基于89C51单片机控制的 智能湿度控制系毕业设计

摘要

随着科技的发达，以及人民生活水平的提高，人民室内生活环境不断改善，出现了空调、智能温度器、室内净化器等一系列改善人民生活条件的高科技产品。然而这并不能满足人民越来越高的生活需求，有些人提出了湿度的要求，本设计就在此基础上，设计一种基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统。

此系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。

通过对基于单片机的相对湿度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术的了解，巩固对单片机知识的掌握，并系统的复习本专业所学过的知识。

关键词：湿度检测，对数放大，湿度调节，温度补偿

Abstract

With the development of science and technology, the improvement of and the living standards of the people, the people are improving constantly in indoor living environment, the air conditioner , intellectual temperature device , high-tech products of such people's living conditions of a series of improvement as the purifying device ,etc. in the room have appeared. But this can not meet higher and higher life demands of people , some people propose the demand for the humidity, this text is just on this basis, design one on the basis of intellectual humidity control system which 89C51 MCU controlled.

This system has adopted the accurate measuring circuit (is it blow accurate symmetrical square wave generator , logarithm enlarge and halfwave rectifier , temperature compensation , temperature correct and strain wave circuit odd parts of circuit not to make up automatically to wrap up), can measure the relative humidity of the surrounding air automatically and accurately , and after measuring the data and changing through A/D, send it in the processor (AT89C51 ), Then through the programming of the software, after changing the value of relative humidity of the environment at present into the decimal digit, and then in charge of the number to show; And, through software programming, in addition, corresponding control circuit (such some circuit as photoelectric coupling and relay ,etc. make up ), design the relative humidity of the present environment of regulation that can be automatic: When the indoor air humidity is too high, the control system starts the exhauster automatically, reduce the vapor in the indoor air, in order to achieve the goal of reducing air humidity; When the indoor air humidity is too low, the control system starts the steam engine automatically, increase the vapor of the air , in order to achieve the goal of increasing humidity , makes the air humidity keep at ideal state; The initial value of the humidity that the keyboard is set up and adjusted, in designing a course in addition, have considered the anti-interference of the processor, monitored the circuit after putting into the MCU.

Through designing the controller of relative humidity based on one-chip computer , strengthen the knowledge of the technology of the sensor and detection technique, the ones that consolidated to knowledge of the one-chip computer were mastered, and the systematic knowledge that a speciality has been studied of review. Keyword: humidity detection, logarithm is enlarged, humidity control and humidity

regulation, temperature compensation。

目录

摘要.............................................................. I Abstract ........................................................... I I 绪言. (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 课题研究的目的和意义 (1)

1.3 国内外发展状况 (1)

2 系统设计方案的研究 (3)

2.1 系统的控制特点与性能要求 (3)

2.1.1 系统控制结构组成 (3)

2.1.2 系统的性能特点 (3)

2.2 系统的设计原理 (3)

2.3.1 湿度测量的名词术语 (4)

2.3.2 湿度检测方案分析 (5)

3 系统的结构设计 (8)

3.1 电源电路的设计 (8)

3.2 相对湿度电路的设计 (9)

3.2.1 相对湿度检测电路的原理及结构图 (9)

3.2.2 湿敏电阻传感器 (11)

3.2.3 精密对称方波发生器 (12)

3.2.4 对数放大器及相对湿度校正电路 (12)

3.2.5 断点放大器 (13)

3.2.6 温度补偿电路 (13)

3.2.7 相对湿度检测电路的调试及校正 (14)

3.3 转换模块的设计 (14)

3.3.1 模数转换器接受 (14)

3.3.2 A/D转换器ICL7135 (15)

3.4 处理器模块的设计 (16)

3.4.1 单片机AT89C51简介及应用 (16)

3.4.2 单片机与ICL7135接口 (20)

3.4.3 处理器的功能 (20)

3.4.4 CPU 监控电路 (20)

3.5 湿度的调节模块设计 (20)

3.5.1 湿度调节的原理 (20)

3.5.2 湿度调节的结构框图 (21)

3.5.3 湿度调节硬件结构图 (21)

3.5.4 湿度调节原理实现 (21)

3.6 显示模块设计 (22)

3.6.1 LED显示器的介绍 (22)

3.6.2 单片机与LED接口 (23)

3.7 按键模块的设计 (23)

3.7.1 键盘接口工作原理 (24)

3.7.2 单片机与键盘接口 (24)

