一種濕度測量電路的設計

摘 要：采用電容式相對濕度傳感器HS1100/1101，設計一種濕度測量電路。通過實際電路實驗，用其結果繪制出相對濕度RH與電路輸出頻率F的關系曲線。單片機的數據處理編程采用分段線性化方法，降低了編程難度。該設計已應用于溫度、濕度測量控制電路系統中，具有可靠、穩定、反應快速等特點。

關鍵詞：濕度測量;電路設計;RH-f曲線；HS1100/1101

中圖分類號：TN403 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2000403

Design of Humidity Measurement Circuit

SHAO Sifei1，2，ZHOUMeili1，HE Erchao1

(1.College of Physics Electronic Information，Yan′an University，Yan′an，716000，China;2.Innovation College，Yan′an University，Xi′an，710100，China)

Abstract：A design of a Relative Humidity(RH) measuring circuit using capacitive sensor HS1100/1101 is presented in this paper.Using actual circuit experimental results，the curve of relative humidity and circuit output frequency F is rendered.Meanwhile，the data acquisition of output frequency in a single chip computer using the piecewise linear programming methods which reduce the difficulty of programming.The design has been applied to measurement and control system of temperature and humidity with the characteristics of reliability，stability，rapid response and so on.

Keywords：humidity measurement;circuit design;RH-f;curve;HS1100/1101

1 引 言

在工農業生產、氣象、環保、科研等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控制，快速、準確地測量出環境濕度有著重要作用。電容式相對濕度傳感器HS1100/1101是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時間快等優點，可用于線性電壓或頻率輸出回路當中^［1］。本設計采用HS1100/1101的頻率輸出特性，來實現對環境相對濕度的測量。

2 HS1100/1101的特點及輸出特性

HS1100/1101采用具有專利權的固態聚合物結構，它具有全互換性，在標準環境下不需要校正，長時間飽和下快速脫濕，高可靠性等特點，可用于作業環境濕度自動化及工業控制系統，同時在需要濕度補償的地方它也可以得到很大的應用。其輸出電容與相對濕度特征曲線如圖1所示，該曲線中的數據是在工作頻率為10 kHz，工作溫度為25 ℃下測定的數據。 此曲線的方程如下^［1］：

C=C0(1.25×10－7RH3－1.36×10－5RH2+

2.19×10－3RH+9.0×10－1)

式中，C0為工作頻率等于10 kHz，相對濕度RH為55時HS1100/1101表現的電容值，C單位為pF。

由于該電容的測量是在10 kHz條件下測得的，而傳感器HS1100/1101可工作于5～100 kHz范圍內，并沒有限制必須工作于10 kHz上，因此當工作于其他頻率時，必須對該曲線進行校正，其校正公式如下所示：

C=C1(1.027－0.011 85ln(f))

式中C1為工作頻率為10 kHz時傳感器的典型電容值；f為電路工作頻率，單位為kHz。在利用傳感器進行測量時為了達到更好的互換性，回路中需要把傳感器的第2腳接地。該腳已經標記在傳感器頭的背面的標簽上。

圖1 HS1100/1101典型輸出曲線

3 電路設計

3.1 系統電路設計

電路系統主要由控制電路、濕度測量電路、接口電路、顯示電路和鍵盤組成，如圖2所示。其中，控制電路采用AT89C51單片機以及外圍元件構成，主要完成定時、濕度頻率數據采集、數據處理和結果顯示等任務。濕度測量電路實現環境濕度與頻率的轉換，其輸出信號的頻率與濕度單值對應。接口電路主要完成輸出頻率信號的整形、電平匹配等，送入單片機的定時/計數器T1 。T1工作于計數器方式，定時記錄脈沖數并存入內存緩沖區。

圖2 系統電路框圖

3.2 濕度測量電路設計及工作原理

HS1100/ HS1101 電容式濕度傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接收的信號，常用2種方法:一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555 振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集^［2］。本文采用第二種方法，因此在系統電路設計中，可略去接口電路。

由HS1100/1101與555定時器構成的非穩態振蕩電路如圖3所示，它是典型的555非穩態電路。555必須為CMOS型定時器。HS1100/1101作為定時電容CT接在555的2腳（TRI）和6腳（THR）上，R3起輸出短路保護作用。引腳7連接于電阻R4與R2之間，這樣充電支路為R4，R2，CT，放電支路為CT，R2。

