一种湿度测量电路的设计

1 引 言

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。电容式相对湿度传感器HS1100／1101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HS1100／1101的频率输出特性，来实现对环境相对湿度的测量。

2 HS1100／1101的特点及输出特性

HS1100／1101采用具有专利权的固态聚合物结构，它具有全互换性，在标准环境下不需要校正，长时间饱和下快速脱湿，高可靠性等特点，可用于作业环境湿度自动化及工业控制系统，同时在需要湿度补偿的地方它也可以得到很大的应用。其输出电容与相对湿度特征曲线如图1所示，该曲线中的数据是在工作频率为10 kHz，工作温度为25℃下测定的数据。此曲线的方程如下：

式中，C0为工作频率等于10 kHz，相对湿度RH为55时HS1100／1101表现的电容值，C单位为pF。

由于该电容的测量是在10 kHz条件下测得的，而传感器HS1100／1101可工作于5～100 kHz范围内，并没有限制必须工作于10 kHz上，因此当工作于其他频率时，必须对该曲线进行校正，其校正公式如下所示：

式中C1为工作频率为10 kHz时传感器的典型电容值；f为电路工作频率，单位为kHz。在利用传感器进行测量时为了达到更好的互换性，回路中需要把传感器的第2脚接地。该脚已经标记在传感器头的背面的标签上。

3 电路设计

3.1 系统电路设计

电路系统主要由控制电路、湿度测量电路、接口电路、显示电路和键盘组成，如图2所示。其中，控制电路采用AT89C51单片机以及外围元件构成，主要完成定时、湿度频率数据采集、数据处理和结果显示等任务。湿度测量电路实现环境湿度与频率的转换，其输出信号的频率与湿度单值对应。接口电路主要完成输出频率信号的整形、电平匹配等，送入单片机的定时／计数器T1。T1工作于计数器方式，定时记录脉冲数并存入内存缓冲区。

3.2 湿度测量电路设计及工作原理

HS1100／HS1101电容式湿度传感器，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。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接收的信号，常用2种方法：一是将该湿敏电容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；另一种是将该湿敏电容置于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。本文采用第二种方法，因此在系统电路设计中，可略去接口电路。

由HS1100／1101与555定时器构成的非稳态振荡电路如图3所示，它是典型的555非稳态电路。555必须为CMOS型定时器。HS1100／1101作为定时电容CT接在555的2脚(TRI)和6脚(THR)上，R3起输出短路保护作用。引脚7连接于电阻R4与R2之间，这样充电支路为R4，R2，CT，放电支路为CT，R2。

当电源+Vcc接通时，CT两端的电压Vc=0，定时电路处于置位状态，由+Vcc通过R2与R4对变量电容CT充电，当Vc达到门限电压(2／3Vcc)时，定时电路翻转为复位状态，CT通过R2向555内部的放电管放电，当Vc降低到触发电平(1／3Vcc)时，定时电路又翻转为置位状态，CT开始充电，这样周而复始，形成振荡。其工作循环中的充电时间Thigh、放电时间Tlow、振荡频率F可描述如下：

为了使占空比接近50％，R4与R2相比，应该非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100／1101起始充电电流的限制。一般要求起始充电电流不大于5 mA。当外界湿度变化时引起HS1100／1101电容值的改变，从而改变回路的输出频率值。其输出端Fout与51单片机的T1脚相连接。

555电路的非平衡电阻R1作为内部温度补偿用，应具有1％的精度，目的是为了引入温度效应，使它与HS1100／1101的温度效应相匹配。由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同，所以R1的值必须与特定的芯片相匹配。此电路所用的电阻阻值及元件如图3所示。

基于图3所示电路参数，在温度为25℃，典型的环境湿度下测量其对应的频率值，通过多次反复实验，得到几种典型相对湿度值所对应的频率值，如表1所示。RH为百分比相对湿度；F为输出频率，单位是Hz。

根据表1所示的典型参数值，这里以温度25℃，频率F0=6 600 Hz，F单位为Hz，相对湿度RH=55为参考点，经过实验分析，绘制出所测相对湿度与输出频率之间的关系曲线，如图4所示。其曲线方程式如下：

4 数据处理

本文中数据处理的主要任务是确定测定的频率与相对湿度值之间的计算关系。文中将555振荡电路的输出端Fout与MCS-51单片机的T1脚相连，计数出1 s的脉冲个数，即振荡器的输出频率，然后进行频率与湿度之间的转换。但由于频率与相对湿度的关系曲线是非线性的，单片机对它的处理能力较差，为了使其处理过程简化，将RH-F曲线分段线性化处理。频率6 667 Hz(50％)与6 409 Hz(70％)将该曲线分为3段近似直线，使单片机在不同的频率范围内进行不同的线性转换。其频率-湿度对应的线性关系如下：