校新生電路板設(shè)計(jì)大賽論文

福建工程學(xué)院新生電路板設(shè)計(jì)大賽題目：電子濕度計(jì)系別：電子信息與電氣工程系專業(yè)：電子信息類姓名：葉國(guó)真學(xué)號(hào)：3110209313摘要濕度是表示空氣中含水分多少的物理量，有相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度和露點(diǎn)等多種表示方式，其中相對(duì)濕度最為常用。相對(duì)濕度是空氣中所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的比值，通常以百分?jǐn)?shù)表示，氣象預(yù)報(bào)中的濕度也是用這種方式來(lái)表示的。與溫度一樣，濕度也可以被人們所感知，同樣也是影響人們舒適度的重要參數(shù)。夏季開(kāi)空調(diào)使人感覺(jué)舒適不僅僅是因?yàn)闇囟雀淖儯瑵穸劝l(fā)生變化也是重要原因。濕度對(duì)人們的生活很重要，電子濕度計(jì)又叫數(shù)字濕度計(jì)，它的核心器件是濕度傳感器，電路對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，之后通過(guò)顯示器件顯示出測(cè)試結(jié)果，這種濕度計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確、顯示直觀、響應(yīng)速度快、易于攜帶等多種優(yōu)點(diǎn)，是適度發(fā)展的趨勢(shì)。此次我所做的這款濕度計(jì)是一款使用的濕度計(jì)，它簡(jiǎn)單易制、外觀獨(dú)特，可以用于一般家庭、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室等場(chǎng)所了解濕度變化情況。本濕度計(jì)通過(guò)2位數(shù)碼管顯示當(dāng)前環(huán)境相對(duì)濕度，測(cè)量范圍為0_99%RH。目錄第1章緒論…………41.1課題研究的背景及意義………………4第2章原理分析……………52.1對(duì)傳感器的選擇法案比較………5第3章硬件設(shè)計(jì)……………63.1濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路…………63.2單片機(jī)及其顯示電路………………8第4章軟件設(shè)計(jì)………………8第5章調(diào)試……………………9第6章總結(jié)…………………9參考文獻(xiàn)……………………10附錄1…………11附錄2…………19附錄3…………20第一章緒論1.1課題研究的背景及意義濕度對(duì)于人們的生活環(huán)境很更要，但相對(duì)而言人們對(duì)濕度的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不如溫度，市場(chǎng)上濕度計(jì)也比溫度計(jì)少。常見(jiàn)的濕度計(jì)主要有干濕球濕度計(jì)、指針式濕度計(jì)和電子濕度計(jì)三種。干濕球濕度計(jì)采用經(jīng)典的干濕球法測(cè)量濕度，這種濕度計(jì)準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，但需要經(jīng)常維護(hù)以保證濕球濕潤(rùn)，并且由于干濕球法是一種間接測(cè)量方法，因而讀取測(cè)量結(jié)果的過(guò)程比較繁瑣，而且對(duì)測(cè)量環(huán)境的溫度、風(fēng)速、潔凈程度等要求比較高，使用不是很方便，此外還存在體積大、容易損壞等缺點(diǎn)，干濕球濕度計(jì)常用與氣象觀測(cè)或作為標(biāo)準(zhǔn)濕度計(jì)。指針式濕度計(jì)基于機(jī)械形變?cè)?，一般是在帶狀彈性金屬材料上涂覆隨時(shí)度變化而伸縮的高分子材料后卷成游絲，再通過(guò)機(jī)械部件將之與指針連接，這種濕度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外觀時(shí)尚，但測(cè)量準(zhǔn)確度不高，多用于家庭或作為小禮品。電子濕度計(jì)又叫數(shù)字濕度計(jì)，它的核心器件是濕度傳感器，電路對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，之后通過(guò)顯示器件顯示出測(cè)試結(jié)果，這種濕度計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確、顯示直觀、響應(yīng)速度快、易于攜帶等多種優(yōu)點(diǎn)，是適度發(fā)展的趨勢(shì)。濕度與我們的生活息息相關(guān)，例如夏天開(kāi)空調(diào)不僅僅是改變空氣中的溫度同時(shí)也改變濕度，因此制作一個(gè)濕度計(jì)對(duì)于我們的生活等方面是十分必要的。原理分析對(duì)傳感器的選擇法案比較常用的濕度傳感器主要有電阻式（濕敏電阻）和容式（濕敏電容）兩種。這兩種傳感器產(chǎn)品的一般形式都是在基片上涂覆相應(yīng)的感濕材料，通過(guò)金屬引線引出，為了防止感濕材料損傷和污染一些產(chǎn)品還具有帶孔的塑料外殼。方案一：電阻式濕度傳感器的感濕材料吸附空氣中的水蒸氣后，其導(dǎo)電率即器件的阻抗隨適度的變化而變化。