温、湿度控制电路设计

毕 业 设 计 论 文 说 明 书 题 目 温 湿度控制电路设计 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 教 研 室 提交时间 温 湿度控制电路设计 I 摘 要 本设计使用传感器 NE555 集成电路及附设电路对温度和湿度进行检测控 制 设计了一个温 湿度的自动控制系统 系统主要由温 湿度检测和控制电 路组成 可自动实施加热 降温 加湿 通风等功能 能够用于如 农村苗圃 花卉等特殊种植对温 湿度控制的需求 选择适当的传感器 可实现不同环境 对温 湿度控制的要求 关键词 传感器 NE555 温湿度检测 控制电路 II ABSTRACT This paper designed an automatic control system for the temperature and humidity using the transducer and NE555 This system is mainly made up of temperature humidity examination and control circuit It has the function of heating cooling and increasing humidity or ventilating etc automatically This system can be used for village garden flower growing and special kinds of plant in which temperature and humidity need be control accurately The system can apply to various environments by choosing the special transducer KEY WORDS transducer NE555 temperature and humidity examination control circuit 温 湿度控制电路设计 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 引 言 1 1 1 课题背景 1 1 2 立题的目的和意义 1 1 3 系统功能 1 第 2 章 控制方案论证 3 2 1 方案 1 计算机监控温湿度控制网络系统 3 2 1 1 自动控制系统的组成 3 2 1 2 系统简介 3 2 2 方案 2 用集成电路及附设电路对温湿度控制 4 2 2 1 系统控制框图 4 2 2 2 系统特点及功能 4 2 3 方案选择 5 第 3 章 系统电路设计 6 3 1 系统组成框图 6 3 2 系统原理 6 第 4 章 电源电路设计 7 4 1 直流稳压电源的组成 7 4 2 电源电路原理图 8 第 5 章 温度控制系统分析与设计 9 5 1 温度传感器的分类 9 5 2 热敏电阻温度传感器的工作原理 9 5 2 1 PTC 热敏电阻器工作原理 10 5 2 2 NTC 热敏电阻器工作原理 11 5 3 热敏电阻温度传感器的基本特性 12 5 3 1 电阻 温度特性 12 5 3 2 热性能 13 5 3 3 伏安特性 14 5 3 4 其他参数 15 5 4 温度自动控制电路的设计 16 5 4 1 温度控制电路的组成 16 5 4 2 温度检测电路设计 16 5 4 3 加热 换气电路设计 19 5 4 4 报警电路设 计 20 5 4 5 温度自动控制原理图 26 第 6 章 湿度控制系统分析与设计 28 IV 6 1 湿度传感器的分类 28 6 2 湿敏电阻湿度传感器的工作原理 28 6 2 1 金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器 28 6 2 2 元素材料湿敏电阻器 29 6 2 3 化合物湿敏电阻器 29 6 3 湿敏电阻湿度传感器的基本特性 30 6 3 1 电阻 湿度特性 30 6 3 2 时间常数 31 6 3 3 滞后效应 31 6 4 湿度自动控制电路的设计 31 6 4 1 湿度控制电路的组成 31 6 4 2 湿度检测电路设计 32 6 4 3 比较控制电路 浇水系统 32 6 4 4 湿度自动控制原理图 33 第 7 章 显示电路设计 36 第 8 章 系统总电路说明 40 第 9 章 制作调试 42 9 1 单面板制作过程 42 9 1 1 PCB 图设计 42 9 1 2 打印 加热转印 44 9 1 3 腐蚀 钻孔与后续处理 44 9 2 安装 44 9 3 调试 45 9 3 1 调试工具 45 9 3 2 调试过程 45 9 3 3 调试结果 46 第 10 章 结束语 48 致 谢 49 参考文献 50 附 录 总电路图 51 1 第 1 章 引 言 1 1 课题背景 随着科学技术的快速发展 传感器技术也不断提高 目前 温 湿敏传感 器正从简单的温 湿敏元件向集成化 智能化 多参数检测的方向迅速发展 为设计温 湿度测控系统创造了有利条件 同时也将温 湿度测量技术提高到 新的水平 2 温 湿度控制也是自动控制经常讨论的课题之一 它代表了一类 自动控制的方法 目前温湿度控制装置已广泛应用在工业生产 医药 农作物 栽培和科学实验等许多领域 特别是农村的大棚 苗圃 花卉等作物的栽培 作物栽培 3 是一项较为精细的技术 随着农业现代化的发展 对农作物的 生产提出了更高的要求 不仅要求其种类丰富 高产优质 而且要求地区和季 节限制也应达到周年生产 这就必须有一定的设施保障 同时 设施栽培也为 农作物的集体种植 工厂化生产创造了条件 设施栽培在农作物的生产中占有 不可替代的地位 为了充分的利用好温室栽培这一高效技术 就必需有一套科 学的 先进的管理方法 用以对不同种类农作物生长 所需的温度及湿度等条 件进行实时的控制 