毕业设计（论文）-蔬菜大棚温湿控制器设计.doc

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 大棚温度湿度控制器设计大棚温度湿度控制器设计 摘要：温室是蔬菜大棚生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度 等生长所需条件的要求也不尽相同，本设计就是控制大棚的温湿度，为它们提供一个 良好的生存环境，给我们带来巨大的经济效益。 关键词：传感器、温湿度、控制电路、温度报警电路 Abstract: Greenhouse production of greenhouse vegetables are an essential facilities, different types of vegetables, such as temperature

2、 and humidity on the growth of the necessary requirements are not the same, the design is to control the greenhouse temperature and humidity, to provide them with a good the living environment, has brought us huge economic benefits. Key words: sensors, temperature and humidity, control circuit, temp

3、erature alarm circuit 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 1 引言 随着改革开放，特别是 90 年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬 菜大棚、花卉为主植物栽培设施栽培在大江南北遍地开花，随着政府对城市蔬菜产业 的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是 21 世纪最具活力的新产业之一。温室是 蔬菜等植物在栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长 所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环 境，从而可以通过提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室是一 种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最

4、佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候 对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适 宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病 虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终 目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年 代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末 出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控 制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正 向着完全自动化、无

5、人化的方向发展。国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环 境控制技术大致经历三个发展阶段： (1) 手动控制：这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义 上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作 物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和 对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环 境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有 效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂 化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。 (

6、2) 自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数， 计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子 的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控 制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环 境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长 状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自 主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。 (3)智能化控制：这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集 河南理工

7、大学毕业设计（论文）说明书 13 农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理 论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技 术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方 向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模 型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。 为了满足人们在寒冷季节也能吃上新鲜蔬菜的需要，虽然广大的大棚种植产业带 来巨大的经济效益,大棚栽培技术得到空前的发展，但随之而来也出现了温度、湿度难 以控制的问题。温度和湿度作为常用的环境参数，对动植物的生

8、长、物理化学的反应 以及人体的舒适程度都有着较大影响，温度湿度测控系统在工农业生产、智能家居以 及人工环境等领域有广泛的应用前景。本电路可以使大棚的温度和湿度自动控制在 一个合适的范围内，实验证明该系统的成本低、可靠性高，有着很高的实用价值。 2、控制系统方案选择 21、方案一： 本方案我们主要采用模拟电路设计,电路主要分为以下几个主要的组成部分,电源 电路、温度检测电路、加热、换气电路、温度报警电路、自动浇水电路五各单元电路, 电路中利用了温度、湿度等传感器,大大的提高了测量的精确度,本方案中当温度、湿度 传感器检测到温度湿度超过设定的标准值时候，电路中就会自动的进行加热和浇水， 是农作物生

9、长在一个良好的环境中系统的框图如下图 1 所示： 图 1 方案一 系统框图 22、方案二： 本方案利用集成温度传感器 MAX6613 和集成湿度传感器 IH3605 作为检测元件，结 合 ADuC824，构建温湿度监控系统的方法，该系统可以方便地实现温度、湿度的实时控 制，无纸记录及语音报警，还可与上位机(PC 机)通信，实现温度、湿度的打印、分析 等功能。 温湿度监控系统的硬件原理如图 2 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 图 2 方案二系统框图 由单片机系统(含键盘、液晶显示器、数据存储器和通信接口)、集成温度传感器 MAX6613、集成湿度传感器 IH3605、实时时钟、

10、语音系统及加热、加湿、通风装置等几 部分组成， ADuC824 高性能微转换器，它在单个芯片内集成了双路高精度-ADC、 程控增益放大器 PGA、8 位 MCU、8KB 闪速/电擦除程序存储器、640B 闪速/电擦除数据 存储器、256B 数据 RAM 以及定时器/计数器等功能部件，指令系统与 8051 兼容。特 别 是两个独立的-ADC，其主、辅助通道的分辨率分别为 24 和 16 位，具有可编程自 校正功能。另外，还有一个通用 UART 串行 I/O，一个与 I2C 兼容的二线串口和 SPI 串 口，一个看门狗定时器(WDT)，一个电源监视器(PSM)。其性能完全可以满足系统的需 求。 键