當電源+Vcc接通時，CT兩端的電壓Vc=0，定時電路處于置位狀態，由+Vcc通過R2與R4對變量電容CT充電，當Vc達到門限電壓（2/3Vcc）時，定時電路翻轉為復位狀態，CT通過R2向555內部的放電管放電，當Vc降低到觸發電平（1/3Vcc）時，定時電路又翻轉為置位狀態，CT開始充電，這樣周而復始，形成振蕩。其工作循環中的充電時間Thigh、放電時間Tlow、振蕩頻率F可描述如下：

Thigh=C|%RH(R2+R4)ln 2

Tlow=C|%RHR2ln 2

F=1/(Thigh+Tlow)=1/(C|%RH(R4+2R2)ln 2)

占空比=ThighF=(R2+R4)/(R4+2R2)

為了使占空比接近50%，R4與R2相比，應該非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100/1101起始充電電流的限制。一般要求起始充電電流不大于5 mA。當外界濕度變化時引起HS1100/1101電容值的改變，從而改變回路的輸出頻率值。其輸出端Fout與51單片機的T1腳相連接。

555電路的非平衡電阻R1作為內部溫度補償用，應具有1%的精度，目的是為了引入溫度效應，使它與HS1100/1101的溫度效應相匹配。由于不同型號的555的內部溫度補償有所不同，所以R1的值必須與特定的芯片相匹配。此電路所用的電阻阻值及元件如圖3所示。

圖3 非穩態振蕩電路

基于圖3所示電路參數，在溫度為25 ℃，典型的環境濕度下測量其對應的頻率值，通過多次反復實驗，得到幾種典型相對濕度值所對應的頻率值，如表1所示。RH為百分比相對濕度；F為輸出頻率，單位是Hz。

表1 頻率輸出典型參數

RH01020304050

F/Hz7 2857 1597 0356 9136 7916 667

RH60708090100

F/Hz6 5406 4096 2736 1305 978

根據表1所示的典型參數值，這里以溫度25 ℃，頻率F0=6 600 Hz，F單位為Hz，相對濕度RH=55為參考點，經過實驗分析，繪制出所測相對濕度與輸出頻率之間的關系曲線，如圖4所示。其曲線方程式如下：

F=F0（1.103 8－1.936 8×10－3×RH+

3.011 4×10－6×RH2－3.440 3×10－8×RH3)

4 數據處理

本文中數據處理的主要任務是確定測定的頻率與相對濕度值之間的計算關系。文中將555振蕩電路的輸出端Fout與MCS-51單片機的T1腳相連，計數出1 s的脈沖個數，即振蕩器的輸出頻率，然后進行頻率與濕度之間的轉換。但由于頻率與相對濕度的關系曲線是非線性的，單片機對它的處理能力較差，為了使其處理過程簡化，將RH-F曲線分段線性化處理。頻率6 667 Hz（50%）與6 409 Hz（70%）將該曲線分為3段近似直線，使單片機在不同的頻率范圍內進行不同的線性轉換。其頻率-濕度對應的線性關系如下：

CH1： RH=50（7 285－f）/618， f≥6 667 Hz

CH2： RH=20（6 667－f）/258+50，

6 409 Hz≤f<6667 Hz

CH3： RH=30（6 409－f）/431+70，

f<6 409 Hz

根據以上3種線性關系可編寫出用51單片機顯示所測濕度值的程序。

圖4 相對濕度與輸出頻率之間的關系曲線

5 結 語

相對濕度傳感器HS1100/1101應用廣泛，利用它與555定時器構成非穩態電路可測出周圍環境下的相對濕度，通過調試，該設計已應用于“林區溫度濕度監測系統”中。此設計具有硬件電路相對簡單、體積小、可靠性高、穩定性好、反應時間快等特點，但由于在實際操作過程中條件所限，所測的濕度值與真實值存在一定的誤差，需做進一步完善。

參考文獻

［1］佚名.HS1100/HS1101相對濕度傳感器［Z］．深圳光之神電子有限公司，2003．

［2］林敏，于忠得，侯秉濤.HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應用［J］.儀表技術與傳感器，2001（10）：44-45.

［3］張毅剛，彭喜元．新編MCS-51單片機應用設計［M］．黑龍江：哈爾濱工業大學出版社，2003．

［4］胡錦， 蔡谷明，梁先宇．單片機技術使用教程［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［5］田俊英.基于51單片機的溫室測試系統的設計與實現\\.現代電子技術，2007，30(10):15-17.

［6］毛德平，凌有鑄.一種基于RS485總線的溫度、濕度測控系統\\.現代電子技術，2007，30(2):168-170.

作者簡介 邵思飛 男，1965年出生，陜西榆林人，副教授。主要從事電子技術教學及材料方面的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文