西南科技大学专业方向设计报告
课程名称：自动化专业方向设计
设计名称：基于HS1101的湿度测量仪设计
姓名：
学号:
班级：自动化0801班
指导教师：
起止日期：2011.11.07——2011.11.30
西南科技大学信息工程学院制
方向设计任务书
学生班级：自动化0801班学生姓名：学号：20085019
设计名称：基于HS1101的湿度测量仪设计
起止日期：2011.11.07——2011.11.30 指导教师：朱玉玉
设计要求：
一、设计内容
1、使用HS1101传感器完成湿度测量电路。
2、设计电容/频率（C/F）转换电路、频率/电压（F/V）转换、减法电路及V/I转换电路。
3、完成必要的电路仿真
4、搭建电路调试
二、基本要求
1、测量范围0～100%RH，精度小于5%
2、分析结果。
方向设计学生日志
时间设计内容
2011.11.09 联系指导老师，熟悉设计内容及基本要求
11.10—11.15 查阅相关资料及构建设计方向框架
2011.11.16 联系指导老师就方向设计框架答疑
11.17—11.20 搭建各模块硬件仿真电路（C/F转换、F/V转换、A/D转换及显示电路）11.21—11.22 A/D转换软件控制及数码管显示软件控制程序调试
2011.11.23 联系指导老师就整体硬件和软件仿真电路提出改进建议
11.24—11.25 撰写专业方向设计报告
基于HS1101的湿度测量仪设计
摘要：此湿度测量仪是基于电容式湿度传感器HS1101和单片机AT89S51对湿度测量并通过四
位共阳极数码管显示。HS1101是电容式湿度传感器，在不同的湿度环境下呈现出不同的电容值。在0%～100%RH湿度范围内，电容从163PF变化到202PF，测量误差为2%RH。为了反映出其电容的变化，本系统采用NE555多谐震荡电路产生不同的频率，同时将频率通过LM331转换为电压并通过A/D转换将其转换位数字量，单片机采集到A/D转换后的数据进行处理与计算，得出当前的湿度并送给数码管显示。
关键词：HS1101；C/F转换；F/V转换；A/D转换；AT89S51
Design of Humidity Measurer Based on HS1101 Abstract: The humidity measurer is based on moisture sensor of capacitive - HS1101
and SCM -AT89S51 for humidity measurement and displayed by a total of four anode digital tube. HS1101 is moisture sensor of capacitive which presents different capacitance in different air humidity. The capacitance changed from 163PF to202PF while the humidity changed within the scope of 0% ~ 100% RH and error of measurement is only 2% RH. In order to reflect the change of capacitance, the system own different frequency through the flip-flop circuit of NE555 and convert frequency to voltage through LM331 and then conversion into digital quantity by A/D conversion. SCM calculate the data and then send the humidity to digital tube to display.
Keywords: HS1101；C/F conversion；F/V switching；A/D conversion；AT89S51
目录
一、设计目的和意义 (2)
二、控制要求 (2)
1、设计内容 (2)
2、基本要求 (2)
三、设计方案论证 (2)
1、总体方案设计 (2)
2、系统主要单元选择与论证 (3)
(1)振荡电路单元模块选择与论证 (3)
(2)F/V转换单元模块选择与论证 (3)
(3)模数转换单元模块选择与论证 (3)
(4)显示单元模块选择与论证 (3)
四、系统设计 (3)
1、系统硬件电路设计 (3)
(1)湿度的测量 (3)
(2)湿度/频率转换电路（线性频率输出式相对湿度测量电路） (5)
(3)频率/电压转换电路 (6)
(4)模数转换电路 (8)
(5) 显示单元电路 (11)
2、系统软件设计 (12)
(1)系统主程序设计 (12)
(2)数据处理子程序和数码管显示子程序 (12)
(3)A/D转换子程序设计 (13)
五、设计结果及分析 (13)
六、结束语 (14)
参考文献 (15)
附录1 系统整体电路图 (16)
附录2 程序代码 (17)
一、设计目的和意义
本课程设计是为自动化专业高年级本科生开设的必修课，是对学生运用所学知识的一次综合训练。其目的是让学生得到一次进行独立设计的工程实践锻炼，不仅培养严谨的科学态度和扎实的实践技能、良好的工程意识，并在设计中学会如何发现、分析和解决工程实践问题的技能和方法，将所学知识综合应用于工程实践中，通过课程设计，既有助于巩固同学们所学专业知识、培养独立设计能力、提高综合运用知识的能力，同时也为后续的毕业设计做好准备。
二、控制要求
1、设计内容
(1)、使用HS1101传感器完成湿度测量电路；