11、盘用于设定温度、湿度的上、下限报警范围及控制值，设定采样时间间隔，调 整系统时间。液晶显示器采用一体化封装的液晶显示模块 TC1602A，用于显示 温度、 湿度的上、下限值，控制值和当前值，模块内的控制驱动器型号为 HD44780，可以方 便地与 ADuC824 进行接口。 由于系统需要无纸记录温度、湿度值，因此外扩一片容量为 4MB 的 AT29C040A Flash EPPROM，在写入过程中无需编程高压和紫外线照射，具有硬件和软件两方面 的数据保护，可防止其内容免遭意外改写，使用十分方便。 通信接口电路主要由双路 RS232 数据收发器 MAX232 芯片组成，只需+5V 电源 供电即可

12、工作。上位机(PC 机)通过通信接口调用温度、湿度值，以用于打印或分析。 2.3、系统控制方案确定 通过以上两个方案的比较分析我们可以知道方案一和方案二都可以实现对大棚温 度湿度的控制和调节，同时方案一具有自动浇水的功能，而且还可以扩展以下两个功 能， （1）热能存储电路 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 可利用太阳能转换装置将之转化为电能储存。当夜间温度过低时，再起到和上述 加热装置一样的功能。 （2）远距离报警功能 在意外事故发生致使温度持续下降时，需要及时报警，唤醒在家 休息或在外工 作的棚主赶来处理。报警装置由一发射器和接收器组成。接收器平时由棚主带 在身 上，可做得很小，棚主

13、在一公里的范围内可接收发射器发出的提示音信号。 方案二设计的原理虽然很容易的实现，设计的功能也比较的齐全但是我们可以通 过具体的控制框图 2-2 以知道它所要求的芯片的型号和外部硬件比较的高，成本也很 高不能很好的推广，我们设计中要求的是实用而且很容易掌握的方案，在广大的农村 农民用户种植中不需要编程等一系列的专业的技术学习，这就更加符合我们的种植农 户的要求，相比与方案一的专业要求就有了不可代替的优势，而且在芯片应用等方面， 方案一的芯片购买的比较的方便，而方案二所需要的一些芯片价格比较的昂贵，要求 的外部硬件条件也比较的高，比如方案二中要求系统采用 MAX6613 和 IH3605 作为温

14、 度、湿度传感器，使其监控的实时性、控制的精确性得到了提高；同时，由于选用了 ADuC824，它能保证系统自动从死机状态恢复到正常工作状态，但是要求有相关的电 脑操作技能，这些方面方案一相比于方案二都具有一定的优势。但是方案一在自动控 制方面不如方案二，方案二具有更好的自动控制功能，综合以上几点我们选择方案一 作为我们的设计方案，因为方案一不仅成本低而且比较的容易制作和操作，适合我们 的大面积的推广。 在方案一系统功能简介：当测温电路测出适时温度超过 25时，启动换气电路； 且当温度达到 30启动报警系统。同理，当测温电路测出适时温度低于 20时，启动 加热电路，且当温度低于 15时，启动报警

15、电路。当温度在 20到 25之间时，测湿 系统测出适时湿度低于 70%RH 时，启动浇水系统。只有当温度在 20到 25之间，同 时湿度在 70%RH 以上时，系统不工作。该电路可调节温度检测电路中的 RP，即调节温 度检测电路的基准温度值，同理，又可调节湿度检测电路中的基准湿度值，以适应在 不同环境的需要。 3 温度、湿度传感器介绍 3. 1 热敏电阻器温度传感器基本特性： 电路中主要采用了热敏电阻做为主要的传感器，以下主要介绍热敏电阻及热敏二 极管和热敏晶体管的特性与参数。热敏电阻器可以从结构、材料和阻温特性等多方面 进行分类。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 按结构形状分类：片

16、状、垫圈状、杆状、管状、薄膜状、厚膜状和其他形状。 按加热方式分类：直热式和旁热式。 按阻温度范围分类有：常温、高温和超低温热敏电阻器。 图 3 几种不同类型的热敏电阻器的阻温特性曲线 按阻温特性分类有：负温度系数热敏电阻器(NTC)，图 41 中曲线 2；开关型正温 度热敏电阻器(PTC)，图 3 中曲线 4；缓变型正温度系数热敏电阻器(PTC)，图 3 中曲线 5；临界负温度系数热敏电阻，图 3 中曲线 3；铂电阻器限温度曲线如图 3 中曲线 1。 1、热敏电阻器的电阻温度特性 热敏电阻的阻温特性是指实际电阻值与电阻体温之间的依赖关系，这是热敏电阻 图 3 几种不同类型的热敏电阻器的基本特

