基于555定時器的濕度檢測電路的設(shè)計與Multisim仿真

摘要：基于Multisim仿真軟件，利用555定時器設(shè)計了濕度檢測電路，用于電子技術(shù)實踐教學(xué)。系統(tǒng)設(shè)計：1)利用HM1500 濕度傳感器采集濕度信息，轉(zhuǎn)換為電壓信號;2)利用555定時器設(shè)計壓頻轉(zhuǎn)換電路，間接實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換;3)利用74LS161、74LS273等設(shè)計計數(shù)器測量鎖存濕度值;4)利用數(shù)碼管顯示濕度值。Multisim軟件仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計電路準(zhǔn)確穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，線性度高，且成本低。該系統(tǒng)設(shè)計融合了模擬電子技術(shù)及數(shù)字電子技術(shù)課程基本教學(xué)內(nèi)容，可作為實踐項目用于教學(xué)。

濕度檢測及控制在日常生活及工程生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。隨著電子技術(shù)日新月異的發(fā)展及新型器件的應(yīng)用，濕度檢測電路設(shè)計方案不斷更新優(yōu)化。本文為配合電子技術(shù)實踐教學(xué)，遵循以下原則設(shè)計了一種新型濕度檢測電路：1)方案所應(yīng)用到的知識點密切聯(lián)系模擬、數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容;2)不采用單片機(jī)等微處理器，而采用常用邏輯功能器件進(jìn)行信號處理;3)設(shè)計方案的硬件電路調(diào)試方便，滿足實踐教學(xué)的可行性。本文切合以上原則，基于Multisim仿真軟件，利用555 定時器設(shè)計了濕度檢測電路，仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計電路準(zhǔn)確、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，線性度高，且成本低。

1 濕度檢測電路設(shè)計方案

本文依照圖1設(shè)計了濕度檢測電路。濕度采集模塊將濕度值轉(zhuǎn)換為電壓信號;壓頻轉(zhuǎn)換模塊間接地實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻率信號(方波);濕度測量及顯示模塊通過測量頻率大小測量出環(huán)境濕度值，并進(jìn)行顯示。

2 濕度檢測電路模塊設(shè)計

2.1 濕度采集模塊設(shè)計

日常生活中所指的濕度常為相對濕度，用%RH(Relativehumidity)表示，即氣體中的水蒸氣壓與其氣體的飽和水蒸氣壓的百分比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。

HM1500是一款典型的線性電壓輸出式濕度傳感器，其輸出是與相對濕度呈線性關(guān)系的電壓信號，如式(1)所示。

Uout(mv)=25.68RH+1 079 (10≤RH≤95) (1)

如圖1所示，HM1500將濕度值轉(zhuǎn)換成電壓信號后，經(jīng)信號處理模塊處理，實現(xiàn)整個濕度采集模塊輸出電壓值U'out與濕度值呈正比例函數(shù)線性關(guān)系，如式(2)所示。

U'out(mv)=Uout-1 079=25.68RH (2)

基于multisim仿真軟件設(shè)計的具體電路如圖2所示。其中，由于multisim不支持HM1500元件，仿真過程采用虛框(a)中電路，其輸出為0～4 V可調(diào)，可模擬濕度RH變化范圍。

虛框(b)中電路可產(chǎn)生穩(wěn)定輸出1.079 V。基于運算放大器設(shè)計的減法電路如虛框(c)中所示。根據(jù)表1中不同濕度RH值下傳感器輸出值調(diào)節(jié)電位器R2，得到相應(yīng)的采集模塊輸出值，由表1中數(shù)據(jù)及圖3所示曲線可知，濕度采集模塊實現(xiàn)了其輸出電壓值與濕度值呈正比例函數(shù)線性關(guān)系，即式(2)所示。

2.2 壓頻轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

壓頻轉(zhuǎn)換模塊由集成運算放大器差分積分電路及555定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路構(gòu)成，如圖4所示。其中，R1=R4，C1=C4，電路輸出高電平記為Uoh，低電平記為Uol，要求UiUoh。

根據(jù)555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析得，圖4中壓頻轉(zhuǎn)換電路含兩種狀態(tài)：初始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。在這兩個狀態(tài)下，Utr，Uth和Uo的波形如圖5所示。