3.7.3 按键产生抖动原因及解决方案 (24)

3.7.4 窜键的处理 (25)

4软件的设计及实现 (26)

4.1 程序设计及其流程图 (26)

4.2 程序流程图说明 (27)

5 总结与展望 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

附录 (32)

绪言

1.1 课题背景

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系[1]。因此，用常规的方法测量湿度的误差可达±5%～±20%，此外，湿度的校准也是一个难题[2]。过去用干湿球度计或毛发湿度计来测量、通过查表得到湿度的方法[3]，早已无法满足现代科技发展的需求。干湿球湿度计和普通的湿度计并能用做标定，就是因为标定后的精度无法保证。湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如过生产的MC741—HP型湿度校准仪），价格又十分昂贵。本设计就是在此基础是，提出一种基于AT89C51单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法[4]。

1.2 课题研究的目的和意义

（1）讨论一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件呵环境因数的

作用以及湿度检测的精确性问题，。

（2）在湿度检测的基础上，简单了讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。

1.3 国内外发展状况

早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5％一7％RH。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。后来又出现了滴水法测量相对湿度[5]。而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标

准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％一3％RH。电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用[6]。

近年来，随着电子芯片集成化、小型化速度的加快以及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化[7]、多参数检测以及的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平[8]。

2 系统设计方案的研究

2.1 系统的控制特点与性能要求

2.1.1 系统控制结构组成

①湿度检测电路。用于检测空气的湿度[9]。

②微控制器。采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。

③电源温压电路。用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。

④键盘输入电路。用于设定初始值等。

⑤LED显示电路。用于显示湿度[10]。

⑥功率驱动电路（湿度调节电路）

图2.1 系统结构图

2.1.2 系统的性能特点

（1）自动检测室内空气的湿度。

（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系

统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空

气湿度保持在理想的状态[11]。

（3）数码管显示当前的湿度。

（4）键盘设置及调整湿度的初始值。

2.2 系统的设计原理

该湿度控制系统由湿度检测电路[12]、CPU 监控电路、显示电路、A/D 转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器AT89C51 是整个系统的控制核心，它的原理电路如图l 所示。工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后，送到处理器AT89C51中，然后处理器通

过软件的运行，将当前湿度信号通过LED 显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内[13]。假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使P2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P2.7输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度[14]。

2.3 系统实现方案的分析

2.3.1 湿度测量的名词术语

湿度：湿度是表示空气中水蒸气的含量。湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。 绝对湿度：绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式

16.2736.217+==ab v T p v m d （2.1）

式中,dv 代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；p 为水蒸气的压强(单位是Pa)；Ｔab 为干燥空气的温度值（单位是℃）．需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。

相对湿度：相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数来表示。相对湿度的英文缩写为ＲＨ(Relative Humidity)，有公式：

%100)

()(21?=T P T p RH （2.2） 式中，p1(T)代表温度为Ｔ时的水蒸气压强，p2(T)表示在温度Ｔ下的饱和压强。显然，相对湿度是压强和温度的函数。

露点：在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水蒸气开始凝结。湿度比：它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。

大气压强：在单位面积上大气的压力。通常将海平面高度的大气压强称为１个标准大气压，p0=101.325Pa 。大气压强随高度的增加而降低。设Ａ、Ｂ两点的高度差h2-h1=h,这两点的大气压强分别为p1,p2。有公式

)l g (184002

112p p h h h =-= （2.3） 当距海面高度为1000M 、2000M 、4000M 、8000M 时，大气压强就依次降成 0.88p0﹑0.78p0、16p0﹑0.37p0。

水蒸气压强：当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强就称做水蒸气压强。其计算公式比较复杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同。

2.3.2 湿度检测方案分析

① 干湿球湿度计

干湿球湿度计又亦称干湿计。它是基于水在蒸发过程中会吸热降温、并且降温的多少（即蒸发速度）与空气的相对湿度有关的原理制成的。其构造是使用两只温度计，将其中的一只支温度计的球部用白纱布包好，将纱布的另一端浸在水槽中，利用毛细现象使纱布经常保持湿润，此即湿球。另一支温度计直接暴露在空气中，谓之干球，用于测量环境温度。若空气中的水蒸气未达到饱和状态，则湿球的表面不断蒸发水气，因此湿球所指示的温度要低于干球所示的温度，并且空气愈干燥（即湿度越低），蒸发速度越快，湿球与干球的温差也越大。反之，当空气中的水蒸气呈饱和状态时，水分便不再蒸发，湿球与干球所示的温度就会相等。 使用干湿球湿度计时，应将它放在距地面1.2～1.5m 的高度上，分别读出干湿球所指示的温度差，再从刻度计所附的温差与湿度对照表中查出当时空气的相对湿度。例如，假定干湿球温度计所示的温度为22℃，湿度计温度计所示的温度为16℃，两球的温度差是6℃，可首先在表中所示温度一行找到22℃，然后在温差一行找到6℃，再把22℃横向与6℃，竖行对齐，找到数值54，就表示被测相对湿度为54％。

