基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計u(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 61 574U 1 0L M 7 4 13261 574U 1 1L M 7 4 1 3261 574U 1 2L M 7 4 1+ C81 0 0 0 u+C81 0 0 0 unIqKITVBE ??K/mA1TIr? 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 7 圖 23 感溫部分的核心電路 圖 24 AD590 內部的電路 AD590 的工作原理 在被測溫度一定時， AD590 相當于一個恒流源，把它和 5～ 30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一 個 1kΩ 的恒值電阻，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／K 的電壓信號。 圖 23 是利用 ΔUBE 特性的集成 PN 結傳感器的感溫部分核心電路。其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等； T T4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但 T3 實質上是由 n 個晶體管并聯而成，因而其結面積是 T4 的 n 倍。 T3 和 T4 的發射結電壓 UBE3 和 UBE4 經反極性串聯后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 ΔUBE。因此，電流 I1 為： 對于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的 總電流將與熱力學溫度 T 成正比，將此電流引至負載電阻RL 上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到 1μA／ K 的 I 值。 圖 24 所示是 AD590 的內部電路，圖中的 T1～ T4 相當于圖 23 中的 T T2，而 T9， T11 相當于圖 23 中的 T T4。 R R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數電阻，供出廠前調整之用。 T T8，T10 為對稱的 Wilson 電路，用來提高阻抗。 T T12 和 T10 為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。 R1， R2 為發射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。 T1～ T4 是為熱效應而設計的連接方式。而 C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得 T9， T10， T11 三者的發射極電流相等，并同為整個電路總電流 I 的 1／ 3。T9 和 T11 的發射結面積比 為 8： 1， T10 和 T11 的發射結面積 相 等 。 T9 和 T11 的發射結電壓互相反極性串聯后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫出： ΔUBE＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 R nln)qKT(RUI BE1 ???? 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 8 R6 上只有 T9 的發射極電流，而 R5 上除了來自 T10 的發射極電流外，還有來自 T11 的發射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 2／ 3。 根據上式不難看出，要想改變 ΔUBE，可以在調整 R5 后再調整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結果都會使 ΔUBE 減小，不過，改變 R5 對 ΔUBE的影響更為顯著，因為它前面的系數較大。實際上就是利用激光修正 R5 以進行粗調，修正 R6 以實現細調，最終使其在 25℃ 之下使總電流 I 達到 1μA／ K。 AD590 的基本應用電路 圖 25（ a）是 AD590 的封裝形式，圖 25（ b）是AD590 用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過 AD590 的電流與熱力學溫度成正比，當電阻 R1 和電位器 R2 的電阻之和為 1kW 時，輸出電壓 VO 隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。調整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調整電位器 R2，使VO=。或在室溫下 (25℃ )條件下調整電 位器 ,使 VO=+25=（ mV）。但這樣調整 只可保證在 0℃或 25℃附近有較高精度。 AD590 溫度與電流的關系如下表 21 所示 。 圖 25 AD590 的封裝及基本應用電路 表 21 AD590 溫度與電流的關系表 攝氏溫度 AD590 電流 經 10KΩ 電壓 0℃ V 10℃ V 20℃ V 30℃ V 40℃ V 50℃ V 60℃ V 100℃ V LM741 放大器 741 型運算放大器具有廣泛的模擬應用。寬范圍的共模電壓和無阻塞功能可用于電壓跟隨器。高增益和寬范圍的工作電壓特點在積分器、加法器和一般反饋應用中能使電路具有優良性能。此外，它還具有如下特點：（ 1）無頻率補償要求；（ 2）短路保護；（ 3）失調電壓調零；（ 4）寬大的共模、差模電壓范圍 ；（ 5）低功耗。 741 型運放雙列直插封裝的俯視圖如圖 26（ a）所示。緊靠缺口（有時也用小圓點標記）下方的管腳編號為 1，按逆時針方向，管腳編號依次為 2， 3，…， 8。其中，管腳 2 為運放反相輸入端， 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 9 管腳 3 為同相輸入端，管腳 6 為輸出端，管腳 7 為正電源端，管腳 4 為負電源端，管腳 8 為空端，管腳 1 和 5 為調零端。通常，在兩個調零端接一幾十千歐的電位器，其滑動端接負電源，如圖 (b)所示。調整電位器，可使失調電壓為零。 U +U IN 8 7 6 51 2 3 4 +IN +OUT 調零調零空端++231 5 467U +U （ a） （ b） 圖 26 741 型運算放大器的封裝圖 LM741 是通用型集成單運算放大器，其特點是電壓適應范圍較寬，可在 177。5 ～ 177。