初始狀態(tài)：上電時，Utr，Uth均為低電平1/3VCC，555則輸出Uoh，差分積分電路中C1、C4從Utr=0 V開始充電，單穩(wěn)態(tài)電路中C2也從Uth=0 V開始充電，適當(dāng)選擇電路參數(shù)，使得Utr充電到>1/3VCC時，C2上充的電壓Uth2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、 C2繼續(xù)充電，當(dāng)C2上充的電壓Uth>2/3VCC時，Utr仍然>1/3VCC，輸出則變?yōu)閁ol，此時，C2通過555內(nèi)部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V2/3VCC，而C1、C4通過電阻R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持，電路繼續(xù)放電。

穩(wěn)定狀態(tài)：當(dāng)放電使得Utr1/3VCC時，由于此時Utr=0 V2/3VCC，則輸出變?yōu)閁oh，此時C1、C4從Utr=1/3VCC開始充電，C2則從Uth=0 V開始充電，則肯定有Utr充電到>1/3VCC時，C2上充的電壓Uth2/3VCC，則輸出保持Uoh，C1、C4、C2繼續(xù)充電，當(dāng) C2上充的電壓Uth>2/3VCC時，Utr仍然>1/3VCC，輸出則變?yōu)閁ol，此時，C2通過555內(nèi)部放電管迅速放電為0 V，即Uth=0 V2/3VCC，而C1、C4通過電阻R1、R4緩慢放電，若放電仍然Utr>1/3VCC，則輸出保持Uol，電路繼續(xù)放電，當(dāng)放電使得 Utr1/3VCC時，由于此時Uth=0 V2/3VCC，則輸出變?yōu)閁oh。則該穩(wěn)定狀態(tài)不斷重復(fù)。

根據(jù)以上分析可知，進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)后，若令充電時間為t1，放電時間為t2，周期為T=t1+t2，由555電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路分析知：

因此，本文設(shè)計中，取C2=10μF，則R2=466.9 Ω(實際用1 kΩ電位器)。

本文基于multisim軟件。針對10個不同輸入情況對圖4所示電路進(jìn)行了仿真。經(jīng)過仿真，調(diào)節(jié)參數(shù)R2=1kx48.8%=488 Ω，其它參數(shù)如圖4所示不變。圖6所示為部分輸入時仿真所得，和的波形，波形結(jié)果與前文分析一致。表2為所有仿真情況數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計。根據(jù)表2中仿真數(shù)據(jù)繪制出圖7所示壓頻轉(zhuǎn)換線性關(guān)系曲線。由表2及圖7結(jié)果可知，本文設(shè)計的壓頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度高，且轉(zhuǎn)換線性度高。

2.3 濕度測量及顯示模塊設(shè)計

本文設(shè)計的濕度測量及顯示模塊如圖8所示。設(shè)計100進(jìn)制BCD計數(shù)器對壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出頻率信號進(jìn)行計數(shù)，設(shè)計多諧振蕩器產(chǎn)生圖中所示波形①作為計數(shù)器使能信號，波形①通過非門取反后產(chǎn)生波形②作為鎖存器CLK信號，波形②通過非門取反后產(chǎn)生波形③作為計數(shù)器清零信號。整個控制端信號實現(xiàn)如下控制時序：計數(shù)器計數(shù)結(jié)束時鎖存計數(shù)值，鎖存好計數(shù)值后清零計數(shù)器，以等待6 s后進(jìn)行下一次計數(shù)。該部分詳細(xì)設(shè)計及電路仿真不在本節(jié)贅述。

3 總體設(shè)計

根據(jù)圖1設(shè)計方案，將2.1～2.3節(jié)介紹的各模塊設(shè)計電路進(jìn)行連接即可得到基于555定時器設(shè)計的濕度檢測系統(tǒng)的總體電路，本節(jié)模擬表1中環(huán)境RH值對總體電路進(jìn)行了仿真。不同RH值的環(huán)境下，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)如表3所示，本文提出的濕度檢測電路準(zhǔn)確，存在誤差為1%～3%。

4 結(jié)論

本文基于555定時器設(shè)計的濕度檢測電路準(zhǔn)確、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，線性度高，成本低。設(shè)計方案融合了模擬電子技術(shù)及數(shù)字電子技術(shù)課程基本教學(xué)內(nèi)容，可作為實踐項目用于教學(xué)。