低成本的数字显示湿度测量仪的设计

1　引　言

湿度在我们的生产生活当中有着与温度同样的重要性,不论是温度还是湿度,虽然都可以用单片机进行测量和数字显示[1,2],然而对于刚开设电子线路课程的低年级本科生来讲,单片机的知识尚未学到,为了突出课程的实践性,并尽早增强低年级学生的工程观念,我们在电子电路课程设计和第二课堂等实践活动中,指导学生开展设计性实验与电子制作。数字显示湿度测量仪便是其中的一个实例。

空气中含有水分的多少叫湿度。湿度的表示方法有多种,常用的有3种[3]。(1)绝对湿度(AH,AbsoluteHumidity):表示单位体积的空气中所含水气的质量,单位为g/m3。(2)相对湿度(RH,Relative Humidity):定义为待测空气的水气分压与相同温度下水的饱和水气压的比值的百分数,可表示为:

式中:Pv为待测空气的水气分压;Pw为与待测空气同温度时水的饱和水气压。(3)露点温度:当保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度(℃),简称为露点。空气的相对湿度越高,就越容易结霜。混合气体中的水蒸气压,就是在该混合气体中露点温度下的饱和水蒸气压,因此,通过测定空气露点的温度就可以测定空气的水蒸气压。目前应用最多的是相对湿度。我们的测量仪测量的就是空气的相对湿度(RH)。

2　湿敏电容器HS1100/HS1100简介

测量湿度的原理一般是根据某种物质从周围的空气中吸收水分后引起物理(或化学)性质的变化,然后通过对这变化量的测量,获得该物质的吸水量与周围空气的湿度。电容式湿敏元件的薄膜电容的容量(实际为其电介质材料的介电常数ε)随着湿度的变化而变化。法国Humirel公司生产的湿敏电容器HS1100/HS1101具有以下优点[4]:

(1)不需校准的完全互换性;

(2)长时间饱和下快速脱湿;

(3)高可靠性和长时间的稳定性;

(4)响应时间快;

(5)受温度的影响小;

(6)适用于线性电压输出和频率输出电路;

(7)专利的故态聚合物结构;

图1即为该元件的电容-湿度响应曲线。从中可知,当相对湿度在0~100%(RH)范围内变化时电容器的容量由162 pF变到202 pF,误差不大于±2%。HS1100和HS1101的特性完全一样,只是它们的外形封装不同。

3　电容-电压(C-U)变换器

为便于测量,须将电容的容量的变化转换为电压的输出,完成这种功能的电路称为电容-电压(C-U)变换器。本次设计的变换器电路如图2所示,其中A1和A2是双集成定时器CC7556(或5G7556)内部的两个完全相同的定时器[5]。其中A1和R1、C1组成多谐振荡器;A2和R2、Cx构成单稳态触发器[6]。在多谐振荡器中由于没有接定时电阻,所以振荡脉冲的占空比q1≈100%。因为振荡频率为f0=1.43/R1C1=20×103Hz,周期为T0=50μs。将A1输出的脉冲信号VO1送到A2的触发端VI,由于Cx即为容量随湿度的变化而变化的湿敏电容器,因此,变换器从单稳态触发器输出的单一脉冲信号的信号的脉冲宽度为: