1、燕山大学里仁学院测控电路课程设计1第一章 湿度传感器的功能及其原理湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，它与人们的生产、生活密切相关。湿度的检测广泛应用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。例如，集成电路的生产车间相对湿度低于 30%时，容易产生静电感应而影响生产；粉尘大的车间由于湿度小产生静电易发生爆炸；纺织厂的湿度低于 6570%RH 时会断线。可见，湿度测量在各个行业都是至关重要的。在现代社会信息科技的不断迅速发展中，计算机技术、网络技术和传感器技术的高速更新，使得湿度的测量正朝着自动化、智能化、网络化发展。随着 2011 年物联网作为新兴产业列入国家发展战略，传感器技术作为物联网的最
2、前端感知层，在其发展中占了举足轻重的地位。而湿度作为日常生产、生活中最重要的参数之一，它的检测在各种环境，各个领域都对起了重要作用。测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。应用 IH3605 型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路，测量相对湿度(RH) 的范围为 0%l00%，电路输出电压为 010V。要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。使用环境温度为 085。燕山大学
3、里仁学院测控电路课程设计2第二章 课程设计的要求及技术指标2.1 课程设计的要求1.根据设计要求，查阅参考资料。2.进行方案设计及可行性论证。3.确定设计方案，画出电路原理框图。4.设计每一部分电路，计算器件参数。5.总结撰写课程设计报告。2.2 课程设计的技术指标1.湿度测量范围：0100RH；2.使用环境温度范围：085； 3.输出电压：010V；4.非线性误差：0.5。燕山大学里仁学院测控电路课程设计3第三章 总方案及原理图3.1 电路设计总方案测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输
4、入同相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。3.2 电路设计原理框图湿度传感器P T 电 阻 传感 器差 动 放 大 器2同 相 加 法 器转 换 电 桥输 出差 动 放 大 器1电 压 跟 随 器图 3-1 原理框图燕山大学里仁学院测控电路课程设计4第四章 各组成部分的工作原理4.1 差动放大电路差动放大器:是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分的电路。采用差动放大器电路，有利于抑制共模干扰和减小漂移。图 4-1 差动放大电路 243
5、1212o )(ii uRuR 。： 则如 果 满 足 )(/ 121o3412 ii燕山大学里仁学院测控电路课程设计54.2 温度补偿电路湿度传感器具有正或负的温度系数，其温度系数大小不一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系，通常其温度关系属于 NTC 型，即 H：相对湿度； T：绝对温度；R0：在 T=0相对湿度 H=0 时的阻值；A：湿度常数； B：温度常数。温度系数 湿度系数湿度温度系数若传感器的湿度温度系数为 0.07RH/，工作温度差为 30，测量误差为 0.21RH/，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为0.4R
6、H/，则引起 12RH/的误差,必须进行温度补偿。在考虑到对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用电桥放大电路构成湿度测量电路。燕山大学里仁学院测控电路课程设计6由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。电桥放大电路应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。 -+NR2=R1uoR1uR (1+ )uaubRRR图 4-2 差动输入电桥放大电路 。，时 ： 当 uuRuRboa 21)2(12
7、1 。） ， 则， 即若 运 放 工 作 在 理 想 状 态 4/()(Roba燕山大学里仁学院测控电路课程设计74.3 加法比例运算电路运算放大器在各种测量线路中完成信号调理和运算功能。当今，第四代运算放大电路已经非常接近理想放大器特性运算放大器加法比例运算电路可以实现信号的求和以及放大。图 4-3 加法比例运算电路取 = ，则 uo=(1+ )( ui1+ ui2)32Rf11Rf3232R当 R2=R3 时，uo= （ 1+ )(ui1+ui2)2fuoR2R3R1 Rf +u i1ui2-u+ 燕山大学里仁学院测控电路课程设计8第五章 电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用5.1
8、电源的选择一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。 燕山大学里仁学院测控电路课程设计95.2 差动放大电路图 5-1 方案的差动放大电路选择 VS、R l、IC l、R 2
9、、R P1 确定电源电压。因为输出电压 Uo=10V，电源电压取 15V。由 ICl、R 2、R P1 组成调零电路。由 VS、R 1 组成传感器电源(5V)，给传感器和调零电路供电。VS 选用 MTZJ5 IB 型稳压二极管，U z=5.IV，I z=5mA，则R1=(UccU z)/Iz=(155.1)(510 3 )=l.98k取系列值 2k。ICl 选用 LM385 型基准电压源，基准电压 Uref=l.235V，工作电流为10A20mA，取工作电流 I=lmA，则R2=(UzU ref)/I=(5.11.235)(110 3 )=3.865k取系列值 3.9k。为使 RPl 支路耗电
10、小，令通过其电流为 0.2mA，则RPl=1.235(0.210 3 )=6.175k 燕山大学里仁学院测控电路课程设计10取系列值 6.8k。当相对湿度为 0 时，调节 RPl，使 Uo1=0V。选择 IC2IC5、R 3R6、R P2。IC2IC5 选择 7F324 型四运放。由 IC2 等组成差动放大器后有如下关系式，即 R3=R4R 5+(RP2/2)=R6，放大倍数 KF2= R5+(RP2/2)R 3，令 R3= R4=10.0 k，在 25、100%(RH)时，传感器输出电雎为 4.02V，调零后，Ui=4.020.8=3 22V，U o1 应为 10V。R5+(RP2/2)=K