17、性之一,其阻温特性曲线见图 3。PTC 开关型 正温度系数热敏电阻器的阻温特性曲线(图 3 曲线 4)。室温至居里温度以下的一段温度 范围内，表现出和一般半导体相同的 NTC 特性。从居里点开始，电阻值急剧上升到某 一温度附近达到最大值。 PTC 热敏电阻器的居里温度 TC以通过掺杂来控制。如在 BaTio3中掺杂 Pb，可使 Tc 向高温方向移动，在 BaTio3中掺入 Sr 或 Sn 等元素后，可使 TC向低温方向移动。可根 据需要调整居里点 TC。 热敏电阻器的实际阻值用 RT来表示。是在一定环境温度下，采用引起阻值变化不 超过 0.1的测量功率所测得的电阻值。实际电阻值又称为零功率电阻

18、值，或称为不发 热功率电阻值(冷电阻值)。实际电阻值的大小取决于电阻器的材料和几何形状。 热敏电阻器的实际阻值与其自身温度有如下的关系： NTC 热敏电阻器 RTReB/T (410) 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 PTC 热敏电阻器 RTR0eAT (411) 式中：RT一一温度 T 时的实际电阻值； R、R0一与电阻几何形状和材料有关的常数 B、A 一一材料常数。 为了使用方便，通常取环境温度为 25作为参考温度，则有: NTC 热放电阻器：RT/R25expB(1T1298) PTC 热敏电阻器：RT/R25expA(T298) 由式(4-10)和式(411)式可以求出 NT

19、C、PTC 热敏电阻器的温度系数。表示温度 每变化 l ，电阻器实际限值的相对变化，即： NTC：aT=1/RT=dRT/Dt=-B/T2 (412) PTC: aT=A (413) 可见，在工作温度范围内，负温度系数热敏电阻器的 aT随温度 T 的变化有很大的 变化，并与材料常数 B 成正比。因此，通常在给出电阻温度系数的同时，必须指出测 量时的温度，正温度系数热敏电阻的 aT在数值上等常数 A。缓变型正温度系数热敏电 阻器的 aT值在 0.5一 10%之间而开关型突变型正温度系数热敏电阻器 的 aT可达到 60或更高。 材料常数 B 是用来描述热敏电阻材料物理特性的个参数又称为热灵敏度指标

20、。 在工作范围内，B 值并不是一个严格的常数，随着温度的升高而略有增大。一般说来， B 值大的电阻率也高。不同 B 值的材料有不同的用途，如普通负温度系数热敏电阻的材 料常数 B 值在 2000 一 5000 K 之间。负温度系数热敏电阻器 B 值可按下式计算： B=2.303T1T2/(T2-T1)10R1/R2 (414) 正温度系数的电阻器，其 A 值按下式计算： A=2.3031/(T1-T2)10R1/R2 (415) 式中，R1 相 R2 分别为热力学温度 T1和 T2时的电阻值。 2热敏电阻器的热性能 (1)耗散常数 H 耗散常数 H 定义为温度每增加一度所耗散的功率。它用来描述

21、热 敏电阻器工作时，电阻体与外界环境进行热交谈的一个物理量。耗散常数 H 与耗散功 率 P。温度改变量 AT 的关系为： H=P/T （W/） (416) H 的大小与热敏电阻器的结构、所处环境的媒质种类、运动速度、压力和导热性能 等有关，当环境温度改变时，H 有变化。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 (2)热容量和时间常数热敏电阻器具有一定的热容量 C，因此它具有一定的热情 性也就是温度的改变需要一定的时间。当热敏电阻器被加热到了 T2温度时，放到温 度为 T0的环境中，不加电功率，热敏电阻器开始降温，其温度 T 是时间 t 的函数，在 t 时间内热敏电阻器向环境耗散的热量可标示为