使其符合需要的温湿度环境条件 4 针对这一情况 设计一种可靠性好且实用性较高的温湿度控制装置显得非 常重要 1 2 立题的目的和意义 对于大棚种植和苗圃 花卉栽培 都需要对环境的温湿度进行一定的限定 因此 必须在某些特定环境安装温湿度装置对其进行监控 为此 本设计利用 温 湿度传感器的测温 测湿快速 使用简便等特点 同时结合集成电路及分 立元件 设计了一个监控装置来对温 湿度进行实时监控 本系统可以及时 精确的反映室内的温度以及湿度的变化 能够满足温 湿度控制要求 将此温 湿度控制装置应用到温室当中 无疑为苗圃 花卉等特种种植的生长提供了适 宜的环境 黄霞 温 湿度控制电路设计 2 1 3 系统功能 该装置可实现对环境温 湿度的实时测量与控制 并附有加热 换气 浇 水以及报警和显示的功能 能方便应用于苗圃 花卉等温 湿度控制场合 本系统所设计的温度控制范围为 15 30 15 20 为低温区 20 25 为常温区即正常区 25 30 为高温区 当温度在正常范围内时 湿度控制在 70 RH 左右 当温度高于 30 或低于 15 时 自动报警 当温度处 于低温区时 系统通过加热电路给温室加温 当温度处于高温区时 系统通过 换气电路给温室降温 处于常温区时 加热和换气电路均不工作 当温度处于 正常区 且湿度低于设定值时 系统通过继电器控制浇水电路工作 增加湿度 同时 由显示电路显示当前温 湿度值 整个系统的核心是进行温 湿度检测 3 第 2 章 控制方案论证 2 1 方案 1 计算机监控温湿度控制网络系统 2 1 1 自动控制系统的组成 本系统利用现代检测技术对温度 湿度进行适时的检测控制 随时掌握环 境的变化 分析其变化规律 及时中断处理 科学地给出各种建议性的结论 引导管理者及时采取处理措施或自动实施机械通风 5 系统构成框图如图2 1所 示 图2 1 系统构成框图 2 1 2 系统简介 本系统利用信号采集机将温 湿度传感器的温湿度信号采集出来 并转变 为 4 20 mA的直流标准信号送入库内的检测分机进行处理 接收信号数视其库 容的大小 输人通路采用模块式结构 输人路数能够灵活调整 每台检测分机 外接一温湿度变送器 检测分机根据库内各测量点具体情况决定是否开启抽风 机 空调去湿机等设备 同时 内部设有RS485接口 将其检测数据送往主控制 室上位机 检测分机自身还具有显示功能 克服了只作一般采集而不能作为一 个独立单元单独使用的缺陷 6 加热 换气 排水 1 测量 1 温度传感器 单位 1 湿度传感器 1 采集 分机 N 测量 N 采集 分机 N 温度传感器 N 湿度传感器单位 检测分机 打印机 集中显示屏 PI 计算机 控制器 室外温湿度变送器 黄霞 温 湿度控制电路设计 4 本系统适宜比较大型的 对温 湿度要求较高的场合 如 烟厂 仓库温 湿度控制等 在烟草的加工和存储过程中 为了确保产品的质量 必须对温湿 度进行自动检测与控制 环境温度与湿度度有着同等重要的意义 该设计的控 制精度高 功能全面 但是 成本很高 要求不高的场合一般都不使用 而且 电路设计比较复杂 2 2 方案 2 用集成电路及附设电路对温湿度控制 2 2 1 系统控制框图 该系统是采用集成电路及附设电路对温度及湿度控制的 7 8 从功能模块 上来分有 温湿度检测电路 温湿度控制电路 加热 换气 浇水系统以及报 警和显示电路 系统原理框图如图 2 2 所示 图 2 2 系统原理框图 2 2 2 系统特点及功能 本电路设计简单易于调试 而且实用性较强 成本低 当测温电路测出适时温度超过高温区时 启动换气电路工作 且当温度达 到报警温度时 启动报警系统 同理 当测温电路测出适时温度超过低温区时 启动加热电路 且当温度达到低温报警时 启动报警电路 当测湿系统测出适 温度传感器 温 湿 度 检 测 电 路 湿度传感器 报警电路 浇水电路 温 湿 控 制 电 路 显示电路 换气 加热电路 5 时湿度低于预定湿度值 启动浇水系统 同时由显示电路可显示当前温 湿度 值 该自动控制装置可方便进行远距离报警功能的扩充 当意外事故发生致使温度持续下降时 需要及时报警来唤醒在家休息或在 外工作的棚主赶来处理 报警装置由一发射器和接收器组成 接收器平时由棚 主带在身上 可做得很小 棚主在一公里的范围内可接收发射器发出的提示音 信号 2 3 方案选择 将两种方案进行比较可知 第二种方案更加适合苗圃 花卉的温湿度控制 系统 电路设计简单 易于调试 而且实用性较强 成本低 第一种方案的功能 比较多 但是其成本高 既本次设计采用了第二种设计方案 黄霞 温 湿度控制电路设计 6 第 3 章 系统电路设计 3 1 系统组成框图 本设计所实现的自动控制系统组成框图 如图 3 1 所示 图 3 1 系统组成框图 3 2 系统原理 该电路的关键点是温度检测和湿度检测电路 通过调节温度检测电路中的 变阻器 即调节温度检测电路的基准温度值 同理 也可调节湿度检测电路中 的基准湿度值 以满足本设计对温湿度控制的要求 220V 的交流电经过直流稳压电路后得到 40V 的直流电压 该电压通过分压 为温度 湿度控制系统提供工作电压 当测温电路测出适时温度超过 25 时 启动换气电路 且当温度达到 30 时 启动报警系统 同理 当测温电路测出 适时温度低于 20 时 启动加热电路 且当温度低于 15 时 启动报警电路 当温度在 20 到 25 之间 测湿系统测出适时湿度低于 70 RH 时 启动浇水系 电 源 电 路 温度检测 电路 湿度检测 电路 高 低温度 控制电路 高 低湿度 控制电路 换气 加热电路 报警电路 浇水电路 显示电路 7 统 只有当温度在 20 到 25 之间 同时湿度在 70 RH 以上时 系统不工作 由显示电路可显示当前温 湿度的值 第 4 章 电源电路设计 4 1 直流稳压电源的组成 电源电路是给电子设备提供必要的电源能量的电路 就输入和输出而言 在本设计电路中主要使用的是由交流 AC 220V 50 60HZ 的市电转换成直流 电 该部分电路是由电源变压器 