電路提高其帶負載 用了由 LM331 組成 F/ V 轉換簡單電路。經過 LM331 輸出的信號帶動負載能力較差, 的能力。最后通過 AD 轉換器由數字表頭輸出。 濕度傳感器; 電容 / 頻率變換; 電壓變換; D 轉換; A/ 數字顯示 【關鍵詞】 文章編號: 1673- 0380 (2011 05- 0131- 01 ) 一、 設計任務及設計要求 1.1、 設計任務: 設計一個簡易濕度測量儀,用來測量空氣的濕度. 1.2、 設計要求: 5%RH∽95%RH, 測濕精度: ±2%RH、 測 濕度測量范圍: 量結果用數字顯示。 1.3、 設計思路 由 HS1101 將濕度變化電容變化,再將電容的變化轉換 為頻率信號的變化, 將濕度變化轉換為頻率信號后, 由于 AD 轉換的信號是電壓信號, 所以必須將頻率信號進一步轉換為 電壓信號。由于經過 LM331 輸出的信號帶動負載能力較差, 所以通過電壓跟隨電路提高其帶負載能力。與溫度信號處理 一樣也需利用一反相求和電路對信號進行處理, 通過調整運 放 U6 的反饋電阻,中央一臺天氣預報臺使最終輸出的電壓信號調整到再 0- 5V 之間擺動, 再將輸出信號通過多路模擬開關輸入到 AD 轉換 器中。然后通過數碼管電路將測量的結果輸出。為了簡化電 路, 我們采用了 3 1 的表頭輸出。 2 二、 總體框圖以及各個部分的原理圖 2.1 總體框圖 濕度傳感器使用 HS1101, 將濕度變化轉換成電容變化, 再將電容變化轉換為頻率變化, 再將頻率變化轉換成電壓信 號通過 A/D 轉換然后進行數字顯示, 輸出結果。 2.2 所用到的主要元器件 HS1101、 7555、 KA331、 7805、 LM324N、 若干電容電阻等。 2.3 各部分原理 2.3.1 濕度的測量 濕度傳感器是能感受到外接濕度變化, 并通過器件材料 的物理或化學性質的變化, 將濕度信號轉化為有用信號的器 件。對濕度傳感器通常要求: 在各種環境中穩定性好, 響應時 間短, 壽命長, 有互換性, 耐污染和受溫度影響小等。 常用的濕度傳感器有電容式和電阻式兩種。在實際的測 量中, 對濕度傳感器的電容值和電阻值進行直接測量并不方 便, 對其變化量的測量顯得更為困難, 所以不采用直接測量 的方式,而是將電容信號或電阻信號轉換成易于測量的電 流、 電壓或頻率信號。 濕度傳感器種類繁多, 可根據使用環境選擇合適的傳感 器。下面我們介紹電容式高分子濕度傳感器 HS1101。 HS1101 高分子濕度傳感器是 Humirel 公司的產品, 常用 在成本低的場合, 比如: 家電, 農業大棚, 辦公自動化及工控 系統。 還可用于任何需要濕度補償的場合。 其特點是: 長期飽 和后可迅速恢復; 高可靠性和長期穩定性; 專利固態多聚酯 結構; 快速響應; 可以電壓或頻率輸出等。 HS1101 的典型性曲線 所示。 CHINA- ASEAN EXPOSITION 131 2011 年第 5 期 NO.5. 2011 中國—東盟博覽 將濕度信號轉換為頻率信號后,由于 AD 轉換的信號是 電壓信號, 所以必須將頻率信號進一步轉換為電壓信號。F/V 轉換采用了 KAX31 系列通用型 V/F(F/V)變換器中的 KA331。 此系列芯片價格較低, 引腳只有 8 個, 外圍連接線路簡單, 并 可能工作在 4V- 40V 電壓范圍內, 具有良好的線性頻率調制 或解調功能, 因而 KA331 不僅能夠作為 V/F 變換, 亦可用作 F/V 變換。其主要性能參數如下: 1.電壓工作范圍: 40V; 4V2.頻率工作范圍: 1Hz- 100kHz; 3.最大線mW。 