一种湿度检测电路的设计

摘要：湿度是工农业生产和人民日常生活非常重要的环境因素，为了达到稳定、高亮度和快速的显示，采用电容式湿度传感器和单片机结合的方法设计了湿度检测电路，给出了传感器、单片机、A／D转换、显示等元器件和单元电路选择和设计的依据。检测时，湿度传感器HM1500感受湿度变换成电信号送ADC0809转换后经单片机C51处理，由MAX7219控制显示。检测电路具有原理清楚、结构简单、灵敏度高、稳定性好以及高亮度数码显示等特点。
关键词：湿度；传感器；检测电路；ADC0809

0 引言
    随着现代工农业技术发展以及人们对生活环境和质量要求的提高，湿度的测量和控制显得日益重要起来。如在具有粉尘作业和电子产品生产的车间里当湿度小而产生静电时，常会发生爆炸事故；在大规模集成电路生产过程中，当湿度低于30％时，容易产生静电而影响生产；仓库湿度过大，会使存放的物资变质或变坏；在农业的育苗、栽培、生产、保鲜等方面也都需要对湿度进行测量与控制。另外，为了使人们的生活环境舒适，必须对湿度进行检测和控制。
    湿度常用相对湿度来表示。它是指空气中实际所含水蒸气的分压Pw和同温度下饱和水蒸气的分压Pw的百分比，即：
   

1 电路组成及工作原理
    湿度检测电路由湿度传感器、A／D转换电路、主机电路、显示电路组成，原理框图如图1所示。

    湿度传感器HM1500将检测到的湿度信号转换成电压信号，经放大后送入A／D转换器，并通过A／D转换器将模拟信号转换成单片机需要的数字信号，经单片机处理后，通过显示电路显示。

2 单元电路选择与设计
2．1 湿度传感器
    这里，湿度传感器采用美国Humirel公司生产的HM1500，它是电压输出式集成传感器，有GND，Ucc(+5 V电源端)、Uo(电压输出端)3个引脚。内部包含由HS1101型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号。输出阻抗为70 Ω，适合与ADC单片机相连。测量范围的0～100％RH，输出电压范围为1～4V，精度为±3％RH，灵敏度为25mV／RH，温度系数为0．1RH／℃。
    输出电压的计算公式：
    Uo=1.079+0.2568 RH     (2)
2．2 A／D转换电路
    A／D转换器采用ADC0809，它是8位8通道逐次逼近式转换器，由一个8路模拟开关，一个地址锁存与译码器，一个8位转换器和一个三态输出锁存器组成。它有八路模拟量输入端，在多路开关的控制下，任一瞬间只能由一路模拟量经模拟通道输入到A／D转换器中的比较器。对输入电压范围要求为0～5 V，HM1500的电压输出范围在1～4 V，因此电路中不需要设置放大电路。
    ADC0809与AT89C51的连接如图2所示，连接时需要地址锁存器74LS373。

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2．3 单片机
    单片机选用MCS-51系列单片机AT89C51。AT89C51是一种带4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器、高性能的CMOS 8位微处理器，具有软件编程灵活、自由度大、性价比高的特点。AT89C51芯片时钟可达12 MHz，运算速度快，控制功能完善。
2．4 显示电路
    显示电路采用LED显示器动态显示。动态显示采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个数码管轮流点亮。但由于点亮的时间短暂和人的视觉及二极管的余辉效应，给人视觉是一组稳定的显示数据。同时动态显示还具有节省I／O口、硬件电路简单等优点。
    显示电路由MAX7219芯片控制实现，它是一种高集成化的串行输入／输出的共阴极LED显示驱动器，每位可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，与微处理器连接只需3根线。

    MAX7219与51单片机串行接口连接图如图3所示。MCS-51单片机串行口工作于方式0，通过RXD(P3．0)引脚发送／接收串行数据，通过TXD(P3．1)引脚发送移位时钟脉冲。发送顺序为低位在前高位在后，与MAX7219的接收相反。
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3 总体检测电路
    湿度检测总体电路图如图4所示。湿度传感器HM1500接收到湿度信号，将其转化成电压信号，经内部放大器放大后，通过模拟通道IN1送入A／D转换器ADC0809。

    要使ADC0809工作，先对其进行初始化，使ST，OE信号全部为低电平。把模拟通道IN1的地址送入A，B，LabVIEWC端口上。ADC0809通道选择引脚A，B，C的地址由地址锁存器74LS373提供。将单片机P2．7作片选信号，只有P2．7为低电平时，才能对ADC0809进行操作。启动A／D转换时，由单片机的写信号WR和P2．7共同控制ADC地址锁存和转换启动，ALE和START连在一起，ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。A／D转换后得到的数字量需单片机读取并进行处理，单片机读取结果时采用中断方式。转换结束信号EOC经非门与89C51的INT1相连。A ／D转换结果的读取需要对A／D转换是否完成进行确认。确认完成才可读取数据。用单片机的读信号RD和P2．7经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用于打开三态输出锁存器，就能读出模拟通道IN1的转换结果。A／D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。中断服务程序中，将转换好的数据送入指定的存储单元。
    单片机把A／D转换的数据通过RXD(P3．0)引脚送入MAX7219的串行数据输入端DIN，当CLK为上升沿时，数据被载入16位移位寄存器。LOAD为片选端，当LOAD为低电平时，芯片接收送来的数据，当LOAD为高电平时，接收的数据被锁定，然后通过数码管显示出来。

4 软件设计
    检测电路的软件部分采用模块化程序设计，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的，主要包括数据采集子程序、显示子程序等模块，主程序流程图如图5所示。

    系统的初始化包括对A／D转换器的初始化、MAX7219的初始化等。ADC0809的初始化使ST和OE全部为低电平。MAX7219初始化时将5个工作状态寄存器，即译码方式选择、亮度调节、扫描位数设定、待机开关和显示器检测全部为零。
    数据采集部分的子程序设计是单片机对A／D转换器ADC0809的操作。驱动ADC0809的IN1进行A／D转换，单片机接收转换好的数据，存入指定内存单元，由INT1中断服务程序完成。每次驱动A／D转换后等待外部中断1，中断到来说明A／D转换已经完成，通过中断服务程序读取转换得到的数据。
    显示子程序是指单片机通过中断方式对MAX7219的控制，传送16位数据的地址位和数据位。它还包括对串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配等。

5 结语
    本设计创新地利用电容式湿度传感器和单片机结合，使设计的湿度检测电路结构简单、灵敏度高、稳定性好以及数码显示亮度高。