由于湿球所包纱布水分蒸发的快慢不仅和当时的空气有关，还与空气的流动速度有关，因此干湿度球湿度计所附的对照表仅使用于定向的风速，不能任意应用，干湿球温度计的优点是成本低廉，缺点是不能直接读出结果并且测量误差较大。 ② 毛发湿度计

人的头发有一种特性，它吸收空气中的水蒸气的多少是随着相对湿度的增大而增加的，而毛发的长短又与它所含的水分多少有关。基于这一原理制成毛发湿度计。预先用酒精将毛发洗净，除去油脂与污垢，再以10根毛发为一束装到容器中。一种方法是利用杠杆的原理将毛发的伸缩量进行扩大后，带动指针在刻度板上指出相对湿度值。另一种方法是将头发的一端固定，另一端挂一个小砝码，为能看清楚头发长短的变化的情况，将头发绕过滑轮，在滑轮上安装一个长指针。在砝码重量的作用下，头发被紧紧地压在滑轮上。当头发伸长时，滑轮就按照顺时针方向转动，带动指针沿弧形向下偏转，而当头发缩短时，指针则向上偏转。进行标定时，要将空气完全干燥时指针所指位置定为100％。最后用干湿球湿度计进行校正，并绘出刻度线，即可直接测出空气的相对湿度了。毛发湿度计的优点是构造简单，使用方便，缺点是准确度低。

（2）湿敏元件的特点计产品分类：

湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。2.3.1湿敏电阻[15]

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度，湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。以国产SM—1型硅湿敏电阻为例，其相对湿度的测量范围是（1%~100%），测量精度为±4%。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线行度和产品的一致性差。

2.3.2湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酸醋酸纤维等。当环境温度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量（简称湿滞）小、便于制造，容易实现小型化和集成化。其精度一般比湿敏电阻要低一些，国外生产湿敏电阻的主要厂家有哈米瑞尔（Humirel）公司、飞利浦(Philips)公司、西门子(Siemens)公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH 时的电容量是180 pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163 pF~202 pF 。温度系数为0.04 pF /℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变震荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差。在检测环境温度变化时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染二影响其测量精度及长期稳定性。

基于湿敏电阻的相对湿度检测电路的设计

湿敏电阻是最常见，价格耶是最低廉的一种湿度传感器，但其线性度差，必须采取补偿措施。下面介绍利用湿敏电阻及相应的外围电路设计而成的相对而成的相对湿度检测电路，该电路采用非线性补偿、温度补偿和湿度校正等项技术，实现电路的优化设计。测量相对湿度的范围为0~100%，测量精度为±2%，分辨率可达0.01%。

另外也出现了光纤湿度敏感元件[16]及其他高分子聚合物，甚至神经网络湿敏元器件。

3 系统的结构设计

3.1 电源电路的设计

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：1、定性好，2、输出电阻小，3 、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。

我设计的稳压电源是以78XX 和79XX 系列稳压器为基础的，这类电源能够产生±5V ，±15V 。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V 转换为20V ），然后通过78XX 和79XX 稳压器，达到设计要求。首先来介绍一下78XX 和79XX 的基本情况。78XX 和79XX 系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX 系列为正电压输出稳压器，79XX 系列为负电压输出稳压器。除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX 系列为例进行介绍。型号78XX/79XX 系列中的XX 数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以V 为单位，例如：7805表示输出正电压为+5V ，7924表示输出负电压-24V 等。有5V ，6V ，9V ，12V ，15V ，18V ，24V 等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。此外，型号中还有英文字母：数字前面的字母如LM78XX 等，通常表示生产厂家，LM 表示美国MULB 公司。中间的字母如78LXX 等，通常表示电流等级，L 表示的是小电流（100mA ），M 表示中电流（500 mA ）。图3.1示出了78XX/79XX 的管脚与封装形式，集成稳压作为稳压电源的一般接法如图3.2所示。

