传感器课程设计花盆缺水报警装置概要.docx

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传感器课程设计花盆缺水报警装置概要

花盆缺水报警装置

《

作者：

指导老师：

|

专业：

测控技术与仪器

班级：

学号：

）

报告提交日期：

2012年9月

》

一、前言··················································3

1、湿敏传感器的发展史·································3

2、湿敏传感器的种类及优缺点···························3

*

3、湿敏传感器发展趋势及应用···························4

二、选用湿敏传感器········································5

1、初定··············································5

2、实际选用···········································6

三、实验设计内容··········································6

'

1、设计题目···········································6

2、设计要求···········································6

3、设计原理···········································7

四、关于555的介绍·······································8

五、实验过程··········································9六、负责主要的工作·······································10

[

1.选题···············································10

2．电路模拟仿真·····································10

3.实验元器件的测试和电路调试························10

七、体会·················································11

八、致谢················································11九。

参考文献·············································11

]

十．附录·················································12

、

一、前言

·

1.湿敏传感器的发展史

早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，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。

新旧事物的交替与人们的观念转变很有关系。

由于干湿球、毛发湿度计的价格仍明显低于湿度传感器，造成一部分人对电子湿度传感器价格的不认可。

正好像用惯了扫帚的人改用吸尘器时，总觉得花几百元钱买一台吸尘器有些不上算，不如花几元钱买把扫帚那样心理容易平衡。

由于传统测湿方法在人们的脑海中印象太深了，一些人形成了只有干湿球湿度计才是准确的固有概念。

有些用户拿干湿球湿度计来对比刚购得的湿度传感器，如发现示值不同，马上认为湿度传感器不准。

须知干湿球的准确度只有5％一7％RH，不但低于电子湿度传感器，而且还取决于干球、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。

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，最常用分流式标准湿度发生器来进行标定。

所以希望用户在需要校准时也采用相同的方法，避免用准确度低的器具去校准或比对精度高的传感器。

2.湿敏传感器的种类及优缺点

种类：

1）、电解质湿敏元件

2）、高分子材料湿敏元件

3）、金属氧化物膜湿敏元件

4）、金属氧化物陶瓷湿敏元件

5）、热敏电阻式湿度传感器

6）、红外线吸收式湿度传感器

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7）、微波式湿度传感器

8）、超声波式湿度传感器

优缺点：

　　湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。

在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

　　湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，温度每变化℃。

将产生%RH的湿度变化（误差）。

使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。

有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。

多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5%RH的精度就足够了。

对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH以上精度的湿度传感器。

温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。

采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。

湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

3、，

4、温度传感器发展趋势

趋势：

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。

此外，湿度的标准也是一个难题。

国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温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。

应用：

任何行业的工作都离不开空气,而空气的湿度又与工作、生活、生产有直接联系,使湿度的监测与控制越来越显得重要。

湿度传感器的应用主要有如下几个方面:

拉绳传感器

（1）温室养殖现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围,是减少病虫害、提高产量的条件之一。

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（2）气候监测天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义,因而湿度传感器是必不可少的测湿设备,如树脂膨散式湿度传感器已用于气象气球测湿仪器上。

称重传感器

（3）精密仪器的使用保护　许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。

环境湿度必须控制在一定范围内,以保证它们的正常工作,提高工作效率及可靠性。

如电话程控交换机工作湿度在55[%]±10[%]较好。

温度过高会影响绝缘性能,过低易产生静电,影响正常工作。

位移传感器

（4）物品储藏　各种物品对环境均有一定的适应性。

湿度过高过低均会使物品丧失原有性能。

如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。

（5）工业生产　在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门,空气湿度直接影响产品的质量和产量,必须有效地进行监测调控。

压力传感器

【

二、选用湿敏传感器

1、初定湿敏传感器：

MgCr2O4—TiO2陶瓷温敏元件（MCT型）

1.结构：

在MgCr2O4—TiO2陶瓷片的两面,设置高孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。

在半导体陶瓷片的外面,安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈（又称Kathal加热器），以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。

元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。

为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和沾污而引起的漏电．在电极2和3的四周设置了金短路环。

2.感湿机理（一般认为）是：

利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿使电极间电阻值随相对湿度成指数变化。

-

）

3.电阻一湿度特性:

MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。

在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。

当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。

4.主要优点：

1）体积小，测湿范围宽，一片即可测（1—100）％RH，并可用于高温环境（150℃），最高承受温度可达600℃；

2）2）能用电热反复进行清洗．除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其它污染物，以保持精度不变；

3）3）响应速度快（一般不超过20s）；

4）4）长期稳定性好。

2、实际选用

。

三、实验设计内容

1.设计题目

盆花缺水报警装置：

利用湿敏传感器制作一个简单的可以进行盆花缺水报警装置：

当盆花缺水时，盆花缺水指示器就会闪烁发光，提醒人们及时给花浇水；使用555时基电路组成的振荡器来实现缺水时发光二极管VD闪烁。

2.,

3.设计要求

1）：

将湿度传感器埋于花中作为两个电极，当土壤缺水时，土壤的电阻率增大，和其串联的电阻电压很低，导致此电阻驱动的VT1截止，而此时作为555的驱动VT2却是导通的，555时基电路的振荡器工作，所以驱动所连接的发光二极管VD随着低频振荡信号闪烁发光，提醒浇水；

2）：

当盆花不缺水，土壤电阻率很小，两电极电阻很小，和其串联的电阻压降增加，则此电阻驱动的VT1导通….振荡电路停止工作，发光二极管VD灭。

3.设计原理

-

如图所示，这是一个由555时基集成电路和一些分立元件组成的测量土壤含水量的电路，其中由N沟道结型场效应管3DJ6E构成高阻输入检测电路，配合插入土壤的电极进行含水量检测。

