西北工业大学电子创新设计大赛

新型数字湿度测量及过湿报警器设计报告目录摘要第一章、设计方案第二章、电路结构设计A、自激多谐振荡器B、脉宽调制电路C、频率/电压转换及AD转换电路设计D、过湿报警电路设计第三章、电路参数设计及其误差校验第四章、总结及展望第五章、参考文献第一章设计方案该数字湿度计电路设计，是基于555电路和数字电路的基本性能进行合理拼接，并且进行了强有效地改造。本设计中，传感器选用MC—2型电容式湿敏传感器，测量电路主要有自激多谐振荡器，脉宽调制电路，频率/电压转换器和A/D转换器等组成，并且其中加入了过湿的报警电路，能够更快速、更有效的实现测量和监控。设计思路为用MC——2型电容式传感器，测得环境的湿度。主要机理：当环境发生改变即环境湿度发生改变，从而引起介质常数的改变，导致电容改变。而我们将可变电容接在555时基电路中，引起电路频率的改变，再将频率通过电路转化为可视电压。将此电压通入AD转换器得出数字量，从而进行输出。同时，在得到可视电压的过程中，将电压传至由555电路组成的过湿（过压）报警电路中。如果电压超过设定最高电压，则报警器进行报警！第二章电路结构设计A．自激多谐振荡器；该部分主要采用555定时器接成的多谐振荡器（如下图所示），555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。我们将555定时器能方便的接成自激多谐振荡器。其振荡频率为f=1.443/(R1+2R2)C1=54660hz振荡周期为18us.B.脉宽调制电路;通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此电路中采用的脉宽调制电路，使数字控制的实现变得更加容易。简而言之，此电路是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。此信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。C.频率/电压转换及AD转换电路设计;频率到电压的转换是有电信号到直观输出显示的重要变化，该电路集成了许多线性元件，可以利用电感、电容对于频率的敏感特性及其对于频率的不同响应，完成频率/电压转换。通过转换得到的电压经过A/D转换器，就可以完成数字输出了。此环节中，由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分构成。输入的为频率所转出的0~Vref间的模拟电压，输出为多位二进制数码。首先，电压比较器中量化电平的方式为用电阻链把参考电压Vref分压，得到比较电平，然后把这几个比较电平分别接到对应的电压比较器的输入端作为比较基准。同时将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入端上，与比较基准进行比较。然后，通过代码转换器进行代码转换，就得到了二进制代码。该代码转换器是一个组合逻辑电路。D．过湿报警电路设计；过湿报警电路也可以称为过压报警电路。由555实际电路组连接而成如下图所示：图中中央的为555定时器电路。S1为输出电压，可接报警铃。第三章电路参数设计及其误差校验传感器选用MC——2型电容式湿敏传感器，测量电路主要由自激多谐振荡器，脉宽调整电路，频率——电压转换电路，和AD转换器组成，报警电路由一个555电路接成。整体电路图如下所示：该传感器的工作温度为-10—90摄氏度。测量范围为20%~90%RH阻抗标称值在30%RH时1M欧姆，90%RH时为151K欧姆。由于在原理图中三次使用到了555定时器，所以它直接影响到整个电路的分析。下面主要介绍了一下555电路的特性。555定时器(a)电路结构；(b)引脚图该555定时器的组成如图所示，（b）为引脚图。其工作原理如下：比较器C1的反向输入端U6(接引脚6)称为阈值输入端，用TH来表示，比较器C2的同向输入端U2(接引脚2)称触发输入端，用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时，CCRUU321，CCRUU312若UCO外接固定电压，则CORCORUUUU21,21。RD为异步臵0端（对应管脚4），只要在RD端加入低电平，无论U6、U2的输入电平如何，基本RS触发器就臵0，电路输出UO为零。平时DR处于高电平；管脚6称为高触发端，该引脚的电平与ccU32作比较；管脚2称为低触发端，该引脚与ccU31作比较，所以在RD=1时，U6和U2有三种状态组合。使555定时器电路的输出UO有低电平0、保持和高电平1三种状态。定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。555定时器功能表如表2-1所示。当CCCCUUUU313226、时，比较器C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器被臵0，V1导通，UO输出为低电平。当CCCCUUUU313226、时，C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器被臵1，V1截止，UO输出高电平。当CCCCUUUU313226、时，C1和C2输出均为1，则基本RS触发器的状态保持不变，因而V1和UO输出状态也维持不变，定时器输出处于高阻状态。555定时器功能表RDU6（TH）U2(TR)U0V10CCU32CCU310导通1CCU32CCU311截止1CCU32CCU310导通1CCU32CCU31不变不变第四章总结及展望本产品具有广阔的市场前景，其新颖性及创造性独具一格。设计中大胆多次使用了555定时器。通过对产品参数的整定，可以大大降低整个电路的误差，和提高整体的使用效能。最为出色的是在AD转换时，同时加入了过压过湿报警电路。使得整个系统电路的可靠性大幅度上升。在工农业生产、气象、环保、科研等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制，快速、准确地测量出环境湿度有着重要作用。该电容式相对湿度传感器是基于独特工艺设计的电容元件，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点，可用于线性电压或频率输出回路当中。本设计采用的湿敏传感器的频率输出特性，来实现对环境相对湿度的测量。本产品可以广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验场等领域，市场前景广阔。第五章参考文献附图参考文献：《数字式温度计的设计》梅一珉,刘国越,叶永伟第31卷第4期《传感器原理及应用》钱显毅东南大学出版社《模拟电子技术课程教学新探[J]》.张文荣.河北能源职业技术学院学报.2004,4(3).《数字集成电路——电路、系统与设计》JANM.RABAEY电子工业出版社