【正文】 0HZ～1KHZ，測(cè)量濕度范圍為0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃。這種傳感器原是用于開(kāi)關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S； pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 信號(hào)采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號(hào)假設(shè)為8路的模擬信號(hào)，需要多通道結(jié)構(gòu)。方案一：采用多路并行模擬量輸入通道。結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示。圖22多路并行模擬量輸入通道這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：(1) 可以根據(jù)各輸入量測(cè)量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以做得較低。(2) 硬件復(fù)雜，故障率高。(3) 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。方案二：采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。結(jié)構(gòu)框圖如圖23所示。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：(1) 對(duì)ADC、S/H要求高。(2) 處理速度慢。(3) 硬件簡(jiǎn)單，成本低。(4) 軟件比較復(fù)雜。圖23 多路分時(shí)的模擬量輸入通道綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號(hào)的輸入通道。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，以8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。圖24系統(tǒng)總體框圖第 3 章 硬件電路的設(shè)計(jì) 信號(hào)采集信號(hào)采集系統(tǒng)包括溫度傳感器電路、濕度傳感器電路和多路開(kāi)關(guān)組成。 溫度傳感器電路集成溫度傳感器AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流型溫度傳感器。一、AD590主要特性AD590是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。AD590主要特性l 流過(guò)器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即： (31)式中：IT—— 流過(guò)器件（AD590）的電流，單位μA。T——熱力學(xué)溫度，單位K。l AD590的測(cè)溫范圍55℃～ +150℃；l AD590的電源電壓范圍為4V～30V；l 電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。l 輸出電阻為710MΩ；l 精度高，AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線形誤差177?！?。AD590的工作原理在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和5～30V的直流電源相連并在輸出端串接一個(gè)1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mV／K的電壓信號(hào)。二、攝氏溫度測(cè)量電路攝氏溫度測(cè)量電路如圖31所示。圖31 AD590構(gòu)成溫度測(cè)量電路電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0℃時(shí)調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100℃時(shí)調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0℃時(shí)，V0=0mV，100℃時(shí)V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25℃，那么V0應(yīng)為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。 濕度傳感器濕度傳感器采用HS1100/HS1101。一、HS1100/HS1101特點(diǎn)HS1100/HS1101電容傳感器，是不需校準(zhǔn)的完全互換性、高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S； pF/℃。可見(jiàn)精度是較高的。二、濕度測(cè)量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖32所示。圖32 頻率輸出的555振蕩電路集成定時(shí)器555芯片外接電阻RR2與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1用于平衡溫度系數(shù)。該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vs通過(guò)RR2 向C充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平?？諝鉂穸韧ㄟ^(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表31給出了其中的一組典型測(cè)試值。表31 空氣濕度與電壓頻率的典型值 多路開(kāi)關(guān)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度信號(hào)采集和濕度信號(hào)采集為八路，而A/D轉(zhuǎn)換僅為一路輸入，因此需要采用由CD4051組成的多路分時(shí)的模擬信號(hào)采集電路。CD4051多路開(kāi)關(guān)，它是一種單片、COMS8通道開(kāi)關(guān)。該芯片由DTL/TTLCOMS電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個(gè)COMS模擬開(kāi)關(guān)TG組成。一、溫度多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)電路其電路結(jié)構(gòu)如圖33所示。圖33多路溫度檢測(cè)的電路每路溫度檢測(cè)電路的輸出接入模擬開(kāi)關(guān)CD4051的S0~S7，而模擬開(kāi)關(guān)CD4051的選通地址A、B、～，而CD4051的片選信號(hào) INH由單片機(jī)8031 。二、濕度多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)電路其電路結(jié)構(gòu)如圖34所示。圖34多路濕度檢測(cè)的電路每路溫度檢測(cè)電路的輸出接入模擬開(kāi)關(guān)CD4051的S0~S7，而模擬開(kāi)關(guān)CD4051的選通地址A、B、～。 信號(hào)分析電路信號(hào)分析電路由A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的基本系統(tǒng)組成 A/D轉(zhuǎn)換電路為了把溫度、濕度檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU處理，本系統(tǒng)選用了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，它精度高，分辨率達(dá)1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入，故選用多路選擇電子開(kāi)關(guān)，可輸入多路模擬量。一、MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)MC14433是三位半雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約1—10次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出。MC14433的內(nèi)部電路如圖35所示。其管腳如圖36所示，各引腳的功能見(jiàn)表32所示。圖35MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖圖36MC14433引腳圖表32MC14433各引腳的功能管腳號(hào)名稱功能24VDD主工作電源+5V12VEE模擬部分的負(fù)電源端，接5V1VAG模擬地端13VSS數(shù)字地端2VR基準(zhǔn)電壓4R1積分電阻輸入端6C1積分電容輸入端8C0C02外界補(bǔ)償電容端，5R1/C1R1與C1的公共端11CLKI、CLKO外界振蕩器時(shí)鐘14EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效9DU啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換15/OR過(guò)量程信號(hào)輸出端1619DS1DS4選擇個(gè)、十、百、千位，正脈沖有效2023Q0Q3BCD碼輸出線DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期。見(jiàn)圖37所示。圖37 MC14433選通脈沖時(shí)序圖Q0Q3中Q0為最低位，Q3 為最高位。當(dāng)DSDS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數(shù)，但在DS1選通期間，輸出端Q0Q3 除了表示個(gè)位的0或1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程其含意見(jiàn)表32 表33 DS1選通時(shí)Q3～Q0表示的結(jié)果由表可知：l Q3表示1/2位，Q3=“0”對(duì)應(yīng)1，反之對(duì)應(yīng)0；l Q2表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性；l Q0=“1”表示超量程：當(dāng)Q3=“0”時(shí)，表示過(guò)量程；l 當(dāng)Q3=“1”時(shí)，表示欠量程。二、MC14433與8031單片機(jī)的接口電路由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，Q0~Q