【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 61 574U 1 0L M 7 4 13261 574U 1 1L M 7 4 1 3261 574U 1 2L M 7 4 1+ C81 0 0 0 u+C81 0 0 0 unIqKITVBE ??K/mA1TIr? 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 圖 23 感溫部分的核心電路 圖 24 AD590 內(nèi)部的電路 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，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)。 圖 23 是利用 ΔUBE 特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等； T T4 是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實(shí)質(zhì)上是由 n 個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。 T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3 和 UBE4 經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 ΔUBE。因此，電流 I1 為： 對(duì)于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的 總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL 上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μA／ K 的 I 值。 圖 24 所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1～ T4 相當(dāng)于圖 23 中的 T T2，而 T9， T11 相當(dāng)于圖 23 中的 T T4。 R R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。 T T8，T10 為對(duì)稱(chēng)的 Wilson 電路，用來(lái)提高阻抗。 T T12 和 T10 為啟動(dòng)電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來(lái)防止電源反接時(shí)損壞電路，同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱(chēng)。 R1， R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。 T1～ T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接方式。而 C1 和 R4 則可用來(lái)防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得 T9， T10， T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個(gè)電路總電流 I 的 1／ 3。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比 為 8： 1， T10 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積 相 等 。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫(xiě)出： ΔUBE＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 R nln)qKT(RUI BE1 ???? 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來(lái)自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來(lái)自 T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 2／ 3。 根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔUBE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會(huì)使 ΔUBE 減小，不過(guò)，改變 R5 對(duì) ΔUBE的影響更為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。實(shí)際上就是利用激光修正 R5 以進(jìn)行粗調(diào)，修正 R6 以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在 25℃ 之下使總電流 I 達(dá)到 1μA／ K。 AD590 的基本應(yīng)用電路 圖 25（ a）是 AD590 的封裝形式，圖 25（ b）是AD590 用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò) AD590 的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1 和電位器 R2 的電阻之和為 1kW 時(shí)，輸出電壓 VO 隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使VO=。或在室溫下 (25℃ )條件下調(diào)整電 位器 ,使 VO=+25=（ mV）。但這樣調(diào)整 只可保證在 0℃或 25℃附近有較高精度。 AD590 溫度與電流的關(guān)系如下表 21 所示 。 圖 25 AD590 的封裝及基本應(yīng)用電路 表 21 AD590 溫度與電流的關(guān)系表 攝氏溫度 AD590 電流 經(jīng) 10KΩ 電壓 0℃ V 10℃ V 20℃ V 30℃ V 40℃ V 50℃ V 60℃ V 100℃ V LM741 放大器 741 型運(yùn)算放大器具有廣泛的模擬應(yīng)用。寬范圍的共模電壓和無(wú)阻塞功能可用于電壓跟隨器。高增益和寬范圍的工作電壓特點(diǎn)在積分器、加法器和一般反饋應(yīng)用中能使電路具有優(yōu)良性能。此外，它還具有如下特點(diǎn)：（ 1）無(wú)頻率補(bǔ)償要求；（ 2）短路保護(hù)；（ 3）失調(diào)電壓調(diào)零；（ 4）寬大的共模、差模電壓范圍 ；（ 5）低功耗。 741 型運(yùn)放雙列直插封裝的俯視圖如圖 26（ a）所示。緊靠缺口（有時(shí)也用小圓點(diǎn)標(biāo)記）下方的管腳編號(hào)為 1，按逆時(shí)針?lè)较?，管腳編號(hào)依次為 2， 3，…， 8。其中，管腳 2 為運(yùn)放反相輸入端， 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 管腳 3 為同相輸入端，管腳 6 為輸出端，管腳 7 為正電源端，管腳 4 為負(fù)電源端，管腳 8 為空端，管腳 1 和 5 為調(diào)零端。通常，在兩個(gè)調(diào)零端接一幾十千歐的電位器，其滑動(dòng)端接負(fù)電源，如圖 (b)所示。調(diào)整電位器，可使失調(diào)電壓為零。 U +U IN 8 7 6 51 2 3 4 +IN +OUT 調(diào)零調(diào)零空端++231 5 467U +U （ a） （ b） 圖 26 741 型運(yùn)算放大器的封裝圖 LM741 是通用型集成單運(yùn)算放大器，其特點(diǎn)是電壓適應(yīng)范圍較寬，可在 177。5 ～ 177。18V 范圍內(nèi)選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為 177。15V 和 177。30V；內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過(guò)載、短路保護(hù)電路；可通過(guò)外接電位器進(jìn)行調(diào)零 。