整流 滤波和稳压四部分组成的 9 其框图如图 4 1 所示 图 4 1 直流稳压电源组成框图 电源变压器 将交流电网 220V 交流电压变成所需的交流电压 变压过程 通常由变压器来完成 整流器 将交流电压变成脉动的直流电压 整流电路通常有半波整流电路 全波整流 桥式整流电路等 由三种整流电路的性能可知 全波和桥式电路的 性能比半波电路好 而桥式电路与全波电路比较 前者的电源变压器无中心抽 头 结构简单 且伏安容量小 因此本设计中采用了桥式整流电路 滤波器 将整流所得的脉动直流电 大小发生规律性变化 中的交流成分 滤除 常用的滤波电路有电容滤波 电感滤波及阻容滤波等电路 本设计采用 电容滤波 负载整流器 滤波器交流电源 电源 变压器 稳压器 黄霞 温 湿度控制电路设计 8 稳压器 滤波后的电压还会随电网电压波动 随负载和温度的变化而变化 稳压电路的作用是克服电网电压波 负载和温度变化时所引起的输出电压的变 化 维持输出直流电压稳定 4 2 电源电路原理图 图 4 2 电源电路原理图 在设计稳压部分时 根据电路对电源要求的不同而选择了不同的稳压电路 由于 NE555 定时器 单电源供电四电压比较器 M51209 单电源供电单电压 比较器 M5249 要求电源电压的稳定性较高 同时也为了本系统控制的稳定 性 所以采用了三端固定式集成稳压电路 LW78A40 CW7812 给温度和湿度控制 电路提供工作电压 9 第 5 章 温度控制系统分析与设计 5 1 温度传感器的分类 在种类繁多的传感器中 温度传感器在其产量和应用两方面都是首屈一指 的 热量及与之相关的温度是一个重要的物理参数 它几乎影响所有的物理 化学和生物医学过程的进行 因此 无论在工业 农业 科学研究 国防和人民日常生活各个方面 温 度测量和控制都是极为重要的课题 随着电子技术和材料科学的发展 各种新 型的热敏元件及温度传感器的结构越来越先进 稳定性越来越好 以便对温度 测量和控制提出更高的要求 按照制造温度传感器的材料及工作原理 可将其进行分类 10 如图 5 1 所 示 图 5 1 温度传感器的分类 5 2 热敏电阻温度传感器的工作原理 鉴于温度传感器种类繁多 而且其工作机理也不尽相同 本节主要介绍热 温度传感器 电阻式 PN 结式 热电式 辐射式 陶瓷热敏电阻器 金属电阻器 温度热敏晶体管 集成温度传感器 热电偶 全辐射测温计 光学测温计 光电测温计 黄霞 温 湿度控制电路设计 10 敏电阻器的工作原理 10 11 热敏电阻器是指电阻值随温度的变化而发生显著变化的温度传感器 主要 由热敏电阻 绝缘柱 玻璃套管组成 它可以将温度直接转化为电信号 在工 作温度范围内 其阻值随温度的升高而增加的热敏电阻器称为正温度系数热敏 电阻 PTC 阻值随温度的升高而减小的热敏电阻器称为负温度系数热敏电阻 NTC 在一个温区内电阻随温度的上升而急剧减小的负温度系数热敏电阻器 称为临界温度热敏电阻器 CTR 5 2 1 PTC 热敏电阻器工作原理 制作 PTC 热敏电阻器通常采用钛酸钡 BaTio 3 陶瓷材料 单纯的 BaTio3 陶瓷在常温下具有极高的电阻率 在 108 m 以上 故为绝缘体 若在 BaTio3中进行掺杂 可使 BaTio3半导体化 例如 掺以 0 1 0 3 的稀土元素 而使其成为在常温下具有 0 1 10 m 的 N 行半导体 具有铁电性的半导体的 BaTio3 当温度达到居里点 Tc时 它由四方晶系转变为立方晶系 此时其电阻 率跃增几个数量级 10 3 10 7倍 正温度系数热敏电阻器 PTC 就是根据这个 性质制作的 图 5 2 晶粒阻挡层势垒模型 图 5 3 掺杂 BaTio3的 Esff和 p 与温度的关 系 经半导体化的多晶粒结构的 BaTio3中 其晶粒 一般尺寸约为 3 10 m 内 部为半导体性质 而晶粒间界为高阻区 具有铁电性 当晶粒外加电压时 电 压大部分降落在高阻的晶界层上 因而晶界对材料的导电性能起作用 电子从 11 一晶粒必须穿越晶界阻挡层势垒才能到达另一晶粒 在居里温度 Tc 以下 BaTio3为四方晶系的强介电相 存在有自发极化很强的内部电场 使电子具有 较高的能量 从而穿越晶界势垒容易 而在居里温度 Tc 以上 BaTio 3由四方晶 系变为立方晶系 自发极化消失 内部电场消失 电子穿越势垒困难 因此在 居里温度 Tc 以上 电阻率剧增 两晶粒互相接触时 晶粒阻挡层势垒如图 5 2 所示 b 为势垒层厚度 0为势垒高度 根据泊松方程 势垒高度 0与晶粒有 效介电常数 eff之间的关系为 5 20 20bnef 1 式中 n 0为施主浓度 e 为电子电量 0为真空介电常数 当电子越过势垒进入 0 电阻率可写为 5 2 ktve 0 当温度低于居里温度 TC时 eff值约为 104左右 因此 0很小 陶瓷电 阻率 接近于体电阻率 v 当温度超过居里温度 TC后 eff值急剧下降 A 值增加 导致 值剧增 掺杂 BaTio3的 eff和 与温度之间的关系如图 5 3 5 2 2 NTC 热敏电阻器工作原理 NTC 热敏电阻器大多数是由过渡族金属氧化物 主要是用 Mn Co Ni Fe 等 在一定条件下烧结形成半导体金属氧化物 它们只具有 P 型半导体特性 对于一般半导体材料 电阻率随温度的变化主要是依赖于载流子数目随温度的 变化 温度升高 载流子数增加 导电能力增强 从而电阻率 F 降低 对于过 渡金属氧化物半导体 例如 NiO 由于它受主电离能很小 在室温里基本已全 部电离 即载流子浓度基本上与温度无关 此时 应主要考虑迁移率与温度之 间的关系 由半导体物理知 迁移率由下式表达 u ed2 v0 kT e Ei kt 5 3 式中 d 氧八面体间隙距离 NiO 为 NaCl 结构 黄霞 温 湿度控制电路设计 12 V0 晶格振动频率 Ei 激活能 表示电子从一个原子位置跳到相邻原子位置所需要 的能量 5 3 式可改写为 0e Ei kT 5 4 则电阻率为 1 0Ne Ei kT 5 5 若令 0 