22、：H（T-T0）t，这部分热量是由 热敏电阻器降温所提供的其值为-CT，于是就有： -CT=H（T-T0）t 上式写成微分的形式为： T-T0=-C/T(dT/dt) (417) 取初始条件 t0 时，TT2，解方程(417)式得： T-T0=(T2-T1)e-tH/c=(T2-T1)e-t/ (418) 式中，C/H 称为热敏电阻器的时间常数，单位为 S。 时间常数?可定义为：在恒定的静态条件下，热敏电阻器在无功率状态下，当环境 温度由一个特定温度向另一个特定湿度突然改变时，电阻体的温度变化了这两个特定 温度之差的 63.2所需的时间。通常将这两个特定温度选为 85和 25，或者 100 和

23、 0热敏电阻器用于测温和控温时，一般要求时间常数小。因而，热容量越小越好。 按定义 =C/H，当 t= 时， （T-T0）/（T2-T0）=e-1=36.8%,则： （T2-T）/（T2-T0）=63.2% （419） 式中：T2、T0为两个特定温度，T 为测试温度。 3 热敏电阻器的伏安特性 电压电流行性表示在特定温度下，热敏电阻器两端的电压与通过电阻体的稳态 电流之间的关系，即伏安特性。伏安特性与热敏电阻器的结构形状有关，还与其阻值、 材料常数从所处的环境温度、介质种类等有关。 PTC 热敏电阻器的伏安特性曲线如图 4 所示，当所加电压不太高时，PTC 热敏电阻 的温升不高，流过 PTC

24、热敏电阻的电流与电压成正比，服从欧姆定律。随着所加电压 的增加，消耗功率增加，电阻体温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯 曲。当电压增到使电流达到 IMAX最大时，如电压继续增加，由温升引起的电阻值增加 图 4 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 19 图 4 PTC 热敏电阻器的静态伏安特性曲线 图 5 负温度系数热敏电阻器的静态伏安特性曲线 超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负。 NTC 热敏电阻器的伏安特性曲线如图 5 所示。在开始段同 PTC 热敏电阻一样也服从 欧姆定律。随电流增加，引起热敏电阻温升超过环境温度，则其阻值下降。耗散功率 增加，相应的电压变化较为

25、缓慢，出现非线性正阻区(ab 段)。电流继续增加，其电压 值增大到最大值 Vmax时，若电流再增加，热敏电阻自身加热剧烈使电阻值减小的速度 越过电流增加的速度，热敏电阻的电压降随电流增加而降低，形成 cd 段的负阻区。 4 热敏电阻器的其他参数 (1)标称电阻值尺 R25标称阻值是热敏电阻器在 25时的电阻值，其值的大小由 热敏电阻的材料与几何尺小决定。 (2)最高工作温度 Tmax 在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的 温度，是热敏电阻器的最高工作温度，它的表达式为： Tmax=T0+（PR/H） (420) 式中 T0为环境温度；PR为环境温度时的额定功率。 (3)额定功率

26、PR 热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许的耗散功率 为额定功率，用 PR表示。在此条件下，热敏电阻器自身温度不得超过 Tmax。 3.2、湿度传感器的分类及工作原理 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 20 表示环境气氛中水蒸气含量的物理量为湿度。湿度的表示方法有两种，即绝对湿 度和相对湿度（RH） 。绝对湿度是指气氛中含水量的绝对值，相对湿度是指气氛中水蒸 气压与同一温度下的饱和蒸汽压之比，用百分数来表示。湿度传感器或湿敏元件是指 对相对湿度敏感的元件，它可以是湿敏电阻器，也可以是湿敏电容器或其他湿敏元件。 3.2.1、湿度传感器的分类 按感湿物理量来分类，湿度传感器可分为三大类

27、，即湿敏电阻器、湿敏电容器和 湿敏晶体管。 根据使用不同的材料制成的湿度电阻器又可分为：金属氧化物半导体陶瓷湿敏电 阻器，例如：MgCr2O4系列、ZnOCr2O3系列；元素材料湿敏电阻器，例如：半导体 Ge、Si 、Se 和 C 元素；化合物湿敏电阻器，如：LiCl、CaSO4、及氟化物和碘化物等； 高分子湿敏电阻器等。 湿敏电容器主要是多孔 Al2O3材料作为介质制成。 湿敏晶体管又分为湿敏二极管和湿敏三级管。 3.2.2 湿敏电阻器工作原理及特性 1、金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器 （1）工作原理 多孔性的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体，在晶体表面及晶粒间 界处，很容易吸附水分子。由于水是