圖 27 為 LM741 的內(nèi)部電路圖 圖 27 LM741 的內(nèi)部電路圖 濕度采樣電路設(shè)計(jì) 濕度傳感器的分類(lèi)及特點(diǎn) 濕度傳感器，分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形 式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。 濕度傳感器具有如下特點(diǎn)： （ 1） 精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 濕度傳感器的精度應(yīng)達(dá)到 177。2%~177。5%RH，達(dá)不到這個(gè)水平很難作為計(jì)量器具使用，濕度傳感器要達(dá)到 177。2%~177。3%RH 的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（ 20℃ 177。10℃ ）和潔凈的氣體中測(cè)量的。在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長(zhǎng)期穩(wěn)定性去判斷，一般 說(shuō)來(lái)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問(wèn)題，年漂移量控制在 1%RH 水平的產(chǎn)品很少，一般都在 177。2%左右，甚至更高。 （ 2） 濕度傳感器的溫度系數(shù) 濕敏元件除對(duì)環(huán)境濕度敏感外，對(duì)溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在 ~%RH/ ℃ 范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對(duì)濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補(bǔ)償式。采用單片機(jī)軟件補(bǔ)償，或無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補(bǔ)償?shù)男Ч?，非線性的溫漂往往補(bǔ)償不出較好的效果，只有采用 硬件溫度跟隨性補(bǔ)償才會(huì)獲得真實(shí)的補(bǔ)償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)濕敏元件難以在 40℃ 以上正常工作。 （ 3） 濕度傳感器的供電 金屬氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致性能變化，甚至失效，所以這類(lèi)濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。 （ 4） 互換性 目前，濕度傳感器普遍存在著互換性差的現(xiàn)象，同一型號(hào)的傳感器不能互換，嚴(yán)重影響了使用效果，給維修、調(diào)試增加了困難，有些廠家在這方面 做 出了種種努力，（但互換性仍很差）取得了較好效果。 （ 5） 濕度 校正 校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標(biāo)定往往用一根標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)即可，而濕度的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)較難實(shí)現(xiàn)，干濕球溫度計(jì)和一些常見(jiàn)的指針式濕度計(jì)是不能用來(lái)作標(biāo)定的，精度無(wú)法保證，因其要求環(huán)境條件非常嚴(yán)格，一般情況（最好在濕度環(huán)境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設(shè)備時(shí)，通常用簡(jiǎn)單的飽和鹽溶液檢定法，并測(cè)量其溫度。 濕度傳感器的選擇 本系統(tǒng)選用 HSl101 濕度傳感器來(lái)測(cè)量糧庫(kù)中的相對(duì)濕度，它具有如下特點(diǎn)：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(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，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。圖 28 為 HS1101 的結(jié)構(gòu)及示意圖。表 22 為 HS1101 的特性參數(shù)。 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 圖 28 HS1101 的結(jié)構(gòu)及示意圖 圖 29 為 HS1101 的電容濕度響應(yīng)曲線，相對(duì)濕度在 0%100%RH 范圍內(nèi)，電容量由 162PF 變到200PF，其誤差不大于 177。2%；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系數(shù)為 ℃。 表 22 HS1101 的特性參數(shù) 圖 29 濕度 — 電容響應(yīng)曲線 濕度信號(hào)的測(cè)量原 理 如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)放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、再經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，一種是將該濕敏電容置于 555 定時(shí)器或施密特觸發(fā)器組成的振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集 [9]。 本系統(tǒng)采用的是將 HS1101 接入 555 定時(shí)器組成振蕩器電路，輸出一定頻率的方波信號(hào)，電路圖如圖 210 所示。 集成定時(shí)器 555 芯片外接電阻 R R2 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) 基于單片機(jī)的糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 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 2， 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) R R2 向 C 充電，經(jīng) t1 充電時(shí)間后，Uc達(dá)至芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 ，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) t2 放電時(shí)間后， Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 033Vs，此時(shí)輸出引腳 3 端又由低電平躍升為高電平。如此翻來(lái)覆去，形成方波 輸出。其中充放電時(shí)間為 圖 210 濕度測(cè)量電路 2ln)RR(Ct 421 ?? 2lnCRt 22? 因而，輸出的方波頻率為 可見(jiàn)，空氣的相對(duì)濕度通過(guò) 555 測(cè)量振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成線性關(guān)系的頻率信號(hào)。表 23 給出了其中的一組典型測(cè)試值。 表 23 相對(duì)濕度與電壓頻率的典型值 將 555 測(cè)量振蕩電路輸出的方波信號(hào)送入單片機(jī) AT89S52 的 Tl 引腳，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 工作在計(jì)數(shù)方式，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 工作在定時(shí)方式。用這種測(cè)量頻率法測(cè)出方波信號(hào)的頻率，從而也就測(cè)出了空氣中的相對(duì)濕度。 f 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 6728 60 6600 70 80 90 100 6468 6330 6033 6186 RH TRIG THR CNTL RST GND VDD DISC OUT TLC555CD 5 VCC Fout 6 2 4 1 R1 909K HS1101 R