1 0N 则式 5 5 改为 0eEi KT 5 6 可见金属氧化物半导体的电阻率随温度的变化主要是由迁移率随温度的变 化而引起的 当温度升高时 电阻率下降 呈负温度系数特性 临界温度热敏电阻器 CTR 也属于负温度系数热敏电阻器 在某一临界 温度范围内 其阻值随温度上升而急剧下降 CTR 热敏电阻通常采用玻璃半导体加工成型 以五氧化二钒 V 2O5 为主 要材料 掺入某些氧化物如 CaO BaO SrO 或 P2O5 TiO 2 等材料经热溶化而成 5 3 热敏电阻温度传感器的基本特性 热敏电阻器可以从结构 材料和阻温特性等多方面进行分类 按结构形状分类 片状 垫圈状 杆状 管状 薄膜状 厚膜状和其他形 状 按加热方式分类 直热式和旁热式 按温度范围分类有 常温 高温和超低温热敏电阻器 13 5 3 1 电阻 温度特性 热敏电阻的阻温特性是指实际电阻值与电阻体温之间的依赖关系 这是热 敏电阻的基本特性之一 10 11 其阻温特性曲线如图 5 4 所示 铂电阻器的阻温曲线如图 5 4 中曲线 1 负温度系数热敏电阻器 NTC 如 图 5 4 中曲线 2 临界负温度系数热敏电阻 如图 5 4 中曲线 3 开关型正温度 热敏电阻器 PTC 如图 5 4 中曲线 4 缓交变型正温度系数热敏电阻器 PTC 如图 5 4 中曲线 5 图 5 4 几种不同类型的热敏电阻器的阻温特性曲线 PTC 开关型正温度系数热敏电阻器的阻温特性曲线 图 5 4 曲线 4 室温至 居里温度以下的一段温度范围内 表现出和一般半导体相同的 NTC 特性 从居 里点开始 电阻值急剧上升到某一温度附近达到最大值 5 3 2 热性能 1 耗散常数 H 耗散常数 H 定义为温度每增加一度所耗散的功率 它用来描述热敏电阻器 工作时 电阻体与外界环境进行热交谈的一个物理量 耗散常数 H 与耗散功率 黄霞 温 湿度控制电路设计 14 P 温度改变量 T 的关系为 H P T W C 5 7 H 的大小与热敏电阻器的结构 所处环境的媒质种类 运动速度 压力和 导热性能等有关 当环境温度改变时 H 会变化 2 热容量和时间常数 热敏电阻器具有一定的热容量 C 因此它具有一定的热性 也就是温度的 改变需要一定的时间 当热敏电阻器被加热到了 T2温度时 放到温度为 T0的环 境中 不加电功率 热敏电阻器开始降温 其温度 T 是时间 t 的函数 在 t 时间内 热敏电阻器向环境耗散的热量可表示为 H T T 0 t 这部分热量 是由热敏电阻器降温所提供的 其值为 C T 于是就有 C T H T T 0 t 上式写成微分的形式为 T T0 C T dT dt 5 8 取初始条件 t 0 时 T T 2 解方程 5 8 式得 T T0 T2 T1 e tH c T2 T1 e t 5 9 式中 C H 称为热敏电阻器的时间常数 单位为 S 时间常数可定义为 在恒定的静态条件下 热敏电阻器在无功率状态下 当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时 电阻体的温度改变 了这两个特定温度之差的 63 2 所需的时间 通常将这两个特定温度选为 85 和 25 或者 100 和 0 热敏电阻器用于测温和控温时 一般要求时间常数 小 因而 热容量越小越好 按定义 C H 当 t 时 T T 0 T 2 T0 e 1 36 8 则 T 2 T T 2 T0 63 2 5 10 式中 T 2 T 0为两个特定温度 T 为测试温度 15 5 3 3 伏安特性 伏安特性表示在特定温度下 热敏电阻器两端的电压与通过电阻体的稳态 电流之间的关系 伏安特性不仅与热敏电阻器的结构形状有关 还与其阻值 材料常数以及所处的环境温度 介质种类等有关 1 PTC 热敏电阻器的伏安特性 PTC 热敏电阻器的伏安特性曲线如图 5 5 所示 当所加电压不太高时 PTC 热敏电阻的温升不高 流过 PTC 热敏电阻的电流与电压成正比 服从欧姆定律 随着所加电压的增加 消耗功率增加 电阻体温度超过环境温度时 引起电阻 值增大 曲线开始弯曲 当电压增到使电流达到 IMAX最大时 若电压继续增加 由温升引起的电阻值增加超过电压增加的速度 电流反而减小 曲线斜率由正 变负 图 5 5 PTC 热敏电阻器的 图 5 6 NTC 热敏电阻器的 静态伏安特性曲线 静态伏安特性曲线 2 NTC 热敏电阻器的伏安特性 NTC 热敏电阻器的伏安特性曲线如图 5 6 所示 在开始段同 PTC 热敏电阻 一样也服从欧姆定律 随电流增加 引起热敏电阻温升超过环境温度 则其阻 值下降 耗散功率增加 相应的电压变化较为缓慢 出现非线性正阻区 ab 段 电流继续增加 其电压值增大到最大值 Vmax时 若电流再增加 热敏电阻自身 加热剧烈使电阻值减小的速度越过电流增加的速度 热敏电阻的电压降随电流 黄霞 温 湿度控制电路设计 16 增加而降低 形成 cd 段的负阻区 5 3 4 其他参数 1 标称电阻值 R25 标称阻值是热敏电阻器在 25 时的电阻值 其值的大小由热敏电阻的材料 与几何尺小决定 2 最高工作温度 Tmax 在规定的技术条件下 热敏电阻器长期连续工作所允许的温度 是热敏电 阻器的最高工作温度 它的表达式为 Tmax T0 P R H 5 11 式中 T0为环境温度 P R为环境温度时的额定功率 3 额定功率 PR 热敏电阻在规定的技术条件下 长期连续工作所允许的耗散功率为额定功 率 用 PR 表示 在此条件下 热敏电阻器自身温度不得超过 Tmax 5 4 温度自动控制电路的设计 5 4 1 温度控制电路的组成 温度自动控制电路由温度检测电路 1 温度检测电路 2 加热 换气电路 和自动报警电路组成 12 其组成框图如图 5 7 所示 图 5 7 温度自动控制电路组成框图 报警电路 加热电路 换气电路 温度检测 电路 1 温度检测 电路 2 比 较 控 制 17 5 4 2 温度检测电路设计 1 器件选择 该电路利用热敏电阻 RT 