基于HS1101的湿度采集电路.doc

设计题目：基于HS1101的湿度采集电路
系 别： 应用电子与通讯技术系
班 级： 0991321
学生姓名：
指导教师：
成 绩:

2013年 12 月 19 日
课 程 设 计 任 务 书
课程设计题目
基于HS1101的湿度采集电路
功能
技术指标

测量电路由湿度传感器，运算放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能，选择热敏电阻采集环境温度，补偿环境温度对湿度传感器的影响。
本设计应用HR202L型湿度传感器与集成运放设计测量湿度，测量相对湿度(RH)的范围为30%~90%，测量电路具有温度补偿功能，15~35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3%RH。
1.

工作量
两周

工作计划

1、分析题目的功能要求，查找和分析参考资料。
2、画出电路原理图，分析电路原理图和列出元器件表。
3、购买元器件。
4、安装电路。
5、电路调试。
6、撰写课程设计说明书。

指导教师评语

2011年12月19日
哈尔滨华德学院课程设计用纸
. 目录
第１章 绪论 1
1.1电路设计要求 1
1.1.1设计题目和设计指标 1
1.1.2设计功能 1
第２章 电路的方框图 2
2.1 HS1101采集湿度的总体框图 2
2.2方框图工作流程介绍 2
第３章 测量电路设计和器件的选择 3
3.1湿度传感器HS1101 3
3.1.1湿度传感器HS1101的应用和特点 3
3.1.2湿度传感器HS1101的主要特性 3
3.1.3湿度传感器HS1101的技术参数 4
3.2湿度测量电路的设计 4
3.2.1湿度传感器HS1101采集湿度的工作原理 4
3.2.2 NE555时基电路 4
3.3基于NE555震荡电路的湿度测量电路图 5
3.3.1整体电路的设计原理 5
3.3.2基于NE555设计的湿度测量电路 5
第4章 电路的测量及相关计算 7
4.1 HS1101湿度-电容响应曲线 7
4.2测量原理及计算公式 7
4.2.1测量原理 7
4.2.2计算公式及说明 7
4.2.3示波器显示方波图及测量 8
设计心得 9
参考文献 10
附录1电路原理图 11
附录2元件清单 12

第１章 绪论
1.1 设计要求
1.1.1 设计题目和设计指标
设计题目：基于HS1101的湿度采集电路
设计指标：1.精度误差：±0.1%。
2.外围电路：放大电路、滤波电路、补偿电路等。
1.1.2 设计功能
通过传感器检测温度，并搭建外围电路，完成对室内湿度的采集，并通过示波器显示采集的湿度值。

第２章 电路的方框图
2.1 HS1101采集湿度的总体框图，如图2-1
HS1101
示波器
多谐振荡器

图2-1
2.2方框图工作流程介绍
1、首先通过湿度传感器HS1101采集湿度
2、通过外围电路将湿度传感器的电容变化引起的电压变化传递置多谐振荡器
3、输出电路输出电压频率信号通过示波器显示方波

第3章 测量电路设计与器件的选择
3.1湿度传感器HS1101
3.1.1湿度传感器HS1101的应用和特点
基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合也可以得到很大的应用。其特点和实物图3-1：
1、 全互换性，在标准环境下不需校正
2、 长时间饱和下快速脱湿
3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸
4、 高可靠性与长时间稳定性
5、 专利的固态聚合物结构
6、 可用于线性电压或频率输出回路
7、 快速反应时间

图3-1 HS1101
3.1.2湿度传感器HS1101的主要特性
HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。其测量的范围相对湿度在1%--100%RH内，电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃。可见精度是较高的。
3.1.3湿度传感器HS1101的技术参数
表3-1HS1101的常用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
℃
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
10
S
3.2湿度测量电路的设计
3.2.1湿度传感器HS1101采集湿度的工作原理
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，再由示波器显示测出周期，按照公式计算出湿度。本次课程设计采用的方法为第二种。
3.2.2 NE555时基电路
NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压范围为：4.5V16V。NE555的框图如图3-2所示：
3.3基于NE555震荡电路的湿度测量电路的设计

图3-2 NE555引脚
3.3.1整体电路的设计原理
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图所示。NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。
当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；又由于C1 两端电压为0,故 通过R2 和R3 对C1充电,当C1 两端电压达到2/3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1 通过R3 和内部放电BJT 进行放电,当C1 两端电压降低到/3 时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT 截止,VCC 又开始通过R2 和R3 对C1 充电,如此周而复始,形成振荡。为了使输出脉冲占空比接近50％,R2应远远小于R3。当外界湿度变化时,HS1101 两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。
3.3.2基于NE555设计的湿度测量电路图

图3-3测量电路仿真图

第4章 电路的测量及相关计算
4.1 HS1101湿度-电容响应曲线，如4-1：

图4-1相对湿度
4..2测量原理及计算公式
4.2.1测量原理
测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿。
4.2.2计算公式及说明
HS1101作为电容变量接在555芯片的2、5脚之间，引脚7用作电阻R2的短路，等量电容HS1101通过R1、R2充电到门限电压，通过R4放电到触发电平，然后R2通过7短路到地，传感器由不同的电阻R1、R2充放电，进行工作循环，形成方波。其周期计算如下：
T充电=C@%RH*(R2+R4)*In2;
T放电=C@%RH*R2*In2；
由此可知输出方波频率为
f=1/（T充电+T放电）=1/【C@%RH*(R4+2R2)In2】
4.2.3示波器显示方波图及测量

图4-2示波器仿真图
注：从图中可看出目前周期为160us

设计心得
通过这次课程设计使我懂得了理论知识与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计的过程中遇到的问题可以说是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握的不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对电路的焊接掌握的不好……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献
1、 杨乐平，李海涛等．虚拟仪器技术概论．电子工业大学出版社，2003年
2、 清华大学电子学教研组编．童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．3版．北京：高等教育出版社，2001
3、 吕泉.现代传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2006.
4、 于忠得，侯秉涛.HS1100/ HS1101电容式湿度传感器及其应用〔电子文献〕.仪表技术与传感器，2001, 10.
5、 沙占友等.智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
6、 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008，7.
7、 朱旭光，刘建辉.农业大棚的温湿度度控制系统.自动化技术与应用[J]，2005, 2.
8、 金伟正.温湿度检测控制系统的研制[J].电子与自动化，2000, 2.
9、 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

附录1 电路原理图

附录2 原件清单
电阻4个：1K、560K、1M、51K
湿度传感器HS1101 1只
NE555多谐振荡器 1个
5V直流电源 1个
示波器 1个
电路板 1块
导线若干

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