28、一种强极性电介质，水分子的氢原子附近有很强 的正电场，具有很大的电子亲和力。当水分子在半导体陶瓷表面附着时，将形成能级 很深的附加表面受主态，而从半导体陶瓷表面俘获电子，而在陶瓷表面形成束缚态的 负空间电荷，在近表面层中将相应地出现空穴积累，因而导致半导体陶瓷电阻率的降 低。 另外，根据离子电导原理，结构不致密的半导体陶瓷晶粒有一定空隙，显多孔毛 细管状。水分子可以通过这种细孔在各晶粒表面和晶粒之间吸附，由于吸附的水分子 可离解除大量的导电离子，这些离子在水吸附层中起着电荷的输运作用。因此，虽环 境湿度的增加，水分子在晶粒表面和间界大量的吸附，而引起电子电导和离子电导的 加剧。半导体陶瓷而显示

29、负感湿特性，即随着湿度的增加，材料的电阻率下降。 （2）氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的主要品种及结构 金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的典型产品有：MgCr2O4 TiO2湿敏电阻器、 ZnOCr2O3湿敏电阻器、ZnOLi2O3V2O5湿敏电阻器等。例如：ZnOLi2O3V2O5 湿 敏电阻，是以 ZnO 为主要材料，在加入一价、二价、三价等其他金属氧化物烧制成陶 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 21 瓷半导体材料，测量湿度范围为 5%100%RH，测量精度为 2%，是一种较为理想的湿敏 元件，并可做成小型化，结构简单。 2、元素材料湿敏电阻器 此类湿敏电阻器是元素半导体材料或元素材料制成的

30、元件。碳湿敏电阻器是一种 电阻湿度特性为正的湿敏元件。用有机物聚丙烯塑料片或棒为基体，涂布一层含有 导电性碳粒的有机胶状纤维构成。此种湿敏电阻器工艺简单，便于制造。利用有机材 料吸潮后，体积膨胀，碳粒之间的距离增大，从而电阻值增大的原理。 元素半导体湿敏电阻器是利用在陶瓷或石英基片上蒸发等元素半导体薄膜而制成， 其特性为电阻值随着湿度的增大而减小的负感湿特性，可以做成较高阻值(105107)， 有较好的测量精度，但工艺成品率降低，互换性差。 3、化合物湿敏电阻器 此类湿敏电阻器有 LiCl 湿敏电阻器、Fe3O4 湿敏电阻器和硫酸钙湿敏电阻器等。 Fe3O4湿敏电阻器是用 Fe3O4胶体做成感

31、湿膜涂复在具有梳状电极的陶瓷基片上， 由 图 6 Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图 图 7 Fe3O4胶体湿敏电阻器电阻湿度特性 于 Fe3O4胶体是由微粒组成粒子的直径约为（100250）10-8m，每个颗粒只有 一个磁畴，因此，同向颗粒相互吸引结合，因而不用高分子材料作胶体粘合剂，而能 获得较好的性能和长的使用寿命。图 6 是 Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图。图 7 是 Fe3O4 湿敏电阻器电阻湿度特性曲线，表现为负感湿特性。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 22 图 8 负特性湿敏电阻器时间常数曲线 图 9 湿滞回线和湿滞量 4 湿敏电阻器的特性 （1）电阻-湿度特性 湿敏电阻器的阻

32、值随湿度变化一般是指数关系变化。当阻 值随相对湿度的增大而增加时，称正的电阻湿度特性，例如碳膜湿敏电阻器；阻值随 湿度的增大而减小时，称为负的电阻湿度特性，如金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻及 Fe3O4 湿敏电阻器，如图 8 所示。 对于负电阻湿度特性的湿敏电阻器的灵敏度定义为：= R1/R2 式中：R1在 25，0相对湿度条件下的电阻值，一般要求 R1在 1M以下。 R2在 25，95%相对湿度条件下的电阻值，一般要求几 k左右。 值越大，说明元件对相对湿度的变化越敏感。 （2）时间常数 这是衡量湿度电阻器随湿度的跃变其阻值变化速率的一个参数。当相对湿度跃变 时，湿敏电阻器的阻值不能立刻达到终

