濕度檢測電路設(shè)計報告

濕度檢測電路的設(shè)計報告一．設(shè)計要求電路能檢測（35%—85%）RH/oC的濕度值，精度約為4.0%。用RH濕敏電阻H104R。用熱敏電阻RT進行補償?？傮w設(shè)計畫出原理框圖。單元電路設(shè)計。原理圖設(shè)計并繪制原理圖。利用仿真軟件進行電路仿真，列出原件明細表。撰寫電路說明書。二．設(shè)計的作用及目的實踐所掌握的電子制作技能。會運用EDA工具對所作出的理論設(shè)計進行模擬仿真測試,進一步完善理論設(shè)計。通過查閱手冊和文獻資料,熟悉常用電子器件的類型和特性,并掌握合理選用元器件的原則。掌握模擬電路的安裝、測量與調(diào)試的基本技能熟悉電子儀器。分析實驗中出現(xiàn)的正常或不正?，F(xiàn)象（或數(shù)據(jù)）獨立解決調(diào)試中所發(fā)生的問題。學(xué)會撰寫課程設(shè)計報告。培養(yǎng)實事求是,嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴肅的工作作風(fēng)。通過本課程設(shè)計的教學(xué)訓(xùn)練，使學(xué)生掌握電路原理圖的設(shè)計方法，掌握電路板的繪制方法和技巧。培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平。為學(xué)生將來就業(yè)于電子類技術(shù)崗位打下扎實的基礎(chǔ)。鞏固所學(xué)的相關(guān)理論知識。1.系統(tǒng)概述濕敏電阻是最常見，價格也是最低的一種傳感器之一。下面介紹利用濕敏電阻及相應(yīng)的外圍的設(shè)計而形成的相對濕度測量儀。本儀器采用溫度補償，非線性補償和濕度校準等各項技術(shù)，實現(xiàn)了電路的優(yōu)化設(shè)計。測量范圍是在35%RH—85%RH,測量精度為4%。該相對濕度測量儀點路況圖如下圖所示：圖1：濕度測試電路框圖該電路的電源電壓為土12V,振蕩電路的振蕩頻率為lKHz。傳感器線性補償由三個電阻的串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成而且對輸入信號有很大的控制范圍。RH濕敏電阻Hl04R的溫度系數(shù)為0.7%RH/°C。常用熱敏電阻RT為溫度補償電路。它和后級的溫度放大電路是同時取出相應(yīng)的溫度輸出信號?？蓪穸葌鞲衅魅〕龅男盘柦?jīng)也放大，并與熱敏電阻的溫度信號一起經(jīng)過合成后輸出相應(yīng)的濕度信號。采用這種電路能檢測(35?85)%RH/°C的濕度值，精度約為土4.0%。電路中，U為輸出的相應(yīng)的濕度信號，U0102為輸出的相應(yīng)的溫度信號。濕敏電阻只能在交流信號下工作，即采用正弦信號來驅(qū)動濕敏電阻。即選用頻率為1000Hz。電壓為4.5V的正弦信號。其其輸出信號不包含直流分量。解決負系數(shù)熱敏電阻的熱敏電阻的非線性采用了熱敏電阻和溫度系數(shù)很小的電阻并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)路代替單個熱敏電阻，其等效電阻與溫度陳線性關(guān)系。等效電阻，可知R與TrRCT的關(guān)系曲線比較平坦，因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性。利用濕度校準電路和溫度補償電路對35%RH、85%RH倆點進行校準。對電路整體進行調(diào)試：①調(diào)節(jié)電位器R5，使A］的振蕩電壓為4.5V;②用20kQ假電阻替換熱敏電阻RT;③用68kQ假電阻替換濕度傳感器H104R，調(diào)節(jié)電位器R，使U輸出為4.0V;④2601將68kQQ假電阻，調(diào)節(jié)電位器R，使?jié)穸容敵鯱為8.0V;⑤1801重復(fù)③、④步驟2-3次，將電位器固定，濕度輸出U為4.0V和018.0V，再將假電阻換成濕度傳感器和熱敏電阻進行以下調(diào)整：⑥將傳感器置于40%RH大氣中15min,調(diào)節(jié)R，使U為4.0V，再2601將傳感器置于80%RH大氣中15min,凋節(jié)R，使u為8.0V，反1801復(fù)調(diào)節(jié)2一3次即可。2.單元電路設(shè)計、仿真與分析（1）直流穩(wěn)壓電源單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。電路圖2所示。lOQnFlOQnFa電源變壓器可通過降壓變壓器實現(xiàn)。b整流部分采用橋式整流，可采用4個整流二極管接成橋式,也可采用二極管整流橋堆。c濾波電路在電流輸出不大的情況下一般選用電容濾波即可。d三端集成穩(wěn)壓器有固定輸出和可調(diào)輸出兩種。由于課題要求的輸出電源都是固定的，所以穩(wěn)壓部分選用輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器。元件參數(shù)的選擇：整流部分二極管的選擇：在單項橋式整流中。設(shè)負邊電壓為

