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1、摘要湿度在人们的生活中有着广泛的影响，如食品企业、GMP医药厂房、电子厂房、机房、孵房、温室等对环境湿度要求都是比较严格的。报警器是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示人们应当采取某种行动的电子产品。报警器经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测、湿度检测以及温度检测等各个领域，如湿度报警器、红外报警器、水位报警器和煤气感应报警器等。放大电路能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极
2、管构成的放大器及负载组成。本设计使用传感器及附设电路，对湿度进行检测控制，设计了一个湿度的自动控制系统。系统主要有湿度检测和控制电路组成，可自动实施加湿通风等功能。关键字：湿度 控制电路 湿度检测 报警器 湿度传感器目录引言1一、湿度监测系统发展现状及趋势1二、本设计目的2三、总体方案论述与设计23.1方案论述23.1.1系统的主要性能指标23.1.2系统原理框图23.1.3系统特点及功能33.1.4系统原理33.2湿度报警器电路基本设计33.2.1电路原理图33.2.2湿度报警仪的原理4四、单元电路设计54.1方波产生电路54.1.2工作原理64.1.3振荡周期64.1.4参数64.2湿度检
3、测电路74.2.1湿度74.2.2湿度传感器分类74.3声报警电路94.3.1系统设计方案94.3.2电源94.3.3放大电路104.3.4波形变换电路114.3.5报警音发声电路114.3.6报警电路仿真12五、总结13参考文献13引言测控电路综合课程设计是学生学习电子技术十分重要的环节之一，是对学生学习电子技术知识的综合性实践训练。测控电路综合课程设计对学生综合素质、创新意识的培养，通过从验证性实验转移到加强基本技能的训练，从小单元局部电路为主的实验转移到多模块、综合系统实验，从单一的实验室内实验形式转移到课上课下、实验室内外的多元化实验形式，培养学生自主学习的能力和分析问题、解决问题的能
4、力测控电路综合课程设计对于巩固所学的电路电子理论知识、培养学生解决实际问题的能力、加强基本技能的训练都具有十分明显的积极作用。测控电路综合课程设计通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试完成的。要完成一个课题将涉及许多方面的知识，包括理论知识（设计原理方法）和许多实际知识与技能（安装、调试与测量技术）。随之科学技术的快速发展传感器技术也不断提高，目前湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数监测的方向迅速发展，为湿度测控系统创造了有利条件，同时也将湿度测量技术提高到新的水平。湿度控制也是自动控制经常讨论的课题之一，它代表了一类自动控制的方法。目前湿度控制装置已经广泛应用在工业生产、
5、医药、农作物栽培和科学试验等许多领域，特别是农村的大棚苗圃花卉等作物的栽培。湿度报警器其实原理就像是一个开关，达到了控制器设定的温湿度上下限就会直接启动您的负载也就是加热、降温、加湿、除湿、设备，之前用过一款DB505温湿度报警器，性价比 性能都非常好，可以再仪表上设置湿度的上下线，继而达到自动控制。一、湿度监测系统发展现状及趋势近几年国内外湿度监测系统正从该结构复杂、功能单一、成本高昂向着集成化、智能化、多参数检测、成本低廉的方向迅速发展，随着科研人员的不断努力，该类型的系统取得了巨大的成就。这也为开发新一代湿度测控系统奠定了系统，同时将湿度的测量、控制技术提高到新的水平。目前国内湿度测控系
6、统采用的方法主要是“湿阻”，即采用电阻型的湿度传感器，利用其阻值随湿度的变化测定空气的相对湿度。然而受到传感器灵敏度的影响这类湿度测控系统的精度不可能很高，难以满足实验室设备等对精度要求颇高的场合。近些年来，国内许多机构也在传感器测试装置的研发上不断探索、实践。例如通过采用传统电子仪器进行设计研发而成的多种动态测试系统、自动装置的气体传感器智能测试系统及报警系统等等。二、本设计目的测控电路课程设计讲述的原理、技术仅靠教学是无法完全掌握和理解的，故必须通过具体的实际动手设计才能获得比较获得比较直观和深刻的理解。物体的许多物理现象和化学性质与湿度有关，湿度是农业生产、科学实验研究以及日常生活中需要
