中北大学课程设计说明书学生姓名：杨伟光学号：**********学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术题目：基于湿敏电阻实现湿度测量电路的设计指导教师：程耀瑜职称: 教授李文强职称: 讲师2011 年 1 月 7 日中北大学课程设计任务书2010/2011 学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术学生姓名：杨伟光学号：0805014125 课程设计题目：基于湿敏电阻实现湿度测量电路的设计起迄日期：12月26日～1月7日课程设计地点：中北大学指导教师：程耀瑜，李文强系主任：程耀瑜下达任务书日期: 2010 年 12 月 26 日目录1 设计目的 (1)2 设计意义 (1)3 湿度的定义与测量方法 (1)3.1 湿度的定义 (1)3.2 湿度的测量方法 (1)4. CHR-01型湿敏电阻 (2)4.1 CHR-01型湿敏电阻的工作原理 (2)4.2 CHR-01型湿敏电阻的性能参数 (2)4.3 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图 (3)4.4使用湿敏电阻注意的问题 (3)5. 实验所用芯片简介 (4)5.1 OP07AJ简介 (4)5.2 555定时器简介 (5)6. 湿度测量方案简介 (6)7. 电路工作原理 (6)7.1 由运算放大器构成的湿度检测电路工作原理 (6)7.2 由555定时器构成的湿度检测电路工作原理 (7)8. 湿度测量电路原理图与仿真结果 (9)8.1 由运算放大器构成的湿度检测电路原理图 (9)8.2 由运算放大器构成的湿度检测电路仿真结果 (10)8.3 由555定时器构成的湿度检测电路原理图 (11)8.4 由555定时器构成的湿度检测仿真结果 (12)9. 实验数据采集与分析 (13)10. 实验总结与感想 (14)附录一所需元器件清单 (16)附录二参考文献 (17)1.设计目的本次设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养用课程中所学的理论独立地解决实际问题的能力。
另外还培养用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
2.设计意义在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。
对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是比较难准确测量的一个参数。
这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。
此外，湿度的校准也是一个难题。
随着科学技术的不断发展，湿度的测量越来越智能化，近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
基于湿度测量的准确性难以保证及校准的问题,本次设计力图用所学的相关知识,尽可能用最简单的方法设设计一个湿度检测电路,并且能够较准确的实现湿度测量。
3.湿度的定义与测量方法3.1湿度的定义在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。
日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。
总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。
湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。
对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。
3.2 湿度的测量方法常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
①双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。
由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。
②静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。
但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。
用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。
特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。
③露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。
计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。
但用现代光电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
④干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。
历史悠久，使用最普遍。
干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。
普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
⑤电子式湿度传感器法，电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
4.CHR-01型湿敏电阻4.1 CHR-01湿敏电阻的工作原理采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件,导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。
4.2 CHR-01湿敏电阻的性能参数(1）特点：具有感湿范围宽，精度高、响应速度快，抗污染能力强，耐水性好，性能稳定可靠，一致性好，信号输出为通用型，使用便利，替代进口产品等特点。
(2) 特性参数：①湿度敏感元件：高分子湿敏电阻“CHR-01”；②供电电压：DC5V±5%；③耗电电流：2mA；④使用温度范围：0～60℃；⑤湿度检测范围：20～90%RH；⑥储存温度范围：－20～70℃；⑦储存湿度范围：95%RH以下（非凝露）；⑧湿度检测精度：±5%RH（温度25℃）。
(3) 适用范围：电子、纺织、仓储、烟草、制药、气象等行业；温湿度表、加湿器、除湿机、空调、微波炉等产品[8]。
4.3 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图图4.1 CHR-01湿敏电阻的外形尺寸及内部结构示意图4.4 使用湿敏电阻注意的问题湿敏电阻存在非线性特征，为了提高它的精度，如何改善它的非线性就成为迫切需要解决的问题。
实际应用中最常用的方法之一是分段线性插值法，即每一定的间隔为一段，分别求出相应的插值公式。
在实际测湿度时，根据频率的大小用相应的插值公式求取相应的湿度值。
由于现有的湿度值标定只能精确到 1 % RH，没有小数位，并且通常标定五个点，所以在数据处理上较本系统中的温度处理容易一些，处理过程中可以完全调用温度值处理的一些子程序。
湿敏电阻的输出值有随温度而漂移的特性，这也是湿敏电阻普遍存在的另一个问题。
它典型温度漂移系数为+0.1%RH/0C。
为了保证湿度测量的精度，采用相应的温度补偿措施是必要的。
方法是在湿敏电阻标定时，把标定时的环境温度值记录下来，在向存储器存入标定数据时，同时将这个标定温度值存入。
当程序实际运行时，每次把测得的温度值和这个标定的环境温度值比较，求出差值，再将这个差值转换为湿度值的偏差值，就可以求出真实的湿度值。
5.实验所用芯片简介5.1 OP07AJ简介输入失调电压：10mv输入失调电压失调系数：0.2uF\℃偏执电流:0.7nA增益带宽积GB:0.6MHz转换速率:0.3V\us消耗电流:22mA电源电压:±22V5.2 555定时器简介555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 1 和图2 所示。
它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 /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。
若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。
如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
6.湿度测量方案简介湿敏电阻是一种对环境湿度敏感的元件，它的电阻值能随着环境的相对湿度变化而变化。
根据此原理,可将湿敏电阻连入电路中,测量它的电压值或者电流值可间接测量和反映湿度的大小,或者将湿敏电阻连入方波发生电路，测量方波的周期来间接测量和反映湿度的大小。
本文主要是用运算放大器或者555定时器设计一个方波发生电路，通过测量方波的周期来实现对湿度大小的测量。
7.电路工作原理7.1由运算放大器构成的湿度检测电路工作原理 （1）工作原理当电路接通时，u +>u _ ,由于运放开环增益很大，又具有正反馈，因此输出电压U O 将迅速上升为+U Z ，则553()Z PR u U R R +=++ （1）与此同时，U O 将通过R 1使C 12充电，U C 由零向正方向逐渐上升。
在u _< u +之前，U O = +U Z 保持不变。
只要u _ 上升到略大于u + 时，正反馈将使U O 迅速变为-U Z ，则553()Z PR u U R R +=-+ （2）此后，在U O = -U Z 的作用下，电容C 12通过R 1放电，u _ 向负方向下降。
在u _> u + 期间，U O = -U Z 保持不变。
只要u _下降到略小于u + 时，又出现正反馈过程，最终导致U O = +U Z 。
如此周而复始，在输出端U O 将产生方波信号，方波的幅值为±U Z 。
利用单片机对U O 处的信号采集，就可得到方波的周期。
（2） 方波周期计算方波的周期可以由电容充、放电规律和波形发生器工作原理求得。
电容两端电压的变化规律为：[]()()(0)()tC C C C u t U U U e τ-=∞+-∞ （3）其中，U C (0)为在选定时起点时电容C 12上的电压值，即553(0)()C Z PR U U R R =++ （4）U C (∞) 是t=∞时，电容电压的终值()C Z U U ∞=- （5）τ是电容充电、放电时间常数112R C τ= （6）将这些值代入式（3），得112553()()tR C C Z Z Z P R u U U U e R R ∆⎡⎤=-++--⎢⎥+⎣⎦（7）式中，△t = t - t 1, 且t 1 ≤ t ≤ t 2 。