在不同的温度环境下有不同的阻值特性 将热敏 传感器放置在室内的关键点 当外界温度变化超过设定范围时 由比较器输出 的信号来启动控制电路 以实现温控 1 在此电路中 温度传感器采用 TD 6112 6000 型电缆式温度传感器 K2 热敏 电阻 如图 5 8 所示 当环境温度变化时 其阻值也随之变化 如表 5 1 所示 TD 6112 6000型温度传感器 K2热敏电阻 的技术参数 负温度系数 25 时 阻值为2 25K 准确度 0 2 电源范围 0 24VAC 测温范围 20 40 图5 8 电缆式温度传感器 储存条件 温度 40 70 表5 1 K2热敏电阻的温度与阻值对照表 温度 0 5 10 15 20 25 30 35 电阻值 K 7 353 5 718 4 481 3 538 2 813 2 252 1 815 1 471 2 比较控制的核心元件采用单电源四电压比较器 M51209 13 其引脚功能 图如图 5 9 所示 1IN 4IN 分别为四单元的反相输入端 1IN 4IN 分别为四单元的同相输出端 OUT1 OUT4 分别为四单元的输出端 V 正电源端 GND 接地端 主要参数 黄霞 温 湿度控制电路设计 18 电源电压范围 2 5 28V 输出最大电流 60mA 图 5 9 M51209 引脚功能图 功耗 900mW 特点 电源电压范围宽 静态功耗小 可单电源使用 价格低廉等 2 原理图及工作原理 在温度检测电路中 主要由检测电路1和检测电路2组成 其核心元件为四 电压比较器 M51209 其中M51209左边的两个比较器是检测电路1的主要组成 部分 右边的两个比较器是检测电路2的主要组成部分 温度检测电路的原理图如图5 10所示 19 图5 10 温度检测电路原理图 黄霞 温 湿度控制电路设计 20 工作原理 M51209为单电源工作的四电压比较器 在温度检测电路1中 取自R105的 电压分别引入两个比较器 与标准电压比较 在IC1 1 IN1 IN1 OUT1 中 基准电压U 20V 当温度大于15 时 ICI 1输出低电平 当温度降至15 时 此时U 25 8V ICI 2发生跳变 输出一个高电平 温度检测电路2的工作原理同上 5 4 3 加热 换气电路设计 此电路是利用晶闸管来控制加热 换气电路的 加热装置可选用壁挂式电 热毯或电炉子 换气装置可选用换气扇 加热 换气电路原理图如图 5 11 所示 图 5 11 加热 换气电路原理图 工作原理 当温度检测电路 2 检测到温度低于 20 时 由比较器 M51209 的 OUT3 端输 出一个高电平 使双向晶闸管 MAC94A4 导通 从而使加热电路工作 同理 当 检测电路 2 检测到温度高于 25 时 由 M51209 的 OUT4 端输出一个高电平 使 21 双向晶闸管 MAC94A4 导通 从而使换气电路工作 当温度在 20 25 范围内时 加热和换气电路均不工作 5 4 4 报警电路设计 温度报警电路主要由或门电路 振荡电路 14 功率放大电路三部分组成 1 器件选择 在报警电路设计中 主要使用了定时器 NE555 下面对其功能进行介绍 1 NE555 内部功能描述 NE555 时基电路封形式有两种 一是 DIP 双列直插 8 脚封装 另一种是 SOP 8 小型 SMD 封装形式 其他 HA17555 LM555 CA555 分属不同的公司生 产的产品 内部结构和工作原理都相同 NE555 定时器的电源电压范围较大 它是双极型电路 Vcc 4 5 16V 输出高电平不低于电源电压的 90 带拉电流 和灌电流负载能力达 200mA CMOS 电路 Vdd 3 18V 输出高电平不低于电源电 压的 95 带拉电流负载能力为 1mA 左右 带灌电流负载能为为 3 2mA NE555 内部功能原理框图如图 5 12 所示 13 黄霞 温 湿度控制电路设计 22 图 5 12 NE555 内部功能原理框图 中心电路是三极管 Q15 和 Q17 加正反馈组成的 RS 触发器 输入控制端有 直接复位 Reset 端 通过比较器 A1 复位控制端的 TH 比较器 A2 置位控制的 T 输出端为 F 另外还有集电极开路的放电管 DIS 它们控制的优先权是 R T TH 基本 RS 触发器由两个与非门组成 是复位端 当 0 时 使RR Q 0 1 C1 C2 是两个电压比较器 比较器有两个输入端 分别标有 号和 Q 号 如果用 U 和 U 表示相应输入端上所加的电压 则当 U U 时其输入为高电平 U 2Vcc 3 Vcc 3 时 C1 输出低电平 C2 输出高电平 Uthtr 1 Q 1 Uo 输出低电平 Td 饱和导通 当 1 时 Vcc 3 时 C1 C2 输出均为高电平 基本Rttr RS 触发器保持原来的状态不变 所以 Uo Td 也保持不变 当 1 时 2Vcc 3 Vcc 3 时 C1 输出高电平 C2 输出低电平 Uthtr 0 Q 1 Uo 输出高电平 Td 截止 Q 综上所述可知 555 定时器不但提供了一个复位电平为 2Vcc 3 置位电平 为 Vcc 3 且通过 R 端直接从外部进行置 0 的基本功能 RS 触发器 而且还给出 一个状态受该触发器 Q 端控制的晶体管开关 3 振荡频率的估算 由工作原理分析可知 当电路稳定工作后 电容 C 充电和放电的过程总是 周而复始循环进行的 黄霞 温 湿度控制电路设计 24 电容 C 充电时间 即暂态维持时间 tw 1 的估算 电容充电时 时间常数 1 R 1 R2 C 起始值 Uc 0 Vcc 3 终值 Uc Vcc 转换值 Uc tw1 2Vcc 3 代入 RC 过渡过程计算公式进行计算 tw1 1ln Uc Uc 0 Uc Uc tw 1 1ln Vcc 1 3Vcc Vcc 2 3Vcc 1ln2 0 7 R1 R2 C 电容 C 放电时间 即暂稳态维持时间 tw 2 的估算 电容放电时 时间常数 2 R2C 起始值 Uc 0 2Vcc 3 终值 Uc 0 转换值 Uc