33、值，而是要经过一段时间。湿敏电阻器的阻值 增加量从零变化到稳定增加量的 63% 所需要的时间 称为湿敏电阻器的时间常数，也成 为响应速度。图 9 所示的是相对湿度从 60%变化到 90%时间常数的确定。 湿敏电阻器的时间常数越小越好。吸湿过程和脱湿过程的时间常数不一定相等。 吸湿过程为相对湿度的升高过程，脱湿是相对湿度降低过程，都是指在定温条件下的 变化过程。 （3）滞后效应 湿敏电阻器周围的相对湿度变化一个往返周期时，相应的电阻值 变化曲线在吸湿和脱湿过程中并不重复，形成一个类似磁滞回线的湿滞环，如图 4-7 所示。图中曲线 1 表示从高湿到低湿的变化，曲线 2 表示从低湿到高湿的变化，即为

34、 滞后效应，通常也称为“变差” 。这种变差越小越好。 3.2.3 、湿敏电容器的工作原理及特性 电容式 Al2O3湿度传感器是利用多孔 Al2O3 做为感湿膜而制成的湿敏器件。感湿膜 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 23 的制造工艺可采用厚膜技术、涂膜技术和硅 MOS 等技术。 当环境湿度发生变化时，多孔感湿膜中气孔壁上所吸附的水分子数量随之变化， 其电特性不是一个纯电阻，也不是一个纯电容。但目前一般是利用器件的电容随湿度 变化而变化来测湿的。对于一个平行板电容器，其电容量 C =S/4d ，一个确定 的湿敏元件，电极面积 S 和介质厚度 d 是一定的，则电容量 C 只依介电常数 随环境

35、的变化来确定。当多孔 Al2O3膜吸附水汽时， 就成为水、Al2O3介质和空气的介电常 数三位一体的综合参数。但由于水的介电常数为 80，远大于空气的介电常数，因此 C 随 的变化主要取决于气孔中水汽的吸附量，也就是随环境湿度而定，因此电容量随 湿度增加而增加，如图 10 所示的 C-湿度特性曲线。 图 10 多孔 Al2O3湿度传感器的 CP-RH 曲线图 图 11 醋酸纤维有机膜湿敏元件 1高分子薄膜；2.上电极；3.下电极 湿敏电容器的感湿特性与测试频率有关当频率较低时，电容虽随湿度的变化更 为明显。同时膜的厚度 d 越小越外。另外，由于 Al2O3，膜气孔不规则，分布不均匀， 会有局部

36、聚集水分，因而器件有定滞后效应。 利用某些高分子材料也可以制成电容式湿度传感器，主要利用它的吸湿性与胀缩 性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显地改变，制成电容式湿度传感器。图 4- 9su 是高分子薄膜式电介质电容式湿度传感器的基本结构，其介质薄膜采用于涸后成膜 的醋酸纤维素，梳状电极为蒸镀上的金膜层。除醋酸纤维素外，酷酸纤维素或硝化纤 维素也是较好的电介质材料。 4 温度控制电路的设计 4.1 温度检测电路： 该电路利用热敏电阻在不同的温度环境下有不同的阻值的特性。将热敏电阻放置 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 24 在大棚的几个关键点，如四个角、中央、门旁。当外界温度变化超过规定范

37、围时，电 路动作，实现温控。在方案电路中 IC1 为单电源工作的四电压比较器，通过比较器 IC1-1、 IC1-2、 IC1- 3、 IC1-4 四个电压比较器可以将大棚温室的四个角的温度、 湿度很好的测量出来，从而确定是不是需要对电路进行加热、通风等一系列的工作操 作。该检测电路如下图 12 所示： 图 12 温度检测电路 在温度检测电路中，我们需要 40V 的直流电压,通过 40V 的支流电压提供给电路中 各个元器件使其正常工作,在电路中我们利用了 M51920 作为我们温度检测电路中的比 较器，M51920 是单电源工作的电压比较器，当电压通过 R104,取自 R105 的电压分别 引入