18V 范圍內選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為 177。15V 和 177。30V；內含頻率補償和過載、短路保護電路；可通過外接電位器進行調零 。圖 27 為 LM741 的內部電路圖 圖 27 LM741 的內部電路圖 濕度采樣電路設計 濕度傳感器的分類及特點 濕度傳感器，分為電阻式和電容式兩種，產品的基本形 式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數發生很大的變化，從而制成濕敏元件。 濕度傳感器具有如下特點： （ 1） 精度和長期穩定性 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 10 濕度傳感器的精度應達到 177。2%~177。5%RH，達不到這個水平很難作為計量器具使用，濕度傳感器要達到 177。2%~177。3%RH 的精度是比較困難的，通常產品資料中給出的特性是在常溫（ 20℃ 177。10℃ ）和潔凈的氣體中測量的。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結合其長期穩定性去判斷，一般 說來，長期穩定性和使用壽命是影響濕度傳感器質量的頭等問題，年漂移量控制在 1%RH 水平的產品很少，一般都在 177。2%左右，甚至更高。 （ 2） 濕度傳感器的溫度系數 濕敏元件除對環境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度系數一般在 ~%RH/ ℃ 范圍內，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補償式。采用單片機軟件補償，或無溫度補償的濕度傳感器是保證不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補償的效果，非線性的溫漂往往補償不出較好的效果，只有采用 硬件溫度跟隨性補償才會獲得真實的補償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數。多數濕敏元件難以在 40℃ 以上正常工作。 （ 3） 濕度傳感器的供電 金屬氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時，會導致性能變化，甚至失效，所以這類濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。 （ 4） 互換性 目前，濕度傳感器普遍存在著互換性差的現象，同一型號的傳感器不能互換，嚴重影響了使用效果，給維修、調試增加了困難，有些廠家在這方面 做 出了種種努力，（但互換性仍很差）取得了較好效果。 （ 5） 濕度 校正 校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標定往往用一根標準溫度計作標準即可，而濕度的標定標準較難實現，干濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標定的，精度無法保證，因其要求環境條件非常嚴格，一般情況（最好在濕度環境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設備時，通常用簡單的飽和鹽溶液檢定法，并測量其溫度。 濕度傳感器的選擇 本系統選用 HSl101 濕度傳感器來測量糧庫中的相對濕度，它具有如下特點：不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，適用于線性電壓輸出和 頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。圖 28 為 HS1101 的結構及示意圖。表 22 為 HS1101 的特性參數。 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 11 圖 28 HS1101 的結構及示意圖 圖 29 為 HS1101 的電容濕度響應曲線，相對濕度在 0%100%RH 范圍內，電容量由 162PF 變到200PF，其誤差不大于 177。2%；響應時間小于 5s；溫度系數為 ℃。 表 22 HS1101 的特性參數 圖 29 濕度 — 電容響應曲線 濕度信號的測量原 理 如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號，常用兩種方法：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、再經 AD 轉換為數字信號，一種是將該濕敏電容置于 555 定時器或施密特觸發器組成的振蕩電路中，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 [9]。 本系統采用的是將 HS1101 接入 555 定時器組成振蕩器電路，輸出一定頻率的方波信號，電路圖如圖 210 所示。 集成定時器 555 芯片外接電阻 R R2 與濕敏電容 C 構成了對 C 的充電回路。 7 端 通過芯片內 基于單片機的糧庫溫濕度控制系統的設計 12 部的晶體管對地短路又構成了對 C 的放電回路，并將引腳 2， 6 端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發生器。另外， R3 是防止輸出短路的保護電阻， R1 用于平衡溫度系數。 該振蕩電路兩個暫穩態的交替過程如下 ： 首先電源 Vs 通過 R R2 向 C 充電，經 t1 充電時間后，Uc達至芯片內比較器的高觸發電平，約 ，此時輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R2 放電，經 t2 放電時間后， Uc下降到比較器的低觸發電平，約 033Vs，此時輸出引腳 3 端又由低電平躍升為高電平。如此翻來覆去，形成方波 輸出。其中充放電時間為 圖 210 濕度測量電路 2ln)RR(Ct 421 ?? 2lnCRt 22? 因而，輸出的方波頻率為 可見，空氣的相對濕度通過 555 測量振蕩電路就轉變為與之成線性關系的頻率信號。表 23 給出了其中的一組典型測試值。 表 23 相對濕度與電壓頻率的典型值 將 555 測量振蕩電路輸出的方波信號送入單片機 AT89S52 的 Tl 引腳，定時器 /計數器 1 工作在計數方式，定時器 /計數器 0 工作在定時方式。用這種測量頻率法測出方波信號的頻率，從而也就測出了空氣中的相對濕度。 f 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 6728 60 6600 70 80 90 100 6468 6330 6033 6186 RH TRIG THR CNTL RST GND VDD DISC OUT TLC555CD 5 VCC Fout 6 2 4 1 R1 909K HS1101 R