1.输入端，

2.输出端，

3.公共端

1.公共端，

2.输入端，

3.输出端

图3.1

图3.2 基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、、7812、7815、7905、7912、7915），按图3.3所示设计：

图3.3 C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长时可以不用，C1、C2一般在（0.1~1）μF ，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10μF 。

由此得到稳压电源的设计图

3.4

图3.4 电源电路图

在图中A 端输出+15V ，B 端输出+12V ，C 端输出+5V ，D 端输出-15V ，E

端输出-12V 、F 端输出-5V ，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、单片机电源、A/D 转换ICL7135、继电器的电源等。

3.2 相对湿度电路的设计

3.2.1 相对湿度检测电路的原理及结构图

（1）相对湿度检测电路框图如图3.5所示：主要包刮9部分：①精密对称方波

发生器；②湿敏电阻；③对数放大器（兼做半波整流）；④湿度校正电路及滤波器；⑤输出放大器；⑥断点补偿电路；⑦温度补偿电路；⑧+15V 稳压电源。

（2）该检测电路有下列特点：

①鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。

②为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管（VT1）和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化，

③利用湿敏校正电路对40%RH 、100%RH 两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0～10V ，所对应的相对变化范围是（0～100%）RH 。 ④输出信号送至2

14位A/D 转换器，通过ICL7135A/D 转换将模拟量转换位BCD 码送至微处理器进行数据处理。

⑤利用断点放大器专门对40%RH 以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信号尽可能呈线性。

⑥利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。然后选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的变化而变化。

（3）相对湿度检测电路的工作原理 相对湿度检测电路如图所示：包刮一只PCRC —55型湿敏电阻和7片集成电路块。其中，IC1（IC1a~IC1b ）采用以结型场效应管（JEFT ）为输出级的四运放LF347。 IC2为三端可调式集成恒流源LM334。IC3（IC3a~IC3b ）为宽带JFET 输入的双运放LF353。 IC4为6.95V 精密基准电压LM329。IC5为低压音频放大器LM389。IC6为+12V 输出的三端集成稳压器7812。IC7为1.2Ｖ基准电压源LM385。除了IC5选用+12V 的电源，其余芯片均用+15V 电源供电。VD1～VD7均采用1N4148型高速开关二极管。

图3.5 相对湿度检测电路结构图

VT1～VT3采用NPN型晶体管，下面分析各单元电路的工作原理。

3.2.2 湿敏电阻传感器

PCRC—55型湿敏电阻是用化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的，其电阻值（R）与相对湿度（RH）的响应曲线如图3.7所示，该曲线近似为指数曲线，当相对湿度从20%变化到100%时，电阻值就从1000MΩ迅速减小到35KΩ，电阻变化超过4个数量级。因此，构成相对湿度检测时必须进行线性化，才能获得线性输出电压，再送至4（1/2）DVM显示出相应的湿度值。PCRC—55的温度系数

为-0.36%RH/℃，精度为±1%。

3.2.3 精密对称方波发生器

精密对称方波发生器由运放IC1a(1/4LF347)、三端可调电流源IC2（LM334）和二极管 桥路（VD1～VD4）组成。利用二极管桥路和电阻R2、R3构成的正反馈电路使IC1a 产生震荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。R1为设定电阻（R SET ），取R1=15Ω时，可将LM334的输出电流限定在5mA 左右。利用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压Uo1的幅度限制在±8V 。用示波器观察对称方波发生器的震荡波形如图所示，震荡频率为100Hz 。图中的Uc1代表C1上的电压。由图可见，随着震荡电容C1不断进行充、放电，在Uo1端便形成了以零伏为对称轴的方波信号，其直流分量为零。R2、R3组成分压器，用于设定IC1的阈值电压（亦称门限电压），进而控制IC1a 的翻转状态。利用LM334的正温度系数（+0.33%/℃）去补偿热敏电阻的负温度系数（-0.36%/℃），实际温度系数仅为-0.33%/℃，它与传感器的±1%精度指标相比可以完全忽略不计。LM334的安装位置应尽可能靠近湿敏电阻。需要指出的的是，LM334既可以够成恒流源，还可作为电压灵敏度为227μV/K 的温度传感器使用，在这里只用其恒流特性，从而大大提高方波幅度的稳定性。

