【文章內容簡介】 本課題的設計方案 本課題所設計的系統(tǒng)有三個原則： 操作維護方便， 為了利于系統(tǒng)的推廣，在設計時應該充分采用操作內置或簡化的方法，以盡量減少對操作人員專用知識的要求，也便于進行維修。 可靠性，本系統(tǒng)所有的環(huán)節(jié)中，都應該有著可靠性的思想，從選用可靠性高的元器件；供電電源采用抗干擾措施；進行多向濾波等作為出發(fā)點。 性價比，本課題所設計的系統(tǒng)的核心是單片機，它本身有著多個優(yōu)勢，要使得系統(tǒng)能夠廣泛地應用，在充分考慮可靠性的同時，盡可能降低成本，提高系統(tǒng)的性價 比。 本文將從以下幾個方面展開工作：一是確定測濕電路的設計方案；二是進行單片機核心電路的設計；三是對單片機及通信接口進行簡單的概述；四是對所有的工作進行總結。 本次課題的設計系統(tǒng)的示意圖如 圖 11。 圖 11：系統(tǒng)示意圖 濕敏元件 HS1101 振蕩電路 NE555 模數轉換 ADC0809 核心處理器 MCU51 個人 PC 電腦 終端 4 第二章 濕度測量電路設計 傳感器的認識 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能夠直接感受被測量的部 分，轉換元件指傳感器中能將敏感元件輸出轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。 有些國家和有些科學領域，將傳感器稱為變換器、檢測器或探測器等。應該說明，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件與轉換元件兩個部分，而是二者全為一體。例如半導體氣體、濕度傳感器等，它們一般都是將感受的被測量直接轉換為電信號，沒有中間轉換環(huán)節(jié) [3]。 傳感器的靜態(tài)特性 所謂傳感器的靜態(tài)特性，是指在穩(wěn)態(tài)信號作用下，傳感器輸出－輸入之間的關系特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標有線性度、靈敏度、遲滯和重復性。 1. 線性度 傳感器的線性度用傳感器的 輸出與輸入之間的線性程度表示。如果不考慮遲滯和蠕變效應，一般可用下面的多項式表示。 20 1 2 + nny a a x a x a x? ? ? ? … (2. 1) 式中： y――輸出量； x――輸入物理量； 0a ――零位輸出； 1a ――傳感器線性靈敏度； 23, na a a… , ――待定常數。 在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍不大條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段。 2. 靈敏度 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值，一般用 nS 來表示，即 式中： yd ――輸出量的變化； xd ――輸入量的變化。 對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率。非線性傳 感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒定的，即傳xdydnS ? (2. 2) 5 感器的輸出－輸入特性為直線。 3. 遲滯 在相同工作條件下做全量程范圍校準時，下行程（輸入量由小到大）和反行程（輸入量由大到?。┧幂敵鲚斎胩匦郧€往往不重合。也就是說，對應同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不相等，此即遲滯現象。 遲滯（或稱回程誤差）正是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合程度的。 遲滯的大小常用正反行程最大輸出差值 maxy? 對滿量程輸出 SFy. 的百分比來表示的 [4]。 4. 重復性 重復性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得傳感器特性曲線不一致性的程度。多次重復測試的曲線重復性好，誤差也小。重復特性的好壞是與許多因素有關的，與產生遲滯現象具有的原因。 其它的特性還有分辨力，傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值；零漂，傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。 傳感器的動態(tài)特性 傳感器動態(tài)特性是指輸入量隨時間動態(tài)變化時，其輸出與輸入的關系。 很多傳感器要在動態(tài)條件下檢測，被測量可能以各種形式隨時間變化。只要輸入量是時間的函數，則其輸出量也將是時間的函數，其間的關系要用動態(tài)特性來說明。為研究傳感器的動態(tài)特性，可建立其動態(tài)數學模型，用數學中的邏輯推理和運算方法，分拆傳感器在動態(tài)變化的輸入量作用下，輸出量如何隨時間改變。實際中，輸入信號隨時間的變化 形式多種多樣，無法統(tǒng)一研究，所以通常只分析傳感器在標準輸入信號作用下的輸出。 研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。由于輸入信號的時候函數形式是多種多樣的，在時域內研究傳感器 的響應特性時，只能研究幾種特定的輸入時間函數如階躍函數、脈沖函數和斜坡函數等的響應特性。 對于任意輸入 ??tx 所引起的響應 ??ty ，可以利用兩個函數的卷積關系，即系統(tǒng)的響應 ??ty 等于沖激響應函數 ??th 同激勵 ??tx 的卷積，即 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???? t dtxhtxthty0 ???