(2)、设计电容/频率（C/F）转换电路、频率/电压（F/V）转换、减法电路及V/I转换电路；
(3)、完成必要的电路仿真；
(4)、搭建电路调试。
2、基本要求
(1)、测量范围0～100%RH，精度小于5%；
(2)、分析结果。
三、设计方案论证
1、总体方案设计
本课题所设计的系统有三个原则：1、操作简便，为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法。2、可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高的元器件；供电电源采用抗干扰措施；进行多向滤波等作为出发点。3、性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性价比。
本次课题的设计系统的示意图如图1。
2、系统主要单元选择与论证
(1)振荡电路单元模块选择与论证
NE555 （Timer IC）为8脚时基集成电路，它是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜，故为本系统的最优方案。
(2)F/V转换单元模块选择与论证
LM331是一种廉价的精密频率—电压转换器，采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内（-55℃—+125℃）都有极高的精度，而且其转换的线性精度高达±0.01％、功耗低（5V单电源时典型值为15mW）、动态范围宽、满量程频率范围宽(1Hz—100kHz),故为该系统的最优方案。
(3)模数转换单元模块选择与论证
方案一：采用A/D转换芯片ICL7107，ICL7107是高性能、低能耗的三位半A/D转换器电路。它包含有七段译码器、显示驱动器参考源和时钟电路，但引脚较多，共有40个引脚，而且ICL7107需要直接接数码管，故本系统不采用。
方案二：采用集成A/D转换器ADC0801，ADC0801是较流行的中速单通道8为全MOS A/D 转换器，它内部含有时钟电路，只需外接一个电阻和电容就可自身提供时钟信号，而且引脚较少，控制较为简单。因此，本方案为首选方案。
综上所述，模数转换单元模块选择方案二。
(4)显示单元模块选择与论证
方案一：采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂，故不采用。
方案二：采用四位共阳极数码管显示所测数据，数码管接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于12864液晶。因此，本方案为首选方案。
综上所述，显示模块选择方案二。
四、系统设计
1、系统硬件电路设计
(1)湿度的测量
本系统采用HS1101作为湿度传感器，HS1101是美国Humirel公司新推出的湿敏电容，采用了固态聚合物（solid polymer）专利技术，能够成不同输出形式的相对湿度检测电路，还可用作湿度补偿。
①HS1101的性能特点
a 、测量范围是（0～100﹪）RH 。在55﹪RH 下的标称电容量为180pF,允许有±3pF 的偏差。温度系数为+0.04pF/℃。在（33％～75％）RH 范围内的平均灵敏度为0.34pF/RH 。
b 、产品具有良好的互换性。在标准条件下（10kHz 、+25℃），更换HS1101时不需要重新标定。
c 、既可以构成线性电压输出电路，亦可组成线性频率输出电路。由它们组成振荡电路时，振荡频率范围是5kHz ～100kHz ，典型值为10kHz 。
d 、响应速度快（响应时间为5s ）,恢复时间短（10s ），长期稳定性好（年漂移量仅为±1.5％RH ），湿度滞后量为±1.5％。
e 、供电电压一般选+5V ，最高不超过+10V 。+5V 供电时漏电流仅为1nA 。工作温度范围是-40℃～+100℃。
②HS1101的工作原理
图2示出某典型产品的电容量与相对湿度的响应曲线，其测试条件为工作频率f=100kHz ，室温A T =+25℃。量湿敏电容在55％RH 下的电容量为0C ，如图2可见，该产品的0C =181.5pF 。当相对湿度从0％变化到100％时，0C 就从163pF 增加到202pF 。
图2 某典型产品的电容量与相对湿度的响应曲线
当RH ≠55％时，可按下式对电容量进行修正：
0)208.090.0(C RH C += (1) 利用式(1)不难验证，当 C
201.6pF 。这与从图2上所查到的结果完全一致。
当工作频率f ≠10kHz 时，应按下式计算实际电容量C '：
C f C )ln 01185.0027.1(-=' (2) 式中，频率单位是kHz ，允许工作频率范围是5kHz ～100kHz 。举例说明，当kHz f 5=时，利用式(2)计算出C C 0079.1='；当kHz f 100=时，C C 972.0='。 (2)湿度/频率转换电路（线性频率输出式相对湿度测量电路）
HS1101将湿度变化转换为电容变化，再将电容的变化转换为频率信号的变化。本设计应用了有NE555定时器组成的典型的多谐振荡电路。
线性频率输出式相对湿度测量电路如图3所示，利用一片CMOS 定时器NE555，配上HS1101和电阻2R 、4R 构成单稳态电路，将相对湿度转化为频率信号。输出频率范围是7351Hz ～6033Hz ，所对应的相对湿度为0％～100％。当RH=55％时，f =6660Hz 。输出频率信号可送至数字频率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。3R 为输出端的限流电阻，起保护作用。
图3 线性频率输出式相对湿度测量电路
通电后，电源沿着电源?→??→??→??→?