对称方波发生器输出的Uo1信号通过缓冲器（IC1b ）驱动湿敏电阻，再接至对数放大器IC1c 的反相输入端A 。A 点亦称为求和点或虚地点，该点的电位可视为0V 。设湿敏电阻R 上的电流I RH ,很容易求出

R

U I O RH 1= （3.1） 3.2.4 对数放大器及相对湿度校正电路

对数放大器由晶体管VT1和运放IC1c 构成。将VT1的基极接地，集电极接A 点（虚地）时，相当于把集电极与基极短接，VT1就等效于硅二极管。VT1的发射极电压（U BE ）与集电极电流（I C ）呈对数关系，其表达式为

S C t BE I I q K U ln ?= （3.2）

式中K 为波尔兹曼常数，K=8.63*10-5qV/K ，q 为电子电量（q=1.60219×10-19C ）,T 为热力学温度（K ），IS 为晶体管反向饱和电流。根据这一特性可设计成对数放大器，用来补偿湿敏电阻的的指数曲线，使之近似于线性关系。利用电路实现线性化的原理如下：

湿敏电阻的电阻值于相对湿度的关系式可近似表示为

R=Ae -RH （3.3） 式中的A 为一变量，RH 代表相对湿度（单位是%），令VT1发射极输出电压为UO2，显然，U O2=U BE 。考虑I C =I RH ，然后将式（3.1）和式（3.3）一并代

入式（3.2）中，化简后得到

RH R U q Kt U U O BE O ??==12ln （3.4）

不难看出，U O2与相对湿度成正比，这就实现了对湿敏电阻的线性化。 在方波信号的正半周，U O1=+8V ，使VD5截止，UO1途径湿敏电阻、求和点A ，接VT1的集电极，再利用电路中的VT1对IRH 求对数。因IC1C 作为反向放大器使用，故UO2输出的是负向方波信号。在负半周时，UO1=—8V ，使VD5导通，对数放大器不工作，因此，对数放大器兼有半波整流作用。

U O2送至IC 1d 的反相输入端。由IC 1d 和电位器RP1、RP2组成的相对湿度校正电路。其中，RP1用以校正40%RH 的刻度，RP2则用来校正100%RH 的刻度。校正后的信号通过滤波电容（C3）得到直流信号，再经过输出放大器IC3a(1/2lf352)放大，获得0～+10V 的输出电压。

3.2.5 断点放大器

所谓“断点”（break point ）就是指40%RH 这一点。由图4.2.3可见，PCRC —55型湿敏电阻在RH ≦40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况可通过断点放大器再做一次局部线性化处理。断点放大器（IC3b ）就并联在输出放大器（IC3a ）的两端。当RH ≦40%时，利用IC3b 可以改变IC3a 的增益，使相对湿度曲线在0～40%的范围内更接近于线性。设IC3Ad 同相输入端电压为U1（这也是IC3b 的反相输入端电压），IC3b 的同相输入端电压为U2。根据图4.2.2所示电路不难算出U2=+0.37V ，该电压即为IC3b 的参考电压。当RH ﹥40%时，因U1﹥U2，IC3b 输出为低电平，故VT4和VD6均截止，断点放大器不工作，对（40%～100%）相对湿度的线性化任务全部由对数放大器来完成。仅当RH=40%时，U1≈0.36﹤U2，IC3b 输出变成高电平，使VT4、VD6导通，断点放大器才开始工作，可使0～40%相对湿度范围内的输出电压与相对湿度仍然保持线性关系。电路中R13和VD6的作用的防止在断点附近产生抖动现象。

3.2.6 温度补偿电路

当环境温度发生变化时，VT1的直流工作点也会改变，这必将影响对数放大器的输出特性。因此，必须对VT1采取一定的温度补偿措施。温度补偿电路实际上是由IC4～IC6和VT2、VT3等组成的小型恒温槽式控制器，并且需将VT2、VT3与VT1紧贴在一起。将VT2的集电极短接，利用其发射极作为温度传感器使用。IC5是温控电路。VT3作为加热器，给VT1提供一个+50℃（典型值）的工作温度，使之不受外界环境温度变化的影响。IC6（7812）给IC5提供+12V 的稳压电源。IC5的参考电压U3=+0.63V ，该电压所对应的VT1管壳温度恰好为+50℃。一旦VT1温度偏离+50℃，VT2就通过放大器来改变VT3的基极电流，调节VT3的发热量，使VT1始终工作在+50℃恒温状态，从而消除环境温度变化对

