基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计

线性频率输出式相对湿度测量电路(湿度传感器HS1100/1101)
发布时间：2008-12-23 本电路图所用到的元器件：
T TLC555 H HS1100 HHS1101
线性频率输出式相对湿度测量电路如图所示，电源电压范围是UCC=+3．5～+12V。

利用一片CMOS定时器TLC555，配上HS1100／1101和电阻R2、R4构成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号。

输出频率范围是7351～6033Hz，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。

R3为输出端的限流电阻，起保护作用。

D=52％。

当C=C0=181．5pF时，求出f=6668Hz，这与6660Hz(典型值)非常接近。

当RH=55％、TA=+25℃时，输出方波频率与相对湿度的数据对照见下表。

HS1101湿度测量电路及程序HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。

HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器C x，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。

温度检测采用HS1101型温度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。

HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化砖换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。

设计的电路如图1所示。

555芯片外接电阻R57，R58与HS1101，构成对HS1101的充电回路。

7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R57相对于R58必须非常的小，但决不能低于一个最小值。

R51是防止短路的保护电阻。

HS1101作为一个变化的电容器，连接2和6引脚。

引脚作为R57的短路引脚。

HS1101的等效电容通过R57和R58充电达到上限电压（近似于0.67 VCC，时间记为T1），这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过R58开始放电，由于R57被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33 VCC，时间记为T2），这时555芯片的引脚3变为高电平。

通过不同的两个电阻R19，R20进行传感器的不停充放电，产生方波输出。

充电、放电时间分别为输出波形的频率和占空比的计算公式如下：由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。

表2给出了典型频率湿度关系（参考点：25℃，相对湿度：55%，输出频率：6.208kHz）。

可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。

湿度传感器HS11011引言湿度传感器是根据某种物质从其周围空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，从而获得该物质的吸水量和周围空气的湿度。

湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，由于它具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

但电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而电容湿度传感器越来越受到重视。

2 湿敏元件及变送器芯片特性目前，生产湿敏电容的主要厂家是法国Humirel 公司。

它生产的HS1101 测量范围是0%,100%RH，电容量由162PF 变到200PF，其误差不大于?2%RH;响应时间小于5S;湿度系数为0.34PF/?;年漂移量0.5%RH/年，长期稳定。

图1 为HS1101湿敏电容的湿度-电容响应曲线。

湿度变送器采用了美国 BB 公司生产的XTR105芯片，该变送器具有以下特点:a 工作范围宽;b 测量精度高;c 电路简单;d 可靠性好，使用寿命长;e 抗干扰能力强;f 工作温度范围宽(-40,+85?)3 湿度测量电路HS1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大，为了能将电容的变化转换成电压的变化，我们设计了振荡电路、消除零点电容影响电路、整流电路、积分电路、电压—电流转换电路、放大电路等，其工作原理简图如图2 所示。

3.1 振荡电路振荡电路的作用是将电容的变化量转化为频率可变的方波。

由图3 可知，这是一个非对称多谐振荡器。

或非门G1 工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接连接到或非门G2 的输入端。

G2即可得到一个介于高低电平之间的静态偏置电压，从而使G2 的静态工作点也处于电压传输特性转折区上。

课程设计报告书课程名称：《传感器原理及应用》课程设计题目：基于SHT11温湿度传感器的湿度计设计系（院）：电子工程学院测控系学期：2013-2014-1专业班级：测控111姓名：学号：1 设计目的（1）能较全面地巩固和应用“传感器及检测技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。

（2）通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。

进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。

（3）培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。

（4）培养书写综合设计报告的能力。

2 本题目的具体设计要求（1）本实验设计的温湿度计能完成多种环境中的温度、湿度测量；（2）根据系统要求，选择合适的传感器，本实验所选用传感器为SHT11温湿度传感器；（3）设计传感器测量电路；（4）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（5）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（6）画出系统电路图；3 本系统的总体实现原理、方案设计3.1 国内外发展现状及文献综述：温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM 技术的新型温湿度传感器。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

3.2 本系统的实现原理、总体方案设计采用湿度和温度测量，即用一个温湿度传感器SHT11实现。

温湿度传感器SHT11将湿度测量、温度测量、信号变换、A/D转换等功能集合到一个芯片上，该芯片包含一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这个两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该信号首先进入微弱信号放大器进行信号放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号，采用数码管显示所测湿度。

摘要此温湿度测量系统是基于单线式温度传感器DS18B20、电容式湿度传感器单片机STC89C52 对温度湿度分别测量并通过液晶显示屏1602经行显示。

温度传感器DS18B20是单线式，体积超小，硬件开消超低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强的理想单片机温度传感器，可实时根据指令给出温度数据，可读性高。