敏电容的压降C U 就被充电到NE555的高触发电平)67.0(CC H U U =，使内部比较器翻转，Q 端的输出变成低电平。然后1C 开始放电，放电回路为DC R C ?→??→?21端→内部放电管→地。经过2t 时间，C U 降至低触发电平）（CC L U U 33.0=，内部比较器再次翻转，使Q 端输出高电平。这样周而复始的进行充、放电，就形成了震荡。充电、放电时间分别为
2ln )(4211R R C t += (3)
2ln 22CR t = (4)
输出波形的频率(f )和占空比(D)的计算公式如下： 2
ln )2(1
114221R R C t t T f +=
+==
(5) 4
24
2
21112R R R R t t t T t D ++=+==
(6) 通常取24R R <<，使0050≈D ，输出接近于方波。例如，取Ω=k R 5762、Ω=k R 9.192时，D=52％。
当pF C C 5.1810==时，由式(5)求出Hz f 6668=，这与6660Hz （典型值）非常接近。
0055=RH 、C T A 025+=时，输出方波频率与相对湿度的数据对照见表1。
表1 输出方波频率与相对湿度的数据对照表
RH/(％) 0
10
20
30
40
50 60 70 80 90 100
f/Hz
7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033
当0055≠RH 时，可利用下式对输出频率进行修正：
f RH f )1979.01038.1(-=' (7) 举例说明，当RH=0％时，由式(7)计算出f '=1.1038f =1.1038×6660Hz=7351.3Hz 。同理，当RH=100％时，f '=0.9059f =6033.3Hz 。这与表1中给出的数据相吻合。 (3)频率/电压转换电路
将湿度信号转换为频率信号后，由于A/D 转换的信号是电压信号，所以必须将频率信号进一步转换为电压信号。频率电压（F/V ）转换采用了LM331。
① LM331概述
LM331是美国NS 公司生产的性价比比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D
作温度范围内和4V 电源电压范围内有极高的精度。LM331动态范围宽，可达到100dB;线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工频降低到0.1Hz 时也能保证较好的现行；变化精度高，数字分辨率可达到12位外接电路简单，只需要介入几个外部元件就很容易构成V/F 获F/V 转换。
② LM331内部结构
Q
R-S 触发器能隙基准电路
精密电流源电路
+
-
-+
输入比较器
定时比较器
R
2R
各电路偏置电流
76
5
4
12
3
8
-+
Vcc
增益调整
参考电压1.90V
输出驱动管
输出保护管
复零晶体管
I R
图4 LM331内部结构
由图4所示，LM331主要有输入比较器、定时比较器、R-S 触发器、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管、输出驱动管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，可以通过选择逻辑电流和外接电阻灵活改变输出脉冲的逻辑电平。LM331可以采用双电源或单电源供电，工作电压4.0～40V,输出高达40V ，而且可以有效防止Vcc 短路。
③ 工作原理分析
由F/V 转换原理图知，输入脉冲经过7R 、5C 组成的微分电路加到输入比较器的反向输入
端，同相输入端经过8R 、9R 分压加了大约2
3
cc V 直流电压，而反向输入端加了cc V 直流电压。当
输入脉冲下降沿到来时，经过7R 、5C 组成的微分电路形成的负脉冲加到反向输入端，当幅值
大于1
3
cc V 时，输入比较器输出高电平，使R-S 触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源R
I 对6C 充电。而复零晶体管截止，cc V 通过13R 对7C 充电，当7C 两端电压达到2
3
cc V 的时候，定时
比较器输出高电平，使R-S 触发器复位，电流开关打向左边，6C 通过12R 放电，同时复零晶体管导通，7C 迅速放电，完成一次充放电过程，下降沿脉冲来时重复上述过程。