7、普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量。随着科技的进步，传统的湿度测试技术在灵敏度、精度等方面都已经无法满足市场的需求。因此研究出新一代符合人们工作需求的湿度报警器。对于大棚种植和苗圃花卉栽培都需要对环境的湿度进行一定的限定，因此，必须在某些特定环境安装湿度装置对其进行控制。为此，本设计利用湿度传感器的测湿快速、使用简单等特点，同时结合集成电路及分立元件设计了一个监控装置来对湿度进行实时监控。本系统可以及时精确的反映室内的湿度及其变化，能够满足湿度控制的要求。三、总体方案论述与设计3.1方案论述3.1.1系统的主要性能指标（1）湿度额定值：50%RH-70%RH（2）电源电压工作范围：4.5
8、V5.5V（3）自主设定湿度值,当湿度超出或低于预设值时，发出报警。3.1.2系统原理框图 该系统是采用集成电路及附设电路对湿度的控制。从功能模块是来分有：湿度检测电路、湿度控制电路，报警电路。系统原理图如图1所示 图13.1.3系统特点及功能特点：本电路设计简单易于调试而且实用性较强，成本低。功能：当湿度检测电路测出的湿度超过额定值时，启动声报警系统。3.1.4系统原理该电路的关键点是湿度检测电路，通过调节湿度检测电路中的基准湿度值，以满足本设计对湿度控制的要求。3.2湿度报警器电路基本设计3.2.1电路原理图图2四集成运算放大器LM324中的IC1产生频率为约1KHZ的方波，方波信号通过C
9、2连接湿度传感器HPR，再进入由IC2和D1D3构成对数变换电路，这部分电路的输出电压随相对湿度的增加而逐渐升高。由于电压的变化范围小，不能直接驱动报警电路，所以用数字电压表测出IC2的输出端P点的对地电压与相对湿度的对应关系来确定当时的湿度值，如果要推动普通式动圈式电表，可增加一级放大，这里用IC4接成同相放大器，其放大倍数由R9与R8的比值决定。比值的选择可根据电表的量程来确定。IC4的输出端Q点经限流电阻R10接电表G，图中所示电路可推动量程为5V的电压表。电压表G上的相对湿度在一般条件下可根据干湿温度计在实测中确定，这样就可在电压表的相应电压刻度上绘出湿度值，以便直接读出。W2为起始电
10、压调节电位器。3.2.2湿度报警仪的原理IC3作为电压比较器使用，P点电压经R5和C4作为抗干扰延迟网络，对短时间的电压脉冲起过滤作用。输出电压接在IC3的同相输入端，IC3的反相接入端接在电位器W1的滑动接头上，调节W1使接在输出端的发声装置刚好不发声，然后用嘴对湿度传感器哈气，增加其环境湿度，高于70%RH，则在12秒内发出嗡鸣声，产生报警，适当选择W1的位置，可使环境相对湿度上升到一定数值即发声报警。也可以接入蜂鸣器发声报警。如果需要当相对湿度降低到一定数值报警，这时只需将IC3的同相与反相输入端脚与脚的接线对调即可。四、单元电路设计4.1方波产生电路矩形波产生电路是一种能够直接产生矩形
11、波的非正弦信号发生电路。由于矩形波包含极丰富的谐波，因此这种电路又称为多谐振荡器。4.1.1电路组成矩形波产生电路如图3所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经R3、C1反馈集成运放的反相端。 当V0=-Vz时，电容反向充电；当V0=+Vz时，电容正向充电。4.1.2工作原理在接通电源的瞬间设输出电压偏于负饱和值，即VO等于Vz时集成运放同相端的电压为Vp=R2Vz/（R2+R4）；而VO等于Vz时，电容反向充电，Vc由零变负，在Vc高于Vp之前，VO等于Vz不变；当Vc下降到略低于Vp时，VO从Vz跳变到+Vz，与此同时，Vp由R2Vz/（R2+R4）变为R2Vz/（R2+R4）。而VO
12、等于+Vz时电容充电，在Vc低于Vp之前VO等+Vz不变，当Vc上升到略高于Vp时，VO从+Vz跳变到Vz，如此循环不已产生振荡，输出矩形波。4.1.3振荡周期如图3所示画出了在t1到t3的一个方波的典型周期内输出端及电容C上的电压波形。当t=t1时，Vc=R2Vz/（R2+R4）,则在T/2的时间内电容C上的电压Vc将以指数规律由R2Vz/（R2+R4）向+Vz方向变换，然后可得振荡频率为f=1/(2R3C)。R3=1M, C=0.5nF。可得1KHZ输出方波。4.1.4参数由图1可知，由IC1及R2,R4构成的迟滞比较器可产生方波，其输出电压为(1+R4/R2)5=10V。由IC2和湿敏传