VT1工作点的影响。VD

为3伏稳压管。

Z

3.2.7 相对湿度检测电路的调试及校正

（1）将VT3置于+50℃的环境中并将VT3的基极接地。

（2）给电路通电后，用数字万用表测量VT2的基极电压U3，适当调节R19的电阻值使IC3的反相输入端电压也接近于U3[17]。

（3）将VT3的基极与地脱开后，该电路即具有+50℃的恒温特性。

相对湿度的校正方法

（1）在输出端U0与地之间接一块满量程电压为20V的4（1/2）为DVM。（2）用一只35KΩ的电阻代替湿敏电阻，调节电位器RP1使仪表读数为100%RH。

（3）用一只8MΩ的电阻代替湿敏电阻，调节电位器RP2使仪表读数为40%RH。（4）重复第（2）（3）两步，直到调节RP1和RP2时互步影响读数。

（5）用一只60MΩ的电阻来代替湿敏电阻，适当调节断点放大器R12的电阻（其标称值为40KΩ），使仪表读数为24%RH。

该仪表经过测试及校正后，即壳测量相对湿度。旦需要说明两点：第一，在更换湿敏电阻时，应重新校正仪表；第二，图4.2.3所给出的曲线是在室温（TA=+25℃）下测相互来的，当湿敏电阻的实际工作温度为T时，还应根据厂家给出的PCRC—55的温度特性对RH读数值进行修正，计算出实际相对湿度值[18]。

3.3 转换模块的设计

3.3.1 模数转换器接受

能够完成将模拟量转换成数字量的器件叫模/数转换器，简称A/D转换器。

A/D转换器的种类很多，按位数来分，有8位、10位、12位、16位。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越高。

A/D转换器就其结构来分，有单独的A/D转换器；有的A/D转换器带多路开关；有的带多数开关、数据放大器、采样/保持及A/D转换器，其本身就是一个完整的数据采集系统。

A/D转换器按转换原理分：计算器式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D、并行A/D转换、串-并行A/D转换等。在这些转换方式中，计数器式A/D线路比较简单，但转换速度比较慢，所以现在应用很少。双积分式A/D 转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。并行及串-并A/D转换速度比较快，多用于雷达及图象处理等要求比较高的场合。逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，是目前工业过程控制系统中应用最多的一种。目前，绝大多数A/D转换器都采用这种转换方法。

3.3.2 A/D转换器ICL7135

ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域[19]。

（1）主要参数

○1CMOS集成电路；○2双积分转换技术；○3单一参考电压；○4采用BCD码扫描输出；○5能用闪烁显示的方式表示超量程状态；○6具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；○7具有自动转换量程的过和欠量程信号；○8允许差分输入；○9具有自动极性辨别功能和自动校零电路；○10双电源供电；○11准确度高0.005%±1个字；○12输入漏电流低 1pA；○13分辨率高 14位；○14零读数漂移 0.5μV/℃；○15输入阻抗高 109Ω；○16转换速度慢 3次/秒；○17噪声低 15μV。

（2）引脚排列合引脚说明

V-：负电源输入端，典型值为-5V。

VREF：参考电源输入端，典型值为1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度。

D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。

B1、B2、B4、B8：BCD码数据输出线。

BUSY：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY 输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。

CLK：时钟输入端。双极性模式：最高时钟频率为125Hz,转换速度为3次/秒；单极性模式：最高频率为1MHz，这时转换速度为25次/秒。

AGND：模拟地，

INTOUT：积分器输出。

AZIN：自调零输入端。

BUFOUT：缓冲放大器输出端。

REFCAP-：外接参考电容引脚。

REFCAP+：外接参考电容引脚。

INLO：信号输入低端。

INHI：信号输入高端。

V+：正电源输出端，典型值为+5V。

DGND：数字接地。

图3.8 ICL7135引脚排列图

POL：极性输出端。当信号为正时，POL极性输出为高电平；输入信号为负时，POL极性输出为低电平。

R/H：启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态，1/2。一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD 码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要。

OVERRANG：过量标志输入端。当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。

UNDER：欠量程标志输入端。当输入信号读数小于9%或者更小时，该端输出高电平。

3.4 处理器模块的设计

3.4.1 单片机AT89C51简介及应用

（1） AT89C51性能及特点[20]

AT89C51是一种与MCS—51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的