图5 F/V 转换原理图
由分析可知6C 充电时间由13R 、7C 决定，充电电流大小由R I 决定，输入频率越高，6C 积累电荷越多，输出电压越高（6C 两端电压），实现了F/V 转换。
由V/F 转换电路分析得出公式可知： 11
1013
712009.2R R R C R f V i +=
(8)
电容5C 不宜选择太小，应该保证输入脉冲经过微分以后有足够的幅值来触发输入比较器，但5C 小些有利于提高转换电路抗干扰能力。6C 和12R 组成低通滤波器。6C 大些会使o V 纹波小些，而6C 小些，当频率变化时，输出响应快些。 (4)模数转换电路
由于单片机采集的数据只能是数字量，而经LM331转换后的电压值为连续的模拟量，故需要通过A/D 转换先将其转换为数字量后再送经单片机P1口。本系统采用的A/D 转换器为ADC0801。
① 模数转换芯片ADC0801引脚图及功能介绍 ADC0801各引脚的功能如下：
a 、1(CS )、2(RD )和3(WR )脚为输入控制端，都是低电平有效。CS 为输入片选信号，
电路取走转换结果。WR 为输入启动转换信号，0=WR 时，启动芯片进行转换。
图6 ADC0801引脚图
b 、 4(IN CLK )脚为外部时钟脉冲输入端，时钟脉冲频率的典型值为640 kHz 。
c 、 5(INTR )脚为输出控制端，低电平有效。当一次转换结束时，INTR 自动由高电平变为低电平，以通知其他设备(如计算机)来取结果。下一次转换开始时，INTR 又自动由低电平变为高电平。ADC0801的一次转换时间约为100 us 。
e 、 6()(+IN V )和 7()(-IN V )脚为模拟信号输入端，是输入级差分放大电路的两个输入端。如果输入电压为正，则从6脚输入，7脚接地；如果为负，则反之。
f 、 8(AGND )脚为模拟信号接地端。
g 、 9(2/REF V )脚为外接参考电压输入端，其值约为输入电压范围的二分之一。当输入电压为0～5 V 时，此端通常不接，而由芯片内部提供参考电压。 h 、 10(DGND )脚为数字信号接地端。
i 、 11～18(07~D D )脚为八位数字量的输出端，由三态锁存器输出，因此数据输出可以采用总线结构。
j 、 19(R CLK )脚为内部时钟脉冲端。由内部时钟脉冲发生器提供时钟脉冲，但要外接一个电阻R 和一个电容C ，如图7所示。内部时钟脉冲的频率为
RC
f 1.11
=
(9)
当Ω=k R 10、pF C 150=时， kHz f 640=。内部时钟脉冲产生后，也可以从19端输出，供同一系统中其他芯片使用。
k 、 20(CC V )脚为电源端，V V CC 5=。
② ADC0801应用
利用ADC0801进行一次A/D 转换，其工作过程为：先由外电路给CS 片选端输入一个低电平，选中此芯片使之进入工作状态，此时RD 输出为高电平，表示转换没有完成，芯片输出为高阻态。WR 和INTR 为高电平时芯片不工作。当外电路给WR 端输入一个低电平时启动芯片，正式开始A/D 转换。转换完成后，RD 输出为低电平，允许外电路取走D0～D7数据，此时外电路使CS 和RD 为高电平，A/D 转换停止。外电路取走70~D D 数据后，使INTR 为低电平，表示数据已取走。若要再进行一次A/D 转换，则重复上述控制转换过程。
图7 ADC0801应用接线图
图7所示电路是ADC0801连续转换工作状态：使CS 和WR 端接地，允许电路开始转换：因为不需要外电路取转换结果，也使RD 和INTR 端接地，此时在时钟脉冲控制下，对输入电压t v 进行A/D 转换。八位二进制输出端70~D D 接至八个发光二极管的阴极。输出为高电平的输出端，其对应的发光二极管不亮；输出为低电平的输出端，其对应的发光二极管就亮。通过发光
输出值。
图8 A/D 转换及单片机接口电路
图8是本系统中ADC0801及单片机接口电路。 (5)显示单元电路
经A/D 转换后的数字量送到单片机P1口，经单片机处理后便可送到数码管显示。 当湿敏电容容值为163pF 时，由HS1101特性知RH 值为0%，而此时A/D 转换后输出数值为0A5H ；当湿敏电容容值为202pF 时，由HS1101特性知RH 值为100%，此时A/D 转换后输出数值为85H ；湿度变化与A/D 转换输出数值近似呈线性关系，故可得到实际湿度计算公式如下：
)(85505064转换实际输出数据为AD D H
H A D H A H RH a a
--?
