HS1100_HS1101电容式湿度传感器及其应用

收稿日期:2001203208　修改稿日期:2001205214

H S1100/H S1101电容式湿度传感器及其应用

林　敏　于忠得大连轻工业学院　辽宁省大连市　116034

侯秉涛

大连工业学校　辽宁省大连市　116033

　　【摘要】介绍了一种新型的电容式湿度传感器的湿敏特性及其测量显示仪表的工作原理、电路

组成与优良性能。关键词:湿度　测量　电路中图分类号:TH837

1　引言

测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。

2　特点

不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,有顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

图1为湿敏电容工作的温、湿度范围。图2为湿度-电容响应曲线

。

图1　HS11××湿敏电容工作的温湿度范围

相对湿度在0%～100%RH 范围内;电容量由

162p F 变到200p F ,其误差不大于±2%RH ;响应时间小于5s ;温度系数为0.04p F/℃。可见精度是较高的。

3　湿度测量电路

HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效

于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常用两种方法:一是将该湿敏电容置于

运放与阻容组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D 转换为数字信号;另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,可直接被

计算机所采集。

图2　HS11××湿敏电容的湿度—电容响应曲线

频率输出的555测量振荡电路如图3所示。集成定时器555芯片外接电阻R 4、R 2与湿敏电容C ,构成

了对C 的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C 的放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R 3是防止输出短路的保护电阻

,

R 1用于平衡温度系数。

图3　频率输出的555振荡电路

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先电

源V s 通过R 4、R 2向C 充电,经t 充电时间后,U c 达到芯片内比较器的高触发电平,约0.67V s ,此时输出引

4

4　　　仪表技术与传感器

2001年

脚3端由高电平突降为低电平,然后通过R 2放电,经

t 放电时间后,U c 下降到比较器的低触发电平,约0.33

V s ,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如

此翻来覆去,形成方波输出。其中,充放电时间为

t 充电=C (R 4+R 2)ln2

t 放电=CR 2ln2

因而,输出的方波频率为

f =1/(t 充电+t 放电)=1/[C (R 4+2R 2)ln2)]可见,空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号,表1给出了其中的一组典型测试值。

表1　空气湿度与电压频率的典型值

湿度

%RH 频率

Hz 湿度

%RH 频率

Hz 07351606600107224706468207100806330306976906186406853100

6033

50

6728

3　整机电路构成

整机电路构成框图如图4所示。

图4　整机电路构成框图

(1)主机部分　核心器件选用了内含Flash 存储

器,可直接驱动L ED ,且与8051系列软硬件兼容的高

性能低价位的A T89C2051单片机。

(2)输入部分　湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号,经滤波、整形、光耦、放大等信号处理后,送入单片机的定时/计数器T1,T1工作于方式1为16位计数器,定时记录脉冲数并存入内存缓冲区(T0工作于方式2为自动重装方式的定时器)。

(3)显示部分　4位L ED 数码管用来显示湿度的实测值、报警值、设定值及标志位等,为了节省单片机的I/O 口资源,采用串行方式输出数据到4片串入并出移位寄存器74L S164,直接驱动L ED 进行静态显示。

(4)按键部分　3个I/O 口连到3个独立按键起

到设定、运行、复位等功能。(5)输出部分　2个I/O 口经光耦放大接到2个继电器产生超限时的报警接点输出。

(6)X25045接口　美国Xicor 公司的X25045芯片集Watchdog 、电压监控和EEPROM 三种功能为一体,只占用单片机4个I/O 口,便可起到可编程看门狗、断电后保存数据、上电掉电时自动复位等功能。

4　整机性能指标

由于采用了性能优良的HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其振荡测量电路,获得了频率信号与湿度值的近似线性关系,通过软件的分段线性与查表计算等数据处理,可以校准补偿频率、漂移以及元器件的误差,因而所构成的湿度测量仪具有结构简单、成本低、测量精度高、响应时间快、性能稳定的优点。其主要技术指标如下:

(1)测量范围:0～100%RH ;(2)测量精度:±2.5%;

(3)报警设定:0～100%RH ;

(4)输出接点容量:220VAC ,1A.

下期要目预告

3CMOS 集成电容绝对压力传感器3电容式压力传感器的厚膜集成化研究3湿度传感器复阻抗测量方法的研究3一个用于化学热泵的分布式测控系统3一种新型微型空速计的研制

3汽车测速系统中的相位基准信号及校正方法

3高精度转速表设计

3基于CAN 总线的仓储粮情测控系统3光电旋转编码器的研究与应用

3一种适于微功耗智能仪表的A/D 接口设计3提高PLC 在生产线应用中的安全可靠性3工业过程电容层析成象系统的硬件设计

5

4第10期?经验与交流?