為了防止出現(xiàn)極化現(xiàn)象，大多數(shù)的電阻式濕度傳感器都要求使用交流供電，而且對(duì)交流電的頻率和電壓也有一定的要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般把傳感器作為電阻，將之與1個(gè)固定電阻構(gòu)成供電電源分壓電路，降分壓后輸出的信號(hào)送入放大、整流和濾波等處理電路，之后得到穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)，完成濕度到電壓的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)上述電壓信號(hào)采樣，再將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到最終的濕度值，此外也可以采用合適量程的模擬電壓表通過(guò)對(duì)表盤進(jìn)行標(biāo)定用指針來(lái)指示濕度。方案二：電容式濕度傳感器的感濕材料吸附空氣中的水蒸氣后，其介電常數(shù)即器件的電容隨時(shí)度的變化而變化。在應(yīng)用時(shí)可以把傳感器作為電容，將之與電阻和COMS時(shí)基電路或施密特觸發(fā)器等電路構(gòu)成振蕩器，用單片機(jī)測(cè)量振蕩輸出信號(hào)的頻率或周期，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到對(duì)應(yīng)的濕度值。在要求不高的情況下，也可以用單片機(jī)控制電路對(duì)傳感器進(jìn)行充電放放電，通過(guò)測(cè)量充電時(shí)間來(lái)求得濕度值，這種方法將更簡(jiǎn)單。與電阻式濕度傳感器相比，電容式傳感器不需要專門的交流電源供電，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單很多，并且也不需要ADC，降低了成本。硬件設(shè)計(jì)本濕度計(jì)主要包括濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)及其顯示電路幾部分。濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖所示。C1為HUMIREL的相對(duì)濕度傳感器HS1101，這是一種采用專利技術(shù)固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器，在溫度為25攝氏度、濕度為55%RH時(shí)電容的典型值為180PF，可以在很寬范圍的溫度和濕度下工作。它具有互換性好、能夠在長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)后迅速脫濕、可靠性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、響應(yīng)快速、溫度系數(shù)低、線性好以及適合自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合家用電器、辦公自動(dòng)化等對(duì)成本敏感的產(chǎn)品使用。U2為TexasInstruments的ＣＭＯＳ時(shí)基電路（定時(shí)器）ＴＬＣ５５５，它與常用的ＮＥ５５５、ＬＭ５５５等時(shí)基電路功能類似，引腳排列完全相同，但ＴＬＣ５５５采用CMOS工藝制造，具有更高的輸入阻抗，與NE555相比他可以使用更小的電容來(lái)構(gòu)成定時(shí)電路或振蕩電路，從而能夠獲得更精確的定時(shí)時(shí)間和振蕩頻率。TLC555的最低工作電壓為2V,除了上述優(yōu)點(diǎn)外還具有低功耗、“軌對(duì)軌”輸出、輸出電流大、使用方便、低成本等特點(diǎn)，可以靈活應(yīng)用于各種電路。電路中TLC的第2引腳（觸發(fā)輸入端）和第6引腳（閾值輸入端相連），與外圍器件構(gòu)成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。電路工作時(shí)C1通過(guò)R1（由R1a和R1b串聯(lián)而成）和R2（由R2a和R2b串聯(lián)而成）充電，當(dāng)C1電壓升高到閾值電壓（約2Vdd/3）時(shí)內(nèi)部與閾值輸入端連接的比較器翻轉(zhuǎn)，在內(nèi)部邏輯電路的控制下C1通過(guò)R2放電，當(dāng)C1電壓降低到觸發(fā)電壓（約Vdd/3）時(shí)內(nèi)部與觸發(fā)輸入端相連的比較器翻轉(zhuǎn)，之后C1再通過(guò)R1和R2充電，不斷重復(fù)以上過(guò)程。TLC555的第3引腳（輸出端）在C1充電過(guò)程中輸出高電平，在C1放電過(guò)程中輸出低電平，C1不斷充電和放電，在第3引腳就等到了方波。高電平和低電平持續(xù)的實(shí)間以及方波的頻率可以通過(guò)下式計(jì)算：Th=C1（R1+R2）ln2Tl=C1R2ln2F=1/（Th+Tl）=1/(C1(R1+R2)ln2)式中，Th為高電平持續(xù)時(shí)間；Tl為低電平持續(xù)時(shí)間；f為方波的頻率。由于實(shí)際的TLC555電路內(nèi)部存在傳播延遲和導(dǎo)通電阻，所以以上各計(jì)算結(jié)果均為近視值。按圖示電路連接的參數(shù)時(shí)，在25攝氏度的環(huán)境下0~100%RH的濕度對(duì)應(yīng)的輸出方波的脈沖頻率的典型值為7351~6033Hz。濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路也可以用HUMIREL的濕度傳感器模塊HF3223代替。HF3223的電路結(jié)構(gòu)與上述電路類似，它采用HS1101與ＣＭＯＳ反相施密特觸發(fā)器HEF40106（CD40106）構(gòu)成振蕩電路，將濕度的變化轉(zhuǎn)換為輸出脈沖頻率的變化。HF3223輸出脈沖頻率和濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系與上述電路有所不同，使用時(shí)程序要做適當(dāng)修改。單片機(jī)及其顯示電路單片機(jī)選用AT89C51，是我們所常見(jiàn)的單片機(jī)。濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖送入單片機(jī)定時(shí)器1的外部輸入口P3.5/T1，單片機(jī)利用內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。2位數(shù)碼管采用掃描方式驅(qū)動(dòng)，占用9個(gè)I/O口。第四章軟件設(shè)計(jì)本濕度計(jì)的程序主要包括主程序、定時(shí)器0溢出中斷服務(wù)和數(shù)碼管顯示這幾部分。具體程序可見(jiàn)附錄。第五章調(diào)試調(diào)試前先對(duì)照原理圖檢查一遍電路，確認(rèn)無(wú)誤后即可通電。上電后第一個(gè)測(cè)量周期數(shù)碼管沒(méi)有任何顯示，約1秒后數(shù)碼管開(kāi)始顯示濕度值。將電路放到不同的濕度環(huán)境，讀書(shū)應(yīng)有所變化。業(yè)余條件下改變濕度最簡(jiǎn)單的辦法就是對(duì)著濕度傳感器呼氣，呼氣后數(shù)碼管顯示的濕度值應(yīng)迅速增大，由此可以判斷電路工作基本正常。在正常溫度和濕度的環(huán)境下如果數(shù)碼管始終顯示“——”則一般是濕度——頻率轉(zhuǎn)換電路連接有錯(cuò)誤或器件參數(shù)有問(wèn)題。用示波器測(cè)量U2的第3引腳波形，如果無(wú)脈沖輸出或脈沖不在7351——6033Hz的范圍內(nèi)，則要仔細(xì)檢查電路并調(diào)整器件參數(shù)，必要時(shí)更換器件；如果脈沖正常則要一步一步檢查程序中計(jì)數(shù)值與濕度值的對(duì)照表是否有誤以及定時(shí)時(shí)間是否準(zhǔn)確。第六章總結(jié)制作這樣一款電子濕度計(jì)放在桌面前能夠隨時(shí)了解環(huán)境濕度的改變以及氣候變化的趨勢(shì)，指導(dǎo)人們調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，從而是生活更舒適、更科學(xué)。本濕度計(jì)外觀結(jié)構(gòu)很獨(dú)特，他同時(shí)也是一件非常別致的擺設(shè)。我們同時(shí)還可以根據(jù)自己興趣改變PCB的布局，將濕度計(jì)設(shè)計(jì)成懸掛式、水平安裝式等結(jié)構(gòu)；也可以采用LED顯示，用電池供電，制作成便攜式濕度計(jì)。同時(shí)還可以去掉數(shù)碼管電路板，單獨(dú)將主電路板作為1個(gè)濕度測(cè)量模塊嵌入其他需要濕度顯示、濕度控制電路中使用。采用HS1101設(shè)計(jì)的濕度測(cè)量電路是一款低成本方案，但其同時(shí)也存在著一定的測(cè)量誤差，但用于一般家庭或其它要求不高的場(chǎng)合其準(zhǔn)確度就已經(jīng)足夠了。如果有更高的要求，可以選擇性能更好的濕度傳感器來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以通過(guò)溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)、標(biāo)定來(lái)進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。通過(guò)此次制作，使我拓寬了自己的知識(shí)面，學(xué)到了很多以前自己不懂得知識(shí)，同時(shí)也掌握了一些單片機(jī)引腳的使用方法，對(duì)其有了一定程度上的感性認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，在制作的過(guò)程中遇到了許多的困難，這主要還是和我的知識(shí)不夠全面和不夠細(xì)心所造成的，在此過(guò)程中給了我很多的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)我學(xué)會(huì)了在遇到困難時(shí)要迎難而上，而不是自我退縮，自我否認(rèn)，同時(shí)在此還要感謝各位學(xué)長(zhǎng)的悉心指導(dǎo)，這才使得我能夠成功完成電子濕度計(jì)。參考文獻(xiàn)：1、《創(chuàng)意電子設(shè)計(jì)與制作》劉寧著；2、《單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)》周興華著；3、《單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)教程與實(shí)踐》夏路易著；4、《51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用開(kāi)發(fā)》胡杰吳磊趙鳴著；5、上網(wǎng)查找資料。附錄1:C語(yǔ)言程序代碼#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDS1=P3^3;sbitDS2=P3^4;uintnum=0,counterTH1,counterTL1,f,sum;ucharcodetable[]={0x88,0xeb,0xc4,0x94,0xb2,0x91,0x81,0xbc,0x80,0x90,0xdf};voiddelay(uintk);//聲明延時(shí)子函數(shù)voidinitial();//聲明初始化子函數(shù)voidtranslate();//聲明頻率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)碼管數(shù)字voiddisplay();//聲明初始化數(shù)碼管顯示內(nèi)容子函數(shù)voidinitial(){ 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