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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 物联网的最前端感知层，在其发展中占了举
2、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%100%，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0C85C。第二章 课程设计的要求及技术
3、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：0%100%RH；2使用环境温度范围：085C；3. 输出电压： 010V；4. 非线性误差：0.5%。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
4、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;转换电桥差动放大器;2输出PT电阻传 感器图 3-1 原理框图第四章 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R=-2 UR 订1+ (1 +R2)R4R R + R134ui2R如果满足R /R二R /R :贝妝二-(u - u )。2143o Ri 2i14.2 温度补偿电路湿度传感
5、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J?=尽 exp(2 如，jH：相对湿度；T：绝对温度；R0：在T=OC相对湿度H=0时的阻值;A：湿度常数；B：温度常数。1 dR _ B 温度系数二R dT 严湿度系数=A湿度温度系数二温度系数 湿度系数dH若传感器的湿度温度系数为0.07%RH/C,工作温度差为30C,测量 误差为0.21%RH/C，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为0.4% RH/C，贝V引起12%RH/C的误差，必须进行温度补偿。在
6、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。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。o当R = R R时：u = u ( R ) + 上,12a o R + 2 R 21若运放工作在理想状态，即u二u ,a b)8 u )1 + (8/2) 44.3 加法比例运算电路运算放大器在各种测量线路中完成
7、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。uo图 4-3 加法比例运算电路取 R2 = _R1，则 uo=(l+ Rf )R3 RfR1R3 ui1+ R2 ui2)R 2 + R3R 2 + R3当 R2=R3 时，uo二12(1+ Rf )(ui1+ui2)R1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 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
8、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。5.2 差动放大电路图 5-1 方案的差动放大电路选择VS、R、IC、R2、Rpi确定电源电压。因为输出电压U=10 V,电源电压取15V。由IQ、R2、RP1组成调零电o2 p1路。由VS、R组成传感器电源(5V)，给传感器和调零电路供电。VS选用MTZJ5IB 型稳压二极管，U=5.IV, I=
9、5mA，贝VzzR=(UccUz)/Iz=(155.1) / (5x10-3)=1.98kQ取系列值2kQ。IC,选用LM385型基准电压源，基准电压U f=1.235V,工作电流为 ref10pA20mA，取工作电流I=lmA，贝VR2=(UzUref)/I=(5.11.235) / (1x10-3)=3.865kQ取系列值3.9kQ。为使Rp支路耗电小，令通过其电流为0.2mA，贝VRp=1.235 / (0.2x10-3)=6.175kQ取系列值6.8kQ。当相对湿度为0时，调节Rp，使U1=OV。选择 IC2IC5、R3R6、RP2。IC2IC5选择7F324型四运放。由IC2等组成差
10、动放大器后有如下关系式，即 R3=R4. R5+(RP2/2)=R6，放大倍数 KF2= R5+(Rp2/2) /R3，令 R3=R4=10.0 kQ，在25C、100%(RH)时，传感器输出电雎为4.02V，调零后，Ui=4.020.8=3 22V， Uo1 应为 10V。io1R5+(Rp2/2)=KF2xR3=(Uo1 / Ui)R3=(10/3.22)xl0.0=31.06kQ 取 R5=27kQ则：Rp2=2(31.0627)=8.12kQ取系列值 8.2kQR6=R5+(Rp2/2)=31.06kQ取E192系列引.2 kQ5.3 温度补偿电路图 5-2 方案的温度补偿电路图中电路
11、选用了 R11R16、RP3、RP4、Rt。a) 选择 Rt、Ry Re Rp3。由ic4、q及RiR6、Rp3、Rp4、Rt组成温度补偿电路。其中，R、 R2、Rp3、Rt可组成温度补偿电桥。Rt选择EL-700型铂金电阻温度传感 器，RtR(l+a2t)。式中，a2=0.00375/C, R =10000, Rt 的工作电流推荐值 t o22ot为1mA。IC4为电压跟随器，8脚输出电压U8的最大值为10V，令R11=R12=10kQ。t=25C 时，R 的值为 R25，R25=1000(l+0.00375x25)=1093.75Q。12t2525取 RP3=1.5kQ,调节 RP3，使
12、R =R25=1093.750，则 U 2=0V。p3p3a 25o2b) 计算有关参数KF2=R5+(RP2/2)/R3=27+(8.22)10=3.11 t=85C、RH=100%时，Rt 的值为 R85,t85即，R85=1000(1+0.00375x85)=1318.7Q85U8=Uo1=KF2Ui=3.11x(3.50-0.8)=8.397VUi1=U8Ra / (R12+ Ra)=8.397x1093.75 / (10x10-3+1093.75)=0.8279VUi2= U8R85(R11+ R85)=8.397x1318.7(10x10-3+1318.7)=0.9783VU 2为
13、温度补偿电压。当t=85C、RH=100%时，U 1=8.397V,要求 o2o1电路输出10V,则补偿电压U 2=108.397=1.603V。o2由IC5组成差动放大器，其放大倍数为KF5,即，5F5KF5= Uo2/(Ui2-Ui1)=1.603 / (0.97830.8279)=10.66 取 KF5=15。F5c) 选择 R13R16、 RP4。由IC5组成差动放大器后有如下关系式，即，R13= R15, R14= R16, Kf5=R14/R13, R14= KF5R13 =15Rl3， 取 R13= R15=10kQ, R14=15xl0=150kQ, R16= R14=150k
14、Q。当t=85C、RH=100%时，U2的实际值为，o2Uo2= KF5(Ui2-Ui1)=15(0.9783-0.8279)=2.256V设通过RP4支路的电流为1mA，贝VRp4=2.256 / (1x10-3)=2.256kQ，取系列值 2.2kQ5.4 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、R8、R9、R10。由IC组成同相加法器。令R=R=R=R =10kQ，在85C、100%的相对3 7 8 9 10湿度时，调节R使U =8.379V,调节R使U=10V。P2 o1 P4 o第六章 总原理图KNNNHi-rPV3图 6-1 方案的总电路图第七章 结论湿度
15、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0C85C下，本设计可通过010V 的输出电压达到
