使用单片通用数字集成电路的湿敏电阻传感器信号调理电路

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　　摘  要：湿度是指空气中水汽含量的多少或空气干湿的程度。在果蔬储存，医院呼吸机和室内空调等等都需要考虑湿度。测量湿度的方法有很多种，现在设计一个简单的电路对湿度进行检测估计。考虑现有的测量方法和仪器，本次设计电路更加简单方便，成本也比较低。更适合在一些需要简单估计湿度的环境。
　　关键词：湿敏电阻;反相器;信号调理
　　中图分类号：TN431.2       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0063-02
　　Abstract： Humidity refers to the amount of water vapor in the air or the degree to which the air is dry and wet. Humidity needs to be considered in fruit and vegetable storage， hospital ventilators and indoor air conditioners. There are many ways to measure humidity. Now a simple circuit is designed to detect and estimate the humidity. Considering the existing measurement methods and instruments， the design circuit is more simple and convenient， and the cost is relatively low. It is more suitable for environments where simple estimation of humidity is needed.
　　Keywords： humidity sensitive resistor; inverter; signal conditioning
　　1 电路设计及主要元件
　　1.1 电路设计
　　 电路由湿敏电阻，施密特反相器，电容等构成。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。设计电路如图1所示：
　　1.2 湿敏电阻的工作特点
　　 湿敏电阻会随着湿度的改变而阻值发生变化。湿敏电阻随湿度温度的变化曲线如图2所示：
　　湿敏电阻与其他电阻不同，其他电阻可以直接在两端加上直流电源和可以直接用万用表测出电阻阻值。湿敏电阻只能在其两端加上交流电压，因为水分子是极性分子，在直流电场中会分解为H2及O2，影响测量，并且在湿度传感器中存在导电离子，在高湿情况下， 直流的电场会导致湿敏电阻中的高分子材料中的带电粒子偏向两极，造成电导率漂移，影响湿敏电阻的寿命。湿敏电阻的额定电压很小，很小的交流电一般很难做到和检测。而且其他电阻可以接在处理器（CPU）的端口，由处理器（CPU）直接控制和检测电阻的变化情况。湿敏电阻却不可以这样做。必须让其在交流电环境下。所以本次设计难点在于怎么让湿敏电阻正常工作。
　　1.3 施密特反相器的工作特点
　　 施密特反相器和普通的反相器最大的不同点，在于当输入电压增大和减小时，电路有不同的阈值电压和，其传输特性曲线如图3：
　　施密特反相器常用于波形的整形和变换、脉冲幅度的鉴别，也可以用来构成方波振荡电路。
　　其方波振荡电路如图1所示。当在接通电源的瞬间，电容C上的电压为0V，输出为高电平，随后通过R对电容充电，当达到时，施密特反相器翻转，输出为低电平，充电时间为T1。此后电容开始放电，输入电压下降，当下降到时，电路又发生翻转，输出为高电平，放电时间为T2。如此反复形成振荡。反相器的振荡周期为：T=T1+T2。
　　2 原理介绍
　　 本次设计实验原理是利用湿敏电阻的阻值随着湿度和温度的变化而变化的特性设计使用单片通数字集成电路的湿敏电阻传感器信号调理电路。反相器振荡反馈过来的方波信号，可以看做交流电加在湿敏电阻两端，可以使湿敏电阻正常工作。当温度和湿度改变时，电路振荡输出波形的频率也会不同。在已知环境的相对湿度的条件下测量对应于不同湿度的电路输出信号， 找出环境的相对湿度与该相对湿度下电路的输出频率之间的关系。经过微处理器，即用此电路可对环境的湿度进行测量。
　　3 实验过程及其数据分析
　　 由振荡周期的计算式可知，当加在反相器的两端的电压不变时，振荡周期仅仅与电阻和电容有关。而湿敏电阻又受到温度和湿度的影响，所以振荡周期又和温度，湿度有关。
　　3.1 湿敏电阻与湿度的关系
　　 当选择电容为0.27nf的电容，温度27摄氏度，对不同的湿度测量对应的电路输出的頻率如表1。
　　由表1的数据拟合成的变化曲线如图4所示。
　　对得出的数据进行拟合函数得到如下曲线如图5所示。
　　横轴是湿度、纵轴是频率。由拟合曲线可以看出在电容和温度一定时输出的频率和环境湿度成线性关系，可以求出方程为：Y=16.253X-606.03其中Y为频率，X为湿度。
　　 3.2 湿敏电阻与频率的关系
　　 当湿度和电容值一定时考虑温度对输出频率的关系，选取电容为0.27nf，湿度为55%RH，经实验得到数据如表2。
　　对画出数据大致曲线走向如图6所示。
　　当湿度和电容一定时由图可以看出输出频率与温度是线性关系。拟合出函数为：Y=16.004Q-35.579，其中Y为输出频率，Q为温度。
　　4 结束语
　　 电路的输出频率与温度、湿度成线性关系。电路稳定简单便于实现操作。把电路用在空调上，当空调调到一定温度时，可以由处理器判断输出波形来显示当前湿度。以此判断是否进行加湿处理。当用在果蔬存储上，更加简单的方便显示当前湿度是否对存储有影响。
　　参考文献：
　　[1]牛德芳.半导体传感器原理及其应用[M].大连理工大学出版社，1993.
　　[2]赵春华，张学军.电子技术基础仿真实验[M].机械工业出版社，2008.
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