u={2Usinwt (1-1)22U為其有效值12V。由整流的特點可知：輸出電壓平均值21TOC\o"1-5"\h\zU =-i\：：2Usinwtd(wt) (1-2)O(AV)兀0 2可得:U =^；2U2沁0.9U (1-3)O(AV) 兀 2輸出電流的平均值(即負載電阻中的電流平均值):U 0.9U1-4)I =―O(AV)沁1-4)O(AV)R RLL在整流二極管的選擇中,二極管承受的最大反向電壓1-5)U=^21-5)Rmax 2考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍為±10%,在實際選用二極管時,應(yīng)至少有10%的余量，選擇最大整流電流I和最高反向工作電壓FUrm分別為TOC\o"1-5"\h\z1.1I 邁U / 、I> O(AV)=1.1 2 (1-6)F 2 兀RLU >1.1邁U (1-7)RM 2濾波部分的電容的選擇：由熱敏電阻的補償電路特點可知負載電流的平均值為I =100mA、輸出平均電壓為U =12V。L(AV) O(AV)C的取值滿足RLC=RLC=(3~1-8)的條件。R一"o(AV)—―12一Q—1200 (1-9)LI 100X10-3L(AV)電容的電容量為1-101-10)C—(3~5)20X10-3 12120電容的耐壓值為U>1.K2U2—1.1\2x12沁18.7V (1-11)實際可選電容容量為470rf、耐壓為25V的電容為本電路的濾波電容。集成穩(wěn)壓器的選擇：表一：三端穩(wěn)壓器性能指標參數(shù)測試條件W7812輸入電壓U[(V)+15?+25V輸出電壓Uo(V)I0=500mA+12V電壓調(diào)整率Sv(V)U［?電流調(diào)整率S[I:10mA?1.5Ao<0.1%負載電流I0(A)U［?顯然，由表1可知，所選的W7812三端集成穩(wěn)壓器滿足課題技術(shù).

直流穩(wěn)壓源的Multisim模擬仿真如下圖3所示:圖3：直流穩(wěn)壓電路仿真結(jié)果圖RC正弦振蕩電路正弦波振蕩電路必須由以下四個部分組成：放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。如圖4所示:Key=A圖4：RC正弦振蕩電路圖工作原理：由RC串聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和同向比例運放電路所構(gòu)成的RC橋式正弦波振蕩電路如圖4所示。觀察電路,負反饋網(wǎng)絡(luò)的R、R、R，12 5以及正反饋網(wǎng)絡(luò)中的心和C并聯(lián)的R和C各位一臂構(gòu)成橋路。3 1 4 2集成運放的輸出端和“地”接橋路的倆頂點作為電路的輸出;集成運放的同向輸入端和反向輸入端接另外倆個頂點，是集成運放的凈輸入電壓。正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓U是同向比例運算電路輸入電壓,f因而要把同相比例運算電路作為整體看成電壓放大電路，他的比例系數(shù)是電壓放大倍數(shù)，根據(jù)起振條件和復(fù)制平和條件A=-A=-U^=1+R+R5>3 (2-1)u.UpR1R+R>2R2 5 1(2-2)R2+々的取值要略大于吟應(yīng)當指出’/J具有良好的線性關(guān)系，所以為了穩(wěn)定電壓的幅值，一般在電路中加入非線性環(huán)節(jié)。在R+R回路中串聯(lián)的二極管，利用電流增大時二極管的25動態(tài)電阻減小、電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特點。當U因0某種原因而增大時，流過R+R上的電流增大，R上消耗的功率2 5 1隨之增大，導(dǎo)致溫度升高，因而R的阻值增大，從而使得A數(shù)1u值減小，U也就隨之減小；當U因某種原因而減小時，各物理00量變化與上述變化相反，從而可達到輸出電壓穩(wěn)定。在二級管加入的非線性環(huán)節(jié)，此時比例系數(shù)為2-3).R+R+r2-3)=1+T5 duR1元件參數(shù)的選擇：因為濕敏電阻的工作要求產(chǎn)生頻率為1KHZ，電壓為4.5V的正弦波電壓。故有1f二二1000 （2-4）0 2兀RC再根據(jù)實際條件可知道R=R=160000、C二C二10nF3 4 1 2