= (10) 由于AT89S51单片机用汇编语言编程不能处理浮点数据，故将对湿度计算值进行近似处理，将计算所得到的值直接送到数码管显示即可。
2、系统软件设计
(1)系统主程序设计
图9 系统主程序
(2)数据处理子程序和数码管显示子程序
图10 数据处理子程序和数码管显示子程序
(3)A/D转换子程序设计
图11 A/D转换子程序
五、设计结果及分析
当HS1101容值为163pF时，系统显示湿度为0%RH；当HS1101容值为182pF时，系统显示湿度为50%RH；当HS1101容值为202pF时，系统显示湿度为100%RH。这与理论数据非常接近，误差能保持在±2%RH,精度小于5%RH。
系统测得的相对湿度值与HS1101容值数据对照表如表2：
表2 系统所测相对湿度值与HS1101容值数据对照表
C(Hz) 163 167 170 174 177 181 184 189 194 198 202 RH/(%) 0 9 21 31 40 50 59 71 81 90 100 表中数据与通过公式计算所得结果非常接近，误差很小，实用性较强。
由于C/F转换电路产生的方波频率较高，减缓了CPU的扫描速度，因此数码管显示在仿真时会出现闪烁，但在实物中不会出现类似现象，不会造成影响。
六、结束语
本温湿度计的制作基本上达到了题目要求的技术指标，湿度为0-100%，湿度测量误差为3%；课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。从最开始的方案分析设计、到后来的系统分析选择，再到最后系统的实现，本人从中学到了不少知识，也积累了很多系统开发的经验。通过对这个系统的开发，使得我自己对电子设计有了一个比较全面的了解，让我真正体会了设计的基本思路和构架。
参考文献
[1] 沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.108-110.
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[4] 彭容修.数字电子技术基础（第二版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，2006.2.
[5] 康华光.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2000.373-376.
[6] 姜志海、黄玉清、刘连鑫.单片机原理及应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2009.4.
附录1 系统整体电路图
附录2 程序代码
A_BIT EQU 78H ;数码管个位数存放内存位置
B_BIT EQU 79H ;数码管十位数存放内存位置
C_BIT EQU 7AH ;数码管百位数存放内存位置
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0030H
MAIN: ACALL AD
ACALL SHIDU
ACALL CHULI
ACALL XIANSHI
AJMP MAIN
;***********************A/D转换子程序***********************
AD: C LR P2.7 ;启动A/D转换
CLR P3.6
ACALL D1MS ;延时1ms
SETB P3.6
SETB P2.7
JB P3.3,$ ;判断A/D转换是否完成
CLR P2.7 ;A/D转换完成，读取转换数据
CLR P3.7
MOV R1,P1 ;A/D转换数据
RET
;**********************湿度计算子程序************************
;湿度RH=64H*(R1-0A5H)/(85H-0A5H),其中85H对应100RH,0A5H对应0RH SHIDU: MOV A,#0A5H
CLR C
SUBB A,R1