11、F2R3=(Uo1U i)R3=(10/3.22)10.0=31.06k取 R5=27k则：RP2=2(31.06 27)=8.12k取系列值 8.2kR6=R5+(RP2/2)=31.06k取 E192 系列 3l.2 k燕山大学里仁学院测控电路课程设计115.3 温度补偿电路图 5-2 方案的温度补偿电路图中电路选用了 R11R16、R P3、R P4、R t。a）选择 Rt 、 R11、R 12、R P3。由 IC4、IC 5 及 R11R16、R P3、R P4、R t 组成温度补偿电路。其中，R11、R 12、R P3、R t 可组成温度补偿电桥。R t 选择 EL700 型铂金电阻
12、温度传感器，R t Ro(1+2t)。式中， 2=0.00375/，R o=1000，R t 的工作电流推荐值为 lmA。IC 4 为电压跟随器，8 脚输出电压 U8 的最大值为 10V，令R11= R12=10k。t=25 时，R t 的值为 R25， R25=1000(1+0.0037525)=1093.75。取 RP3=1.5k，调节 RP3，使 Ra=R25=1093.75，则 Uo2=0V。b）计算有关参数燕山大学里仁学院测控电路课程设计12KF2=R5+(RP2/2)/R3=27+(8.22)10=3.11t=85 、RH=100% 时，R t 的值为 R85，即，R 85=100
13、0(1+0.0037585)=1318.7U8=Uo1=KF2Ui=3.11(3.500.8)=8.397VUi1=U8Ra(R 12+ Ra)=8.3971093.75(1010 3 +1093.75)=0.8279VUi2= U8R85 (R11+ R85)=8.3971318.7(1010 3 +1318.7)=0.9783VUo2 为温度补偿电压。当 t=85、RH=100%时，U o1=8.397V，要求电路输出 10V，则补偿电压 Uo2=108.397=1.603V。由 IC5 组成差动放大器，其放大倍数为 KF5，即，KF5= Uo2（ Ui2U i1)=1.603(0.978
14、30.8279)=10.66取 KF5=15。c） 选择 R13R16、R P4。由 IC5 组成差动放大器后有如下关系式，即，R13= R15，R 14= R16，K F5=R14R 13，R 14= KF5R13 =15Rl3，取 R13= R15=10k，R14=1510=150k，R 16= R14=150k。当 t=85、RH=100% 时， Uo2 的实际值为，Uo2= KF5（U i2U i1)=15(0.97830.8279)=2.256V设通过 RP4 支路的电流为 1mA，则RP4=2.256(110 3 )=2.256k，取系列值 2.2k燕山大学里仁学院测控电路课程设计
15、135.4 加法比例运算电路图 5-3 方案的加法比例运算电路方案中选择了 R7、R 8、R 9、R 10。由 IC3组成同相加法器。令 R7=R8=R9=R10=10k，在 85、100%的相对湿度时，调节 RP2使 Uo1=8.379V，调节 RP4使 Uo=10V。燕山大学里仁学院测控电路课程设计14第六章 总原理图图 6-1 方案的总电路图NC1NC2NC3A4NC5NC6NC7K8IC1 LM385BD-2.52 314 111IC2AOP072 314 111IC4AOP07231411 1IC3AOP072 314 111IC5AOP07VSR1R2R3R5RP1RP2R4R6R
16、7R9R8R10RP4R11R12RtRP3R13 R15R16R14123JP1-TH3605VCC+VCC1+VCC1+VCC1+VCC1-VCC1-VCC1-VCC1-VCC1U01U0U02VS Vi1 2JP2TH3605传传传传传Pt1000传传传传传燕山大学里仁学院测控电路课程设计15第七章 结论湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器，它将所测环境湿度转换为便于处理、显示、记录的电信号等。它是一类重要的化学传感器，在仓贮、工业生产、过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用。湿度传感器是由湿度敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。本设计所实现的基于湿度传感器的测量电
17、路主要由湿度传感器、差动放大器、同相加法放大器等主电路组成。为了实现温度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。因此，在使用环境温度为 085下，本设计可通过010V 的输出电压达到测量相对湿度(RH)范围为 0%l00%。燕山大学里仁学院测控电路课程设计16参 考 文 献1 阎石主编 .数字电子技术基础高教出版社.20052 赵负图主编 .传感器集成电路手册.化学工业出版社.20023 张友汉主编 .电子线路设计应用手册.福建科学技术出版社.20
18、004 李万臣主编.模拟电子技术基础实验与课程设计(第一版)哈尔滨工程大学出版社20015 张国雄主编 .测控电路第四版.机械工业出版社.20116 赵宝贵主编.新编传感器设计手册中国计量出版社 2002 年燕山大学里仁学院测控电路课程设计17心得体会通过这次课程设计，我掌握了湿度传感器的测量电路的设计原理，和其中各单元电路、元器件的参数、功能和具体设计实施过程。将课本理论知识与实际应用相结合，对测控电路这门课程有了充分的理解。湿度测量在现代信息社会中占着重要的作用，随着电子技术的发展，湿度检测逐步走向了集成化、智能化、网络化。湿度的检测广泛应用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。通过课程设计，使我更好的将课本知识与现实相结合，为以后进入社会工作做好奠基。本设计前做了充分的准备，查阅了大量的资料，了解了各种器件的功能及特性。在做的过程中还算顺利。并在老师的指导下及我们共同的查找分析和修改，最后还算比较成功。这次的课程设计让我认识到，做好提前的准备和以及团队合作对事情成功的重要性。当然，做事情要仔细，不要去过于计较迟早，否则会忙中会出乱。