R=R=10000Q之間。12RC正弦振蕩電路Multisim模擬仿真如圖5所示:會萬用表-XMM1圖5：RC正弦振蕩電路仿真結(jié)果圖對濕敏電阻的線性補償電路濕敏電阻的線性補償是利用與其它濕度系數(shù)小的電阻進行串并聯(lián)來實現(xiàn)的。電路圖如圖6所示：

R1*—R1*—30kn 1JI Ar215kn1MQ41RH68kn圖6：濕敏電阻的線性補償電路濕敏電阻的線性補償電路是整個電路的最重要的變量控制器。那么就要有有較大的控制范圍，即在輸入端電壓大小為4.5V頻率為lKHz的定量輸入信號的情況下，那么在改變電阻RH時要有較大的電壓輸出范圍。由圖可得輸出電壓的大小為=4.5x2 3=4.5x2 3RH(3-1)由式(3-1)可知。要有較大的控制范圍則需要R適中，R取一12個比較大的阻值而R是一個相對較小的電阻。在選取阻值大小時3也要結(jié)合實際的成本等問題。故選擇R二3OK0,R二1MQ,R二15KQ。即u的輸出范圍是1.9?3.2V。1 2 3 0跟隨隔離電路該跟隨器在電路中起到隔離緩沖的作用。電路圖如圖7所示:根據(jù)“虛短”和“虛斷”可得TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"u二u (4-1)-0u=u (4-2)-+u=u (4-3)Pi由式(4-1)(4-2)(4-3)可得：u=u (4-4)0i故輸出電壓等于輸入電壓。這種放大電路中輸出與輸入的相位相同。故電壓放大率為1。但電流放大率大于一，理想跟隨器的輸入阻抗無限大，輸出阻抗為零。元件參數(shù)的選擇0，輸出電阻為400，帶寬為600MHz，轉(zhuǎn)換速率為2000V/rs。即符合電路的要求。隔離跟隨電路的Multisim模擬仿真如圖8所示：

圖8：跟隨隔離電路仿真圖溫度補償電路溫度補償電路是一個可調(diào)輸入大小的同相比例運算電路,電路圖如圖9所示:圖9：溫度補償電路圖

工作原理:電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，故可認為輸入電阻無窮大，輸出電阻為零。即使考慮到集成運放參數(shù)的影響，輸入電阻也可達到1090以上。如下圖10所示為同相比例運算電路原理圖。圖10：同向比例運算原理圖根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運放的凈輸入量為零,即u=u=u (5-1)- +I說明集成運放有共模輸入電壓。凈輸入電流為零，因而i二i即:IF(5-2)(5-3)u—0u—u(5-2)(5-3) 二 RR1 FR、=(1+—^)uR+1由上式可得:Ru二(1+—)u (5-4)0 RI1有電路圖可知輸入電壓為2.6V?3.3V之間，即可實現(xiàn)在不同溫度下對電路實行不同電壓的線性補償。假設(shè)濕敏電阻在25oC的情況下工作，熱敏電阻的阻值為2OK0，由式(5-4)可知該運放的放大倍數(shù)為5.45倍。下圖為25oC的情況下的溫度補償電路輸入與輸出電壓Multisim模擬仿真如圖11所示：圖11:25oC情況下溫度補償電路仿真圖差模放大電路濕敏電阻在正弦信號的驅(qū)動下經(jīng)過跟隨器、整流濾波電路所產(chǎn)生的直流信號和溫度補償電路產(chǎn)生的直流補償信號可經(jīng)過差模放大電路疊加到一起來實現(xiàn)對濕度的精確測量。因為濕敏電阻H104R在濕度增加的過程中濕敏電阻的阻值是在

減小的。在該電路中當R104H電阻減小流過的電流增大即該電阻的做工增多溫度增高，H104R在相同的濕度下當溫度升高時電阻也是減小的，故選用差模放大電路來進行溫度補償。電路圖如圖12所示：工作原理：從對比例運算電路和就和運算電路的分析可知，輸出電壓與同相輸入端信號電壓極性相同，與反相輸入端信號電壓極性相反，因而如果多個信號同時作用與兩個輸入端時，那么必然可實現(xiàn)差分比例運算。如下圖13所示為運算原理圖。 11 11 ?!<>一1A砧一1_R|圖13：差分比例運算原理圖（（6-1）（6-2）（6-3）（6-4）（6-5）6-6）在理想條件下，由于“虛斷”R'U― FU+R+R1R1FRU=FU+ 1U-R+RIR+Ro1F 1F由于“虛短”，u+=u-所以R R RrFU+ 1U=FUR+RiR+Ro R'+RiTOC\o"1-5"\h\z1F 1F 1F電壓傳輸關(guān)系為U' U\o"CurrentDocument"U=R（1一 _L）0FR' R11元件參數(shù)的選擇：根據(jù)濕敏電阻H104R具有0.7%RH/oc溫度系數(shù)。故R是R的1.212倍，為了不超過集成運放器的最大輸出電流兩點組應(yīng)該選千歐級的電阻。故選R=120KQ,R=100KQ,為了不產(chǎn)生較大的放大12電壓影響下一級的集成運放器正常工作，即不能有大的放大倍數(shù)。所以選擇R3=100K0。在差分放大電路中有6-7）6-7）=+—-RRRR4 1 3 2即R=120KQ。4差分放大電路輸入與輸出Multisim模擬仿真如圖14所示:

圖14：差模放大電路圖仿真圖濕度校準電路濕度校準電路圖是一個可調(diào)放大倍數(shù)同相比例運算電路。電路圖如圖15所示：圖15：濕度校準電路工作原理、電路仿真結(jié)果與溫度補償電路的工作原理、電路仿真類似。參考上文溫度補償原理的介紹和電路仿真結(jié)果。3.PCB版電路制作（1）簡單原理圖設(shè)計創(chuàng)建一個新的設(shè)計文件管理庫裝入所需的元件庫（2）繪制電路圖打開有關(guān)工具欄原理圖文檔參數(shù)設(shè)置放置組件連接元器件放置電源部件放置電氣連接點放置電路I/O端口放置網(wǎng)絡(luò)標號放置總線3）網(wǎng)絡(luò)表文件輸出電路圖檢測正確與否由原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表生成元件列表4）元件封裝加載網(wǎng)絡(luò)表與元件加載元件封裝庫檢測元件封裝名正確與否，裝入網(wǎng)絡(luò)表和元件（5）元件布局元件的自動布局手工調(diào)整原件布局（6）自動布線①設(shè)置工作層面②自動布線參數(shù)設(shè)置自動布線（7）手工調(diào)整（8）輸出PCB電路板如下圖16所示為電路的PCB電路板□□_ILn:廿AN□_L*n-?□nnd_l?-I.—:-hr*??flu*

□□_ILn:廿AN□_L*n-?□nnd_l?-I.—:-hr*??flu*

ndnu□口nunsH-「s口r~|insTJ_unun-?丄一UTIT*mnuoLll-..nu*_u□圖16：濕度檢測電路PCB電路板四.心得體會及建議對于本次課程設(shè)計基本上達到了課題的要求。因為在該電路中用到了濕敏電阻R104H和熱敏電阻RT。因為它們同屬于傳感器一個類型，實際中的電性特點和Multisim模擬仿真中的理論電阻值是有很大的差別。這就是我們沒有在Multisim模擬仿真中做出理想的結(jié)果的主要原因。但是我們對每一個模塊的分析還是分析的非常的透徹的。其中有直流穩(wěn)壓電源、RC正弦振蕩電路、對濕敏電阻的線性補償電路、跟隨隔離電路、溫度補償電路、差模放大電路、濕度校準電路。在這些模塊分析中感到最困惑的就是元器件的選擇和參數(shù)的確定。因為我們是第一次進行課程設(shè)計，也就是說第一次考慮接近實際的情況。在實際中選擇最合適電路阻值元件不是最好的選擇，因為要考慮到該元件的成本問題，比如說在電路中需要一個無窮大的電阻，但我們平時選擇兆歐級的電阻。還有每一級運算產(chǎn)生的誤差分析。都是和純粹理論有區(qū)別的。在本次課程設(shè)計中最主要應(yīng)用的是關(guān)于集成運放的相關(guān)知識，而且對其中的同相比例運算器、跟隨器、差分放大器等在電路中應(yīng)用很廣泛。而且還應(yīng)用了對非線性電阻線性化的知識。在本次課程設(shè)計中遇到了多個變量控制輸出結(jié)果時，在思維方法上應(yīng)用了控制變量法思路進行分析問題的。通過這幾周的課程設(shè)計，我對一些專業(yè)知識和電子設(shè)計有了更深的了解，同時也嘗試著去應(yīng)用自己的所掌握的知識。本次電子課程設(shè)計主要是對本學(xué)年學(xué)習(xí)的模擬電子技術(shù)的應(yīng)用，同時加上電路等知識，設(shè)計一些課題。經(jīng)過幾天的奮戰(zhàn),我感受很深。電子課程設(shè)計不僅給我們提供了一個很好的展現(xiàn)應(yīng)用自己所掌握的知識的平臺,又是檢驗自己所學(xué)知識的一次考核。我們運用各自在各方面的優(yōu)勢中和起來,形成了一個團隊。通過團隊力量,才使設(shè)計得以完成。