13、感器电阻Rhrp构成的对数运算电路其输出出电压Vp=,可见输出电压与输入电压成对数运算关系。由于IC3是电压跟随器，所以输出电压是Vp。IC4是运算放大器，其输出电压V=(1+R9/R8)Vp,选取R9=20K,R8=5K, 限流电阻的阻值R10=330K可得V=5Vp, ,因为IC4所接电表G量程是5V，例如，当电表指针为5V时，Rhpr=170，如图湿敏电阻与湿度的关系可知呈现线性关系，可知此时的相对湿度为环境湿度高于70%时，报警系统启动。4.2湿度检测电路4.2.1湿度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
14、绝对值；相对湿度是指气氛中水蒸汽压与同一湿度下的饱和蒸汽压之比，用百分数来表示。4.2.2湿度传感器分类湿度传感器可分为三大类，即湿敏电阻器、湿敏电容器和湿敏晶体管。鉴于湿度传感器种类繁多，本设计用到了湿敏电阻器。(1)湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多,例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品的互换性差。(2)湿敏电阻湿度传感器的工作原理金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器多孔性的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体，在
15、晶体表面及晶粒间界处很容易吸附水分子。由于水分子是一种集强行电解质，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，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，在金表面从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，表现为多空毛细管状，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，随环境湿度的增加，水分子在晶粒表面和间隙大量的吸附，而引起电子电导
16、和离子电导的加剧，半导体陶瓷面显示负感湿特性，即随着湿度的增加，材料的电阻率下降。原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。用有机聚丙烯塑料片或棒为机体，涂布一层含有导电性碳粒的有机胶状纤维。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，从而使电阻值增大。（3）湿敏电阻湿度传感器的基本特性电阻-湿度特性湿敏电阻器的阻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大时，称正的电阻湿度特性；当阻值随相对湿度的增大而减小时，称负的电阻湿度特性。对负电阻湿度特性的湿敏电阻器的灵敏
17、度定义为R1：R2，式中R1指0%相对湿度条件下的电阻值，一般要求其阻值在1M以下。R2指95%相对湿度条件下的电阻值，一般要求其阻值在几千欧左右。值越大说明元件相对湿度的变化越敏感。时间常数这是衡量湿度电阻器随温度跃变的一个参数，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%所需的时间称为市民电阻器的时间常数，也称为响应速度。湿敏电阻器的时间常数越小越好，吸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，脱湿是相对湿度的降低过程，都是指在定温条件下的变化过程。滞后效应湿敏电阻器周围的相对湿度变化一个往返周期
18、时，相应的电阻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。4.3声报警电路4.3.1系统设计方案报警电路由电源电路、信号放大电路、波形变换电路和报警音发声电路组成，如图4所示。电源电路为其它各组成部分提供+ 5v的工作电压; 信号放大电路包括三极管放大电路和同相比例放大电路，采用两极放大能够使微小的信号获得足够大的电压增益; 波形变换电路将正弦信号变换成脉冲信号，作为模拟电路和数字电路的过渡电路; 报警音发声电路由时基电路555 构成，当有信号输入时，报警音发声电路发出宏亮的报警信号。4.3.2电源电源电路采用模拟分立元件进行设计，其仿真设计方案如图5所示。图5电源部分由