(2. 3) 6 濕度傳感器的選擇 濕度及其表示方法 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大 氣里總是含有或多或少的水汽。 大氣中含有水汽的多少，表示大氣中的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度表示大氣干濕程度的物理量。 大氣濕度有兩種表示方法：絕對濕度與相對 濕度。 絕對濕度 絕對濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質量，其表示為 式中： ? ――被測空氣的絕對（ g / 3m ， mg / 3m ）； VM ――被測空氣中水汽的質量（ g ， mg ）； V――被測空氣的體積（ 3m ）。 相對濕度： 相對濕度是氣體 的絕對濕度（ v? ）與同一溫度下，水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度（ W? ）之比，常用 %RH 來表示。即 式中： vP ――待測氣體的水汽分壓； WP ――同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓 [3]。 濕度傳感器 HS1101 濕度傳感器 HS1101 是基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產。可以應用于辦公室自動化，車廂內空氣質量控制，家電 ，工業(yè)控制系統(tǒng)等。它有以下幾個顯著的特點： 全互換性，在標準環(huán)境下不需校正 長時間飽和下快速脫濕 可以自動化焊接，包括波峰或水浸 高可靠性與長時間穩(wěn)定性 專利的固態(tài)聚合物結構 可用 于線性電壓或頻率輸出回路 快速反應時間 VMV??(2. 4） RHPPTWV %100??????????相對濕度 (2. 5） 7 HS1101 的簡單物照圖如圖 21[5]。 圖 21： HS1101實物照 相對濕度在 0%～ 100%RH 范圍內；電容量由 162pF 變到 200pF,其誤差不大于? 2%RH；響應時間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度－電容響應曲線如圖 22： 圖 22： HS1101濕度－電容響應曲線 HS1101 的一些常用參數如表 21： 表 21： HS1101常用參數 參數 符號 參數值 單位 工作溫度 Ta 40～ 100 ℃ 儲存溫度 Tstg 40～ 125 ℃ 供電電壓 Vs 10 Vac 濕度范圍 RH 0～ 100 %RH 焊接時間 @=260℃ t 10 S 200 190 180 170 電容 F 20 40 60 80 100 相對濕度 % 8 濕度測量電路 HS1101 電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。 涉及 如何將電容的變化量準確地轉變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號 時 ，常用兩種方法 :一是將 HS1101 置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經 整流、直流放大、再 A/D 轉換為數字信號 。另一種是將 HS1101 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。 NE555 時基電路 NE555 是一個能產生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅動電流可達200mA.。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，它可以延時數微秒到數小時。其工作電壓范圍為： ?? ccV 16V。NE555 的框圖如圖 23 所示 [5]。 圖 23： NE555 框圖 9 基于 555 振蕩電路的濕度測量電路設計 圖 24：測濕電路圖 把 HS1101 和 NE555 同時接入電路中的電路 設計原理圖如圖 24 所示。NE555 電路功能的簡單概括為 :當 6端 和 2端同時輸入為“ 1”時 ,3 端輸出為“ 0” ；當 6 端 和 2端同時輸入為“ 0”時 ,3端輸出為“ 1”。在此電路中 ,555 定時器正是根據這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號的。 當電源接通時 ,由于 6 和 2 端的輸入為“ 0” ,則定時器 3 腳輸出為“ 1” ；又由于 C1 兩端電壓為 0,故 ccV 通過 R2 和 R3 對 C1 充電 ,當 C1 兩端電壓達到2 ccV /3 時 ,定時電路翻轉 ,輸出變?yōu)椤?0”。此時 555 定時器內部的放電 BJT 的基極電壓為“ 1” ,放電 BJT 導通 ,從而使電容 C1 通過 R3 和內部放電 BJT 進行放電 ,當 C1 兩端電壓降低到 ccV /3 時 ,定時器又翻轉 ,使輸出變?yōu)椤?1” ,內部放電BJT 截止 ,VCC 又開始通過 R2 和 R3 對 C1 充電 ,如此周而復始 ,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時間為 hT =(R2+R3)C1； 放電時間為 1T = *C1； 輸出脈沖占空比為 q ＝ (R2+R3)/(R2+2R3),為了使輸出脈沖占空比接近 50％ ,R2應遠遠小于 R3。當外界濕度變化時 ,HS1101 兩端電容值發(fā)生改變 ,從而改變定時電路的輸出頻率。因此只要測出 555 的輸出頻率 ,并根據濕度與輸出頻率的關系