38、两个比较器，然后去和标准电压比较。根据我们任务书中电路的设计要求，我们 需要检测到温室大棚四个脚的电路我们可以将 IC11 比较器中设置基准电压, 设置单电源电压比较器 IC11 的反向输入基准电压为 25.8V,首先确定分压电阻 R105=15K 然后利用串联电路的分压原理，得到该分路中电流大约为： I=20V/15K=1.3A 在电源电路电压为 40V 的情况下，电阻 R103 的阻值如下式可以得到： I=40V/(R103+R104) 1.3=40/(R103+15K) 得到电阻：R103=8.3K 为了更好的 调节基准电压的阻值我们采用可变电阻器，选 用 10K 的可变电阻器，此时热敏

39、电阻的温度范围大约在 30。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 25 在电路 IC12 中，设置单电源电压比较器 IC12 的反向输入基准电压为 20V,在 分压电路中我们统一确定分压电阻的阻值为 15K，在电路中我们利用串联分压电路的 特性可以确定热敏传感器的电阻值： RT=6.4K 通过查热敏电阻的特性，我们可以去定温度范围在 15左右，原理如下： 在 IC11 中基准电压 U_25.8V，温度低于 30时，由于热敏电阻阻值随温度增 高而降低从而是 R105 所分担的直流电源电压减少,所以比较电路 IC11 输出低电平。 当温度升高超过 30时，由于随着温度的升高,此时热敏电阻的阻值降低

40、,从而是 R105 所分担的电压升高此时在此时 IC11 电路比较器中,U+25.8V，所以 IC11 发生跳 变，输出高电平。 而在 IC12 中，由于设置的基准电压为 20V,所以当基准电压 U+20V，此时温 室大棚内的温度大于 15时，从而热敏电阻的阻值降低,比较器 IC12 输出低电平。 当温度降至低于 15时，热敏电阻的阻值升高,从而使 R105 所分担的电压减少,导致 U_20V，所以此时 IC12 发生跳变，输出一个高电平。 在图 12 温度检测电路（2）的工作原理温度检测电路（1）的原理相似，电压取自 R503 的电压然后分别引入两个比较器，去和标准电压比较。 在 IC1-3

41、（IN3-、IN3+、OUT3）中基准电压 U+=22V，温度高于 20，低于 25， 时，IC2-1 输出低电平。当温度降低过 20时，此时 U-24V，IC2-2 发生跳变，输出一个 高电平，使换气电路工作。 加热、换气电路：在此电路中我们设定了温度的值在 2025，当温度在 2025范围内的时候，此时加热电路、换气电路处于断路状态，不工作，当温度低 于 2025于这个规定值时，加热电路开始动作： 在加热电路中我们设置 E 点在 18的电压为 3.4V，在 21的 E 点的电压为 0.2V， 在电路中利用 R506 的阻值为 10K 则 3V=RP202*22.2V/(RP202+R506

42、) 得到 RP202=1.5K 为了更好的调节温度我们选择 RP202DE 阻值为 4K,同理换气电路中在 F 点利用电 路的分压特性，确定其参数在 18时候，F 点的电压为 3.7V,在温度为 21时候 F 点的 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 26 电压为 0.3V，所以利用分压电路可以得到分压电阻在 2K 左右，在这里我们选择可变电阻器的阻值 为 4K，当温室大棚中温度高于 2025的时候，此时换气电路开始工作，在此电路中 加热电路和换气电路都自生的供应电源，电路中都应用了芯片 MAC94A4，在加热电路 中，温度值可以通过调节 RP 501 可粗调加热的跳变温度。 当温度在 202

43、5范围内。加热、换气电路不工作，当温度低于或高于这个规定 值时，电路动作。调节 RP501可粗调加热的跳变温度。加热装置可用壁挂式电热毯或电 炉子，换气装置可选用换气扇。电路如下图 13: 图 13 加热、换气电路 4.2 温度报警电路组成与原理 温度报警电路主要由或门电路、振荡电路 2、功率放大电路三部分组成。在本设计 中三部分电路原理如下所示： (1)或门电路：或门电路图如下图 14 所示： 图 14 或门电路 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 27 或门电路由 R401、R402、VD401、R403、R404、VD402 几个器件组成，在电路 中用到了稳压管,稳压管 VD403 的作