tw2 Vcc 3 代入 RC 过渡过程计算公式进行计算 tw2 2ln Uc Uc 0 Uc Uc tw 1 2ln 0 2 3Vcc 0 1 3Vcc 2ln2 0 7R2C 电路振荡频率 f 的计算 振荡周期 T T tw1 tw2 0 7 R1 R2 C 0 7R2C 0 7 R1 2R2 C 振荡频率 f f 1 T 1 43 R1 2R2 C 占空比 q 脉冲宽度与重复周期之比 的计算 q tw1 T 25 0 7 R1 R2 C 0 7 R1 2R2 C R1 R2 R1 2R2 2 或门电路设计 由 R401 R402 VD401 R403 R404 R405 VD402 VD403 组成或门路 图 5 14 或门电路图 工作原理 R401 R402 VD401 R403 R404 R405 VD402 VD403 组成或门路 VD403 对或门输出的电压进行稳压 当温度超过 3O 或低于 l5 时 温度检测 电路输出一跳变信号到或门电路 在 A 点输出一个 12V 的电压 3 振荡 报警电路设计 1 参数计算 振荡电路用来产生约 200Hz 的振荡波 其核心元件是 NE555 由 f 1 T 得 T 1 200 5ms 周期 T 0 7 R406 2RP401 C402 放电时间 Tp1 0 7RP401C402 充电时间 Tp2 0 7 R406 RP401 C402 黄霞 温 湿度控制电路设计 26 若选择电容 C402 为 0 22U 电阻 R406 为 0 5K 又由 T 0 7 R406 2RP401 C402 计算出 RP401 选用 1K 的可调电阻器 NE555 脚输出高电平的占空比 q 决定蜂鸣器的音调 其值 q 0 7 R406 RP401 C402 0 7 R406 2RP401 C402 R406 RP401 R406 2RP401 0 5 1 0 5 2 3 5 功率放大电路的作用主要是放大振荡电路输出的信号 C403 可选用 1U 的 极性电容 将振荡电路输出的信号经过 C403 滤除直流信号后 得到一交流信号 加在功率放大电路中的正端 在此电路中功率放大器采用的是 TDA2040 7 使放大器的增益 Af为 35 则 kf 1 Af 0 03 可假设 R411 为 680 由 kf R411 R411 R412 计算出 反馈电阻 R412 22K 振荡 报警电路如图 5 15 所示 27 图 5 15 振荡 报警电路图 2 工作原理 由或门电路输出的电压经 RP401 R406 对 C402 充电 当电位上升 2 3Vcc 时 集成块复位 脚输出低电平 同时内部放电管与 脚相连通 电容 C402 通过 R406 向 7 脚放电 此后 C402 电压下降 当 C402 电压下降至 1 3Vcc 时 脚输出高电平 放电管截止 放电结束 然后再开始充电 放电 形成振荡 脚输出高电平的占空比 决定蜂鸣器的音调 TDA2040 是集成功率放大 器 驱动扬声器发声 R412 R411 构成交流负反馈 可使功率放大电路的输出 黄霞 温 湿度控制电路设计 28 信号趋于稳定 还可有效地减小非线性失真 5 4 5 温度自动控制原理图 由所设计的温度检测电路 加热 换气电路和自动报警电路 组成温度自 动控制电路 其原理图如图 5 16 所示 29 图 5 16 温度自动控制电路图 1 参数计算 在比较器中 取自 R104 R107 R502 R505 的电压作为输入的基准电压 值 先设定 R104 R105 R502 R503 均为 15K 当 RT1 的温度在 30 时 其阻值为 1 815K 此时 在 R105 端输出的电压 V 40 15 15 1 815 35 68v 在比较器的 IN2 端输入的是当温度大于 30 时的基准电压值 所以此电压应小于 35 68v 若 R104 与 R103 分压后 R104 端的电压为 25 8v 则由 25 8v 40 15 15 R103 计算可得 R103 为 8 3K 当 RT1 的温度在 15 时 其阻值为 3 538K 则在 R105 端输出的电压 V 40 15 15 3 538 32 3v 在比较器的 IN1 端输入的是当温度小于 15 时的基准电压值 当检测到的温度低于 15 时 在 OUT2 端应输出一个高 电平 选取 R106 为 30K R107 为 20K 通过可调电阻 RP101 即可设定 IN1 端 的基准电压值 经分压公式计算可得 RP101 可选为 10K 的可调电阻 当 RT2 的温度在 20 时 其阻值为 2 813K 则在 R503 端输出的电压 V 40 15 15 2 813 33 6v 在比较器的 IN3 端输入的是当温度小于 20 时的基准电压 所以此电压应小于 33 6v 则把该电压取为 24v 由 R502 与 R501 分压后 计算可得 R501 为 10K 当 RT2 的温度在 25 时 其阻值为 2 252K 选取 R504 为 27K R505 为 33K 通过可调电阻 RP501 即可设定 IN4 端的基准电压值 由分压公式计算 可得可调电阻 RP501 为 1K 2 工作原理 在电路中 通过可调电阻 RP101 RP501 可设置温度的上下限 当检测出 的适时温度低于 15 或高于 30 时 由温度检测电路中电压比较器 M51209 的 OUT1 端或 OUT2 端输出一个高电平 使门电路输出一个 12V 的电压 从而使 振荡电路工作 产生一个振荡波 然后由音频放大器驱动扬声器发生 最终达 到报警的目的 当检测出的适时温度处于低温区时 由温度检测电路中电压比 较器 M51209 的 OUT3 端输出一个高电平 使双向晶闸管 VS1 MAC94A4 导 通 从而使加热电路工作 给温室加温 当温度处于高温区时 由比较器 黄霞 温 湿度控制电路设计 30 M51209 的 OUT4 端输出一个高电平 使双向晶闸管 VS2 MAC94A4 导通 从而使换气电路工作 