当花盆缺水时，土壤的电阻率便增加，这时A、B两根电极间电阻很大，场效应管3DJ6E的栅极接近负电源电压，所以截止。

但晶体三极管BG2的基极通过电阻R2、R3获得偏流而导通，发射极电位上升，使555工作。

555是接成一个超低频多谐振荡器（1Hz），当其工作时，发光二极管随着振荡频率一闪一闪发光，提示花盆该浇水了。

土壤不缺水时，土壤电阻率很小，A、B间相当于一个小电阻，于是BG1的栅极近乎接“地”，栅压接近0V，漏源两极之间导通。

BG1导通时，其漏极电位下降，从而使BG2截止，其发射极电位也下降至“地”电位。

555停止工作，发光二极管不发光。

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4、）

5、关于555的介绍

555内部电路图：

555定时器：

！

各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端。

3脚：

输出端Vo。

/

4脚：

是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

TH高触发端。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

。

…

五、实验过程

1、选题阶段：

开始阶段小组讨论利用ICL7107CPL芯片设计数字温度计，但由于器材缺乏和设计精度要求，小组最终确定利用555定时器作为主控制器设计一个湿度传感器。

2、电路搭建阶段：

通过查阅资料，根据设想在protues上模拟搭建电路图，并确定具体数值。

3、软件仿真阶段：

使用protues等软件调试仿真，理论上实现了预期目标。

—

4、实际电路调试阶段：

在面包板上按照模拟电路图搭建初步的实际电路图，并通过检查线路，最终调试通过。

5、电路制板阶段：

最后在万用板上焊接电路，并检查排除电路故障，实际上达到预期目标。

6、实验结果整理阶段：

整理测得的数据并分析误差，讨论误差解决办法，撰写课程设计实验报告。

6、负责的主要工作

1．!

2．选题

初阶段通过在图书馆和电脑上搜集、阅读相关的资料，再结合实际所能提供的器材和精度要求，最终和组员选定这个课题。

2．软件模拟仿真

使用protues等软件调试仿真，理论上实现了预期目标。

^

仿真过程：

1）搜寻并选定所需元器件：

2）将所需元器件安放在可编辑区域：

3）

按照电路图连接电路：

#

4）文件的保存

3.实验元器件的测试和电路调试

用数字万用表测试电阻、导线、面包板测试并确定所需器件正常工作的，由小组其他成员在面包板上连接硬件电路后电路无法正常工作无温度显示，一起用万用表测试短路断路，发现部分导线接触不良，造成断路，测试元件的好坏，最终电路达到预期效果。

在万用板上和小组成员一起进行了整体布线，由小组其他成员进行焊接，焊接完发现接好电源线和地线后，LCD就灭了，由此我们判断焊接电路中可能出现短路断路，用万用表一根一根的导线测量，将短路断路的地方都检查出来并修改了，但此时接通电源线和地线后，LCD一直亮着但不显示温度和字符，我们对LCD引脚的高低电平测量，发现正常，确定单片机工作正常，推测可能是LCD出现故障，在换了一个正常的LCD后，最终电路达到了设计要求。

七、体会

此次课程设计中，每天严格按照规定的时间进行设计，通过有针对性的查找资料，让我了解了更多在课堂上未涉及的或是自己忽略了得知识；学会理论不等于就有了操作经验，因此，在这次的设计过程中，锻炼加强了我的动手能力，并懂得以后该怎样利用好所学的理论知识。

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在此次课程设计中，我们进行得并不是那么的顺利，找不到所要求的元器件时，就结合现有的并进行计算，修改电路参数。

得不到预期效果我们一根一根导线地测试，直到灯成功闪起的那一刻，付出的努力终于有了回报。

细心和耐心在此次过程中犹显重要，正负极接反、导线短接、计算有偏差……一点小差错都能导致实验的不成功，当电路无法正常工作时，要有足够的耐心去检查每一个导致得不到预期效果的问题。

这次课程设计，使我的动手操作能力得到了很大的提升，我真正体会到了知识的重要性，特别是理论联系实际，把我们所学的知识运用到实际生活当中，这样的知识才是对自己真正的武装。

八、致谢

首先感谢学校和老师给我们这样一个进行传感器课程设计的平台，给我们营造良好的学习氛围，特别感谢杨老师的指导，让我们有机会锻炼自己。

再次，感谢我的组员，在课程设计中对我的帮助和理解。

最后，感谢无私奉献的网友，有了他们提供的书本上没有的芯片的资料和丰富例程，我们才能成功完成此次课程设。

九、参考文献

［1］徐亦朱DS18B20可编程分辨率的单总线数字温度计2007-5-18.

［2］姚永平STC89C52RC数据手册.

［3］童诗白《模拟电子技术基础》（第四版）.高等教育出版社.

［4］杨恢先：

黄辉先《单片机原理及应用》北京.中国邮电出版社.2010.

［5］刘迎春等《传感器原理设计与应用》长沙.国防科学技术大学出版社.2004.

［6］阎石《数字电子技术基础》（第五版）.高等教育出版社.

［7］张道德等《单片机接口技术》（C51版）.北京.中国水利水电出版社.2010.

[8]万方数据库.西南佳通大学.苏凤《电容湿度传感器性能研究》

[9]万方数据库.CeramicHumiditySensorsBasedonMagnesiumAluminateSpinel.II.RelationbetweentheParametersofWaterAdsorptionKineticsandtheServiceCharacteristicsofCeramicHumiditySensorsintheMgAl2O4system（作者：

）

[10]刘少强，张靖《传感器设计与应用实例》.中国电力出版社

十、附录

附录一、总体硬件电路

附录二、实物图