圖 1 HS1101 的典型相應曲線 的電容的擬和曲線公式: C(pf)=C@55%*(1.25*10- 7RH3- 1.36*10- 5RH2+2.19*10- 3RH +9.10*10- 1) 通過 HS1101 的典型曲線圖可見在要求不高的情況下, 可以認為相對濕度 - 電容成線 濕度 / 頻率轉換電路 HS1101 將濕度變化轉換為電容變化,再將電容的變化 轉換為頻率信號的變化。本設計應用了由 7555 定時器組成 的典型多諧振蕩電路。 本次設計采用了由 KA331 組成的 F/V 轉換簡單電路,中央一臺天氣預報臺 如 圖 2- 6 所示。該電路 F/V 線性度較好, 溫度系數低、 功耗低以 及動態范圍寬等特點該誤差。目前已經廣泛用于數據采集、 自動控制和數字化及智能化測量儀器中。 2.3.4.電壓調整電路模塊 KA331 輸出的濕度信號不一定能滿足顯示器件的要求, 例如要用位數字是電壓表顯示, 在濕度測量范圍內 (0%RH∽ 100%RH , ) 最好將濕度信號調整到 0∽100mv 或 0∽1v, 這樣 便于用位數字式電壓表的 0∽200mv 或 0∽2v 檔顯示,可以 用上面的電路對濕度信號進行調整。 整個電路的過程中,我們采用的是 9v 干電池供電來控 制元器件的開啟工作的電壓。 三、 結論 心得體會: 在這次的實踐過程中, 學會了使用面包板, 雖 然以前也用過, 但是這次的使用使我們加深了對它的理解。 面包板 (集成電路實驗板) 是電路實驗中一種常用的具 有多孔插座的插件板, 在進行電路實驗時, 可以根據電路連 接要求,在相應孔內插入電子元器件的引腳以及導線等, 使 其與孔內彈性接觸簧片接觸,由此連接成所需的實驗電路, 適于插入各種數字集成電路。 面包板使用注意事項: 插入面包板上孔內引腳或導線mm, 即比大頭針的直徑略微細一點。元器 件引腳或導線頭要沿面包板的板面垂直方向插入方孔, 應能 感覺到有輕微、 均勻的摩擦阻力, 在面包板倒置時, 元器件應 能被簧片夾住而不脫落。面包板應該在通風、 干燥處存放, 特 別要避免被電池漏出的電解液所腐蝕。要保持面包板清潔, 焊接過的元器件不要插在面包板上。 在調整電路的時候, 運放附近是比較難以調整的, 調零 是一個比較困難的過程, 總是調不到預定的效果, 最后通過 與大家的交流, 我們終于把運放調的差不多好了, 這是一個 比較復雜的過程, 但是做完以后成就感是不小的。 參考文獻: 《模擬電子技術》 《數字電路》 由 7555 定時器構成的振蕩電路 相當于可變電容的 HS1101 接在 2 (TRIG 腳和 6(THR) ) 腳, 腳用作 R4 的對地短路。HS1101 通過 R2 和 R4 充電至 7 閥值電壓,約 0.67Vcc;然后通過 R2 放電至觸發端電壓, 約 0.33Vcc。因 R4 已通過 7 腳對地短路了 充放電周期公式如下: T_high=c@%RH*(R2+R4)*ln2 T_low=c@%RH*R2*ln2 F=1/(T_high+T_low)=1/c@%RH*(2*R2+R4)*ln2 Output duty cycle=T_high*F=R2/(2*R2+R4) 為使輸出的占空比接近 50%, 應比 R2 低得多。 是 R4 R3 短路保護電阻。555 必須是 CMOS 型,如本設計中應用的 7555。R1 用于平衡 HS1101 的溫度系數, R1 必須向其他 故, R- C 時鐘電阻一樣, 最大溫度系數為 100ppm。 555 型號不 因 同, 和 R2 的阻值有所不同。 R1 555 型號 7555(Harris) LMC555(National) TLC555(Texas) TS555(STM) R1 1732KΩ 1238KΩ 909KΩ 100nF 電容 R2 549KΩ 562KΩ 576KΩ 523KΩ 2.3.3 頻率 / 電壓轉換器模塊 132 CHINA- ASEAN EXPOSITION

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