给温室降温 当温度处于常温区时 加热和换气电路均 不工作 第 6 章 湿度控制系统分析与设计 6 1 湿度传感器的分类 表示环境气氛中水蒸气含量的物理量为湿度 湿度的表示方法有两种 即 绝对湿度和相对湿度 RH 绝对湿度是指气氛中含水量的绝对值 相对湿度是 指气氛中水蒸气压与同一温度下的饱和蒸汽压之比 用百分数来表示 湿度传 感器或湿敏元件是指对相对湿度敏感的元件 它可以是湿敏电阻器 也可以是 湿敏电容器或其他湿敏元件 10 按感湿物理量来分类 湿度传感器可分为三大类 即湿敏电阻器 湿敏电 容器和湿敏晶体管 湿敏电容器主要是多孔 Al2O3材料作为介质制成 湿敏晶体 管又分为湿敏二极管和湿敏 MOS 管 根据使用不同的材料制成的湿度电阻器又可分为 金属氧化物半导体陶瓷 湿敏电阻器 例如 MgCr 2O4系列 ZnO Cr 2O3系列 元素材料湿敏电阻器 例 如 半导体 Ge Si Se 和 C 元素 化合物湿敏电阻器 如 LiCl CaSO 4 及 氟化物和碘化物等 有机高分子湿敏电阻器等 6 2 湿敏电阻湿度传感器的工作原理 鉴于湿度传感器种类繁多 本设计用到了湿敏电阻器 本节主要介绍湿敏 电阻湿度传感器的工作原理 10 11 6 2 1 金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器 多孔性的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体 在晶体表面及晶粒间界处 很 容易吸附水分子 由于水是一种强极性电介质 水分子的氢原子附近有很强的 正电场 具有很大的电子亲和力 当水分子在半导体陶瓷表面附着时 将形成 能级很深的附加表面受主态 而从半导体陶瓷表面俘获电子 而在陶瓷表面形 成束缚态的负空间电荷 在近表面层中将相应地出现空穴积累 因而导致半导 31 体陶瓷电阻率的降低 另外 根据离子电导原理 结构不致密的半导体陶瓷晶粒有一定空隙 显 多孔毛细管状 水分子可以通过这种细孔在各晶粒表面和晶粒之间吸附 由于 吸附的水分子可离解除大量的导电离子 这些离子在水吸附层中起着电荷的输 运作用 因此 随环境湿度的增加 水分子在晶粒表面和间界大量的吸附 而引起 电子电导和离子电导的加剧 半导体陶瓷而显示负感湿特性 即随着湿度的增 加 材料的电阻率下降 6 2 2 元素材料湿敏电阻器 此类湿敏电阻器是元素半导体材料或元素材料制成的元件 碳湿敏电阻器是一种电阻 湿度特性为正的湿敏元件 用有机物聚丙烯塑 料片或棒为基体 涂布一层含有导电性碳粒的有机胶状纤维构成 此种湿敏电阻器工艺简单 便于制造 利用有机材料吸潮后 体积膨胀 碳粒之间的距离增大 从而电阻值增大的原理 元素半导体的特性是电阻值随着湿度的增大而减小的负感湿特性 可以做 成较高阻值 10 5 10 7 有较好的测量精度 但工艺成品率降低 互换性差 6 2 3 化合物湿敏电阻器 此类湿敏电阻器有 LiCl 湿敏电阻器 Fe 3O4 湿敏电阻器和硫酸钙湿敏电阻 器等 Fe3O4湿敏电阻器是用 Fe3O4胶体做成感湿膜涂复在具有梳状电极的陶瓷基 片上 由于 Fe3O4胶体是由微粒组成 粒子的直径约为 100 250 10 8m 每 个颗粒只有一个磁畴 因此 同向颗粒相互吸引结合 因而不用高分子材料作 胶体粘合剂 而能获得较好的性能和长的使用寿命 图 6 1 是 Fe3O4胶体湿敏电 阻器结构图 图 6 2 是 Fe3O4湿敏电阻器电阻 湿度特性曲线 表现为负感湿特 性 黄霞 温 湿度控制电路设计 32 图 6 1 Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图 图 6 2 Fe3O4胶体湿敏电器 电阻 湿度特性 图 6 3 负特性湿敏电阻器时间常数曲线 图 6 4 湿滞回线和湿滞量 6 3 湿敏电阻湿度传感器的基本特性 6 3 1 电阻 湿度特性 湿敏电阻器的阻值随湿度变化一般是指数关系变化 当阻值随相对湿度的 增大而增加时 称正的电阻湿度特性 例如碳膜湿敏电阻器 阻值随湿度的增 大而减小时 称为负的电阻湿度特性 如金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻及 Fe3O4湿敏电阻器 如图 6 3 所示 10 11 对于负电阻湿度特性的湿敏电阻器的灵敏度定义为 R 1 R2 33 式中 R1 在 25 0 相对湿度条件下的电阻值 一般要求 R1在 1M 以下 R2 在 25 95 相对湿度条件下的电阻值 一般要求几 k 左右 值越大 说明元件对相对湿度的变化越敏感 6 3 2 时间常数 这是衡量湿度电阻器随湿度跃变的一个参数 当相对湿度跃变时 湿敏电 阻器的阻值不能立刻达到终值 而是要经过一段时间 湿敏电阻器的阻值增加 量从零变化到稳定增加量的 63 所需要的时间称为湿敏电阻器的时间常数 也 称为响应速度 湿敏电阻器的时间常数越小越好 吸湿过程和脱湿过程的时间常数不一定 相等 吸湿过程为相对湿度的升高过程 脱湿是相对湿度降低过程 都是指在 定温条件下的变化过程 6 3 3 滞后效应 湿敏电阻器周围的相对湿度变化一个往返周期时 相应的电阻值变化曲线 在吸湿和脱湿过程中并不重复 形成一个类似磁滞回线的湿滞环 如图 6 4 所 示 图中曲线 1 表示从高湿到低湿的变化 曲线 2 表示从低湿到高湿的变化 即为滞后效应 通常也称为 变差 这种变差越小越好 6 4 湿度自动控制电路的设计 6 4 1 湿度控制电路的组成 湿度控制电路 14 由湿度检测电路 比较控制电路 继电器控制的浇水系统 组成 16 湿度自动控制系统框图如图 6 5 所示 湿度检测 电路 比较控制 电路 浇 水 系 统 黄霞 温 湿度控制电路设计 34 图 6 5 系统原理框图 6 4 2 湿度检测电路设计 湿度检测电路主要由振荡电路 湿度传感器 RH 组成 1 器件选择 本设计采用了 HR202 湿敏电阻器 该湿敏传感器是采用有机高分子材料 