关于湿度传感器HS1101的设计

关于湿度传感器HS1101的设计目录第一章前言...........................................错误!未定义书签。1.1概述.....................................错误!未定义书签。1.2实验室湿度测控的意义.....................错误!未定义书签。1.3实验室湿度测控的现状与发展...............错误!未定义书签。1.3.1传统的分立式湿度测量..............错误!未定义书签。1.3.2模拟集成湿度传感器测量............错误!未定义书签。1.3.3智能湿度传感器测量................错误!未定义书签。1.4本课题的设计方案.........................................1第二章湿度测量电路设计...............................错误!未定义书签。2.1传感器的认识.............................错误!未定义书签。2.1.1传感器的静态特性..................错误!未定义书签。2.1.2传感器的动态特性..................错误!未定义书签。2.2湿度传感器的选择.........................错误!未定义书签。2.2.1湿度及其表示方法..................错误!未定义书签。2.2.2湿度传感器HS1101..................错误!未定义书签。2.3湿度测量电路.............................................32.3.1NE555时基电路.....................................32.3.2基于555振荡电路的湿度测量电路设计................4第三章核心电路的设计.................................................53.1ADC0809模数转换器........................................53.1.1ADC0809应用简介...................................53.1.2测湿电路与单片机连接..............................63.1.3湿度误差补偿插值法子程序..........................63.2单片机电路的设计.........................................73.2.1MCS-51单片机......................................73.2.2AT89S51单片机.....................................83.2.3时钟晶振电路和复位电路............................83.3总体电路系统.............................................93.3.1LED报警设计.......................................93.3.2系统总设计.......................................103.4电路PCB版图设计........................................12第四章单片机与PC间的串行通讯.......................................154.1RS-232-C接口............................................154.2单片机和PC通信连接.....................................154.3简单软件设计............................................174.3.1下位机软件设计...................................174.3.2上位机程序设计...................................18第五章结论.........................................................19参考文献..............................................................20致谢..................................................................21附录..................................................................22-1-本课题的设计方案本课题所设计的系统有三个原则：1、操作维护方便，为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，也便于进行维修。2、可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高的元器件；供电电源采用抗干扰措施；进行多向滤波等作为出发点。3、性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性价比。本文将从以下几个方面展开工作：一是确定测湿电路的设计方案；二是进行单片机核心电路的设计；三是对单片机及通信接口进行简单的概述；四是对所有的工作进行总结。本次课题的设计系统的示意图如图1-1。图1-1：系统示意图湿敏元件HS1101振荡电路NE555模数转换ADC0809核心处理器MCU-51个人PC电脑终端-2-湿度传感器HS1101是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。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：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HS1101的简单物照图如图2-1[5]。图2-1：HS1101实物照相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。可见其精度是较高的。其湿度－电容响应曲线如图2-2：200190180170电容F20406080100相对湿度%-3-图2-2：HS1101湿度－电容响应曲线HS1101的一些常用参数如表2-1：表2-1：HS1101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Vs10Vac湿度范围RH0～100%RH焊接时间@=260℃t10S2.1湿度测量电路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，可直接被计算机所采集。2.1.1NE555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：4.5VccV16V。NE555的框图如图2-3所示[5]。-4-图2-3：NE555框图2.1.2基于555振荡电路的湿度测量电路设计图2-4：测湿电路图把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图2-4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ccV通过R2和R3对C1充电,当C1两端电压达到-5-2ccV/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ccV/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。其工作循环中的充电时间为hT=0.7(R2+R3)C1；放电时间为1T=0.7R3*C1；输出脉冲占空比为q＝(R2+R3)/(R2+2R3),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[6]。核心电路的设计3.1ADC0809模数转换器在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如湿度、湿度、压力、流量），变成数字量送入计算机内进行加工处理。反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用心控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。这种由模拟量变为数字量，或由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或数/模转换。用以实现这类转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器[7]。3.1.1ADC0809应用简介ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。其主要性能有：逐次比较型；CMOS工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满量度调整；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；易与各种微控制器接口；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率为8位；功耗为15mW；转换时间（kHzfCLK500）为128s；转换精度为%4.0[8]。ADC0809的引脚图如图3-1所示。-6-图3-1：ADC0809引脚图3.1.2测湿电路与单片机连接NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。8051通过地址线P2.0和读写控制线RD、WR来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。测湿电路与单片机的连接图如图3-2所示。图3-2：测湿电路与单片机连接图3.1.3湿度误差补偿插值法子程序从NE555时基电路中输出的是一个模拟信号，ADC0809的作用就是要把这个单片机不能识别的模拟信号转换成一个可以读取的数字信号。这时所用到的计算机思想就是插值法[9]。即当ADC0809的输入与输出特性为非线性时，可以用一个单调非线性函数xfu来表示。将x的值分成几个小段区间，每个区间的端点kx都对就一个输出ku，把这些kx、ku编成表格存储起来。实际的测量值ix一定-7-会落在某个区间1,kkxx内，即kxix1kx。插值法的思想就是用一段简单的曲线近似代替这段区间的实际曲线，然后用近似曲线公式计算出xu。图3-3是对ADC0809的操作流程图。图3-3：AD