19、电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成1 3。其中电源变压器的作用是将220V 的市电转换为后极所需要的交流电压;整流电路的作用是将变压器的次级输出电压转换为单向的脉动直流电压，整流电路采用单向桥式全波整流器1B4B42 实现; 滤波电路的作用是将脉动的直流电压转换为平滑的直流电压，滤波功能由电容C1和C2来完成; 稳压电路的作用是用来清除电网电压波动、负载和温度等变化的影响，维持输出电压基本稳定。稳压电路采用三端稳压集成电路MC7812ACT 实现+ 5v的电压输出，其最大输出电流为1 5mA。最后，为了使稳压电路输出的电压稳定，在其输出端并联了两个电容用来滤除低频和高频的干扰信
20、号。4.3.3放大电路信号放大电路包括三极管放大电路和同相比例放大电路，其电路如图4所示。三极管放大器和运算放大器构成两级放大，将微弱电信号不失真地放大到所需要的数值，采用两级放大对于放大微弱信号能够达到较好的效果。 ( 1) 第一级放大电路第一级放大电路由单个三极管( 2N222 或3DG6) 构成的共射级放大电路实现小微弱信号的放大。共射级放大电路具有较大的电压放大倍数和较大的电流放大倍数，同时输入电阻和输出电阻适中，常用来作为低频放大电路的输入级、中间级或输出级。在设计共射级放大电路时注意基极电阻器和集电极电阻器阻值的配置要与电源相匹配，以确保三极管能够工作在放大区内。（2) 第二级放大
21、电路由于同相比例放大器输入电阻非常大，可使流过信号的电流减小，输出电阻非常小，几乎为零，即带负载能力强，常用于多级放大电路的输入级或输出级。因此，在此处第二级放大电路采用LM358AN运算放大构成的同相比例放大器进行高增益、低噪声放大。4.3.4波形变换电路波形变换电路的种类很多，经常采用电压比较器作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路，但其输出的高、低电平与数字电路的高、低电平的数值相差较大，一般需要加上限幅电路才能驱动数字电路，并且其设计电路相对复杂。为了使电路结构简单采用与门电路( 7400N) 完成波形变换，设计电路如图6所示。 图64.3.5报警音发声电路报警音发声电路主要由时基电路5
22、55 构成，如图7所示。时基电路555 连接成报警音发声电路，当电路中有信号输入，且波形变换电路输出高电平时，报警音发声电路启动工作，发出宏亮的音响报警信号。由于时基电路555 工作电压为+ 5V，而电源电压是+ 12V，所以电路中采用1k电阻6与稳压二极管VDZ2 组成了简单的稳压电路，使电源电压降为稳定的低电压( 约5V) 供给时基电路555 使用，设计电路如图7所示。图74.3.6报警电路仿真基于Multisim 10 利用以上各功能电路搭建出报警器的原理图仿真电路，如图8所示。 图8五、总结通过这次课程设计，我对测控电路设计的基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的知识，有了
23、新的体验。我学会了如何从具体的数据来设计需要的电路。了解放大电路、方波发生器及报警电路的原理、工作特性以及使用的范围，加深了对书里知识的理解。测控电路是实现测试与自动控制的重要环节，在测试系统中，能够放大某一形态的信息，并将其转换成另一所需形态的信息。测控电路具有精、快、灵、可靠等优点。通过本次设计，我了解到了如何设计各种电路，并增加了自己的动手能力，通过理论分析，计算，再结合实验数据，对实际操作有了更深刻的了解。其次，通过本次课设，我更加体会到了团队合作的重要性，通过与同学的交流探讨，解决了自己不能解决掉的问题，提高了工作效率。体会到了与人讨论和向同学请教的必要，在设计过程中，我们遇到了很多困难，但都通过我们的合作解决了问题。在课程设计之中，遇到问题时还查阅了很多的资料，使我了解到查阅资料的重要性。参考文献1孔晓宇基于ACL 访问控制列表的机房上网管理J电脑知识与技术2010，6( 27) : 7476 74772胡元交换机ACL 自动控制系统设计与实现J电脑编程技巧与维护，2012( 6) : 57 58，62责任编辑: 刘新影3主编：张国雄 副主编：李醒飞 机械工业出版社 测控电路 4郭亨礼 林友德 传感器实用电路 M上海科学技术出版社 1992. 13