的一种新型的湿度敏感元件 具有感湿范围宽 响应迅速 低功耗 小体积 抗污染能力强 无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点 性能指标 测量范围 20 95 RH 阻抗变化 5M 2 8K 线性度 2 RH 使用环境 0 60 图 6 6 湿度传感器 HR202 2 工作原理 由于湿敏电阻大都工作在交流状态下 而且要求频率不能超过 1kHz 所以 本电路设计了一个振荡电路 用来产生约 170Hz 的振荡波 由 NE555 脚输出 输出的振荡波加在湿度传感器 RH 上 经 VD301 C304 振流 滤波后 得到一直 流信号 接入比较器的正相输入端 6 4 3 比较控制电路 浇水系统 1 器件选择 1 电压比较器采用 M5249 13 其封装引脚图如图 6 7 所示 IN 反相输入瑞 IN 同相输入端 OUT 输出端 VCC 电源端 35 GND 接地端 主要参数 图 6 7 M5249 封装引脚图 电源电压 2 5 36V 输入电压 2V VCC 0 3 V 2 继电器采用 HRS1H S DC12V 接点容量为 3A 的小型中功率电磁继电器 2 工作原理 在比较控制电路中 主要使用了单电压比较器 M5249 其反相输入端 接有基准电压网络 正相输入端接有湿度检测信号 调节RP302可设定比较电路 的基准电压值 即设定控制的相对湿度 当环境中的湿度发生变化时 由于RH 呈现的电阻值的起伏变化使比较器的同相输入端的信号电平也随之发生变化 当相对湿度达到70 以下时 正相输入端的信号高于比较电路的反相输入端的基 准电压值 即低于设定的相对湿度时 比较器输出转成高电平 使VT301饱和导 通 继电器K通电吸合 电磁阀自动打开 浇水开始 当相对湿度达到70 以上 时 正相输入端的信号低于比较电路的反相输入端的基准电压值 即高于设定 的相对湿度时 比较器输出转成低电平 使VT截止 继电器K断电 电磁阀自动 关阀 浇水停止 6 4 4 湿度自动控制原理图 1 参数计算 振荡电路 NE555 用来产生 170Hz 的振荡波 提供给湿敏电阻器工作 由 f 1 T 得 T 1 170 5 9ms 若选择电容 C304 为 2 2U 电阻 R301 为 1K 则由周期 T 0 7 R301 2RP301 C304 可计算出 RP301 为 1 58K 则选用了 一个 2K 的可调电阻器 C301 C302是去耦电容 C301选用220V的电解电容 C302选用1U的电容 C306选用0 1U的电容 以起到滤波的作用 黄霞 温 湿度控制电路设计 36 由湿度检测电路和比较 浇水电路 组成湿度自动控制电路 其原理图如 图6 8所示 37 黄霞 温 湿度控制电路设计 38 图 6 8 湿度自动控制原理图 2 工作原理 39 由电源电路输出的 12V 直流电源 提供给湿度自动控制电路工作 电容 C301 C302 是去耦电容 以防止电源内阻产生信号耦合 由于选用的湿敏电阻器 RH202 工作在交流状态下 而且要求频率不能超过 1kHz 所以设计了一个振荡电路 用来产生约 170Hz 的振荡波 由 NE555 脚 输出 输出的振荡波经 C305 滤除直流信号后 将得到的交流信号加在湿度传感 器 RH 上 经 VD301 C304 振流 滤波后 接入单电压比较器的正相输入端 在比较控制电路中 单电压比较器 M5249 的反相输入端接有基准电压 网络 正相输入端接有湿度检测信号 当温度在正常范围内时 调节RP302设定 湿度检测电路中单电压比较器的基准电压值 即设定控制的相对湿度70 当环 境中的湿度发生变化时 由于RH呈现的电阻值的起伏变化使比较器的同相输入 端的信号电平也随之发生变化 当相对湿度达到70 以下时 比较电路中的正相 输入端的信号高于反相输入端的基准电压值 即低于设定的相对湿度时 比较 器输出转成高电平 使三极管VT301饱和导通 继电器K通电吸合 电磁阀自动 打开 浇水开始 当相对湿度达到70 以上时 比较电路中的正相输入端的信号 低于反相输入端的基准电压值 即高于设定的相对湿度时 比较器输出转成低 电平 使三极管VT301截止 继电器K断电 电磁阀自动关阀 浇水停止 黄霞 温 湿度控制电路设计 40 第 7 章 显示电路设计 为简化电路 显示模块使用了 A D 转换集成电路 ICL7107 ICL7107 是 一块三位半双积分式 A D 转换器 采用双列直插式封装 标准工作时的电压为 5V 5V 为了使 A D 转换器能稳定工作 本设计使用了三端固定式集成稳压 电路 7805 和 7905 分别为 ICL7107 提供 5V 和 5V 的双电源 如图 7 1 所示 图 7 1 双电源电路 41 双电源电路的工作原理 8 给 7805 的 1 脚和 7905 的 2 脚输入 40V 电压 电路中所接电容器的功能 与滤波电容相同 用来减少电压的脉动 并改善负载的瞬态响应 之后经 7805 和 7905 的 3 脚可输出 5V 和 5V 的电源 A D 转换集成电路 ICL7107 的相关内容如下 ICL7107 各脚功能如图 7 2 所示 图 7 2 ICL7107 引脚功能图 ICL7107 是一块应用非常广泛的集成电路 17 是一款性能强 功耗低的常 用 A D 转换器 它包含 3 1 2 位数字 A D 转换器 可直接驱动共阳数码管 内 部设有参考电压 独立模拟开关 逻辑控制 显示驱动 自动调零功能等 ICL7107 被设计为双电源 5V 5V 工作 具有自动校零和极性自动转换功 能 ICL7107 的 1 和 26 脚分别为正 负电源输入端 2 至 25 脚为笔划显 黄霞 温 湿度控制电路设计 42 示驱动端 27 和 28 脚接积分电容和积分电阻 29 脚接自动调零电容 30 和 31 脚为模拟量输入端 32 脚为公共端 33 和 34 脚接基准电容 35 和 36 脚为基准电压正负输入脚 37 脚为逻辑地 38 39 40 脚接振荡