44、用是提供一个基准电压, 我们设定电路中稳压管部分的基准电压在温度为 35时候为 2.3V；在温度为 21时候 电压为 0V,通过设计我们可以知道利用电阻 R404 与 R402 来对二极管进行分压，计算 得到 R404 与 R402 均可采用 10K 的电阻来完成。 同时在活门电路中稳压管还能对电压进行有效的补偿,此电路中 VD403 就是对或门输出 的信号电压进行稳压，当温度检测电路中检测到温室内的温度超过 30或温度低于 15的时候，温度检测电路会输出一个跳变的信号到或门电路中，在 A 点输出一个 12V 的电压，同时将电压信号传到振荡电路 2 中去，从而使振荡电路继续工作。 (2)振荡电

45、路 2：电路原理图如图 15 所示： 图 15 振荡电路 2 设计出功率放大器中扬声器的工作频率在 4500HZ 左右，然后利用功率放大器的 作用发出信号，从而是扬声器工作。从或门电路中输入的信号在振荡电路的工作的过 程中可以设定电容器 C402 的阻值为 0.22u, 根据公式可以得到 NE555 芯片的振荡频率 fr2 fr2=1.44/R*C402 得到电阻 R 的阻值在 2K 左右所以当我们设定电阻 R406 的阻值为 0.5K 时得到电 阻 RP401 的阻值为 1K,从得到了频率为 4363HZ 的频率，在这个频率范围内，放大电路 中的扬声器可以工作，在时钟电路中为了控制扬声器中音

46、量的大小可以利用，芯片 NE555 中脚输出高电平的占空比，可以通过调节变阻器 RP401 来决定扬声器的音调 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 28 的大小。 此振荡电路中用到了芯片 NE555，或门电路中输出的 12V 电压，该电压经可变电 阻 RP401、电阻 R406 时对电容 C402 进行充电，由于 NE555 的芯片功能所决定可以知 道，当电位上升至 23VCC时，NE555 芯片开始复位。 在 NE555 振荡电路中，芯片 NE555 的脚输出低电平，同时内部放电管与脚相 连通，在电路工作过程中电容 C402 通过电阻 R406 向芯片脚放电，由于电容放电可 以得知电容的电压

47、 VC402开始下降，当电容 C402 的电压 VC402下降至 l3VCC时，芯片 NE555 的脚输出高电平，此时芯片 NE555 中的放电管截止，从而当放电结束。当第 一轮工作结束后电容 C402 又开始放电充电，不断的使电路继续工作，从而形成的振荡 电路。 （3）功率放大电路：原理图如图 17 所示： 图 16 功率放大电路 功率放大电路,其工作原理如下：通过振荡电路 2 中输出的脉冲,经过电容 C403 滤 波后,传到功率放大芯片 TDA2040,在频率 4500HZ 左右的工作频率下，我集成功率放大 器 TDA2040,通过 R412、R411 电阻构成交流负反馈,们在功率放大电路

48、中经过反馈放大 的电路信号经过输出电容 C408 传输到扬声器中,其中我们设定扬声器的电阻值为 4, 从而实现电路的报警功能。 5 湿度自动控制电路 湿度自动控制系统由振荡电路 2、湿度检测电路、比较电路、继电器控制的浇水电 路组成。湿度自动控制系统框图如下 17 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 29 图 17 系统原理框图 5.1 湿度检测电路 湿度检测电路由振荡电路 1、湿度传感器 RH（MSO-1 型）和检波网络 VD301，C304，R305 组成的。振荡电路 l 的工作原理和振荡电路 2 的工作原理相同。 在振荡电路 1 中，电路的振荡频率为 fr1，由于湿敏电阻大都工作在交流状态下， 而且要求频率不能超过 lkHz，所以振荡电路 1 用来产生约 200H 左右的的振荡方波， 200HZ 的方波利用 NE555 来产生,通过 NE555 振荡电路的特性,我们可以利用以下的公式 fr1=1.44/(RP301+2R301)*C304 来确定频率.在电路中我们选择 RP301 来调节频率的多少,我们可以假设