HS1101是电容式空气湿度传感器，在不同的湿度环境下呈现出不同的电容值，0%～100%RH湿度范围内，电容从162PF变化到200PF，误差误差为2%RH。

可见其精度非常高，为了反映出其电容的变化，本系统采用555多谐震荡电路产生不同的频率，用于检测湿度。

单片机采集到两个传感器给出的数据进行处理与计算，得出当前的温度与湿度并送给液晶屏显示。

本系统具有可读性高，稳定性高，反应速度快，测量值准确的特点。

关键词：温湿度测量系统精度高速度快体积小Abstract: The temperature and humidity measurement system is based on singleline type temperature sensor DS18B20, capacitive moisture sensorSCM STC89C52 for temperature humidity measurement and respectively by LCD display. The line 1602 Temperature sensor DS18B20 is singleline type, volume super-small, hardware KaiXiao ultra-low, strong anti-jamming capability, high precision, additional features strong ideal single-chip microcomputer temperature sensor, real-time temperature data, depending on the directive given readable. HS1101 is capacitive sensor, air humidity in different humidity presents different capacitance, 0% ~ 100% RH humidity, within the scope of capacitance change to 200PF, from 162PF error for 2% RH error. e can see its precision is very high, in order to reflect the capacitance change, the system USES the 555 more harmonic concussion circuits produce different frequency, which is used to detect humidity. SCM acquisition to two sensor gives data processing and calculated, the current temperature and humidity and give the display on the LCD panel. This system has a readable, high stability, reaction speed, measured values exact characteristic.Keywords: temperature and humidity measurement system high precision speed small volume目录1.设计要求 (3)2. 方案设计及论证 (3)2.1 总体方案设计 (3)2.2系统主要单元的选择与论证 (3)2.2.1单片机控制模块的选择论证 (3)2.2.2温度湿度检测模块的选择与论证 (3)2.2.3显示模块的选择与论证 (3)2.3 系统组成 (4)3. 理论分析及计算 (4)3.1 (4)3.2..........................................................................................错误！未定义书签。

作者：李霈雯硬件电路程序#include<reg52.h> #include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ulongint unsigned long intsbit D0=P1^0; //将D0位定义为P1.0引脚uint code tab[2][11]={0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,7351,7224,7100,6976,6853,6728,6600,6468,6330, 6186,6033};ulongint F=0;ulongint T0_count=0,T1_count=0;bit flag=0;ulongint RH;/*****************************************************函数功能：延时1ms(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以认为是1毫秒***************************************************/void delay1ms(){unsigned char i,j;for(i=0;i<4;i++)for(j=0;j<33;j++);}/*****************************************************函数功能：延时若干毫秒入口参数：n***************************************************/void delaynms(unsigned char n){unsigned char i;for(i=0;i<n;i++)delay1ms();}/****************************************************************************** *以下是对蜂鸣器模块的操作程序******************************************************************************* /sbit fmq1=P3^6;/*****************************************************函数功能：蜂鸣器延时若干250us入口参数：n***************************************************/void delay500us(){unsigned char j;for(j=0;j<57;j++) //500us基准延时程序{;}}void beep() //产生1KHZ频率声音的函数{unsigned int t;for(t=0;t<1000;t++){fmq1=~fmq1;delay500us();}fmq1=1;delaynms(1000);}/****************************************************************************** *以下是对液晶模块的操作程序******************************************************************************* /sbit RS=P2^0; //寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚sbit RW=P2^1; //读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚sbit E=P2^2; //使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbit BF=P0^7; //忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引脚/*****************************************************函数功能：判断液晶模块的忙碌状态返回值：result。

编号：传感器实训(论文)说明书题目：HS1101湿度检测计院（系）：信息与通信学院专业：电子信息工程学生姓名：邱俊凯学号：1001130126指导教师：王守华2012年7月2日摘要随着科技的发达，以及人民生活水平的提高，人民室内生活环境不断改善，出现了空调、智能温度器、室内净化器等一系列改善人民生活条件的高科技产品。

然而这并不能满足人民越来越高的生活需求，有些人提出了湿度的要求，本设计就在此基础上，设计一种基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统。

此系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。

通过对基于单片机的相对湿度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术的了解，巩固对单片机知识的掌握，并系统的复习本专业所学过的知识。

关键词：湿度检测，对数放大，湿度调节，温度补偿目录1.设计要求 (1)2. 方案设计及论证 (1)2.1 总体方案设计 (1)2.2 系统主要单元的选择与论证 (1)2.2.1单片机控制模块的选择论证 (1)2.2.2湿度检测模块的选择与论证 (1)2.2.3显示模块的选择与论证 (2)2.3 系统组成 (2)3. 理论分析及计算 (2)3.1 HS1101的湿度测量方法分析 (2)3.2HS1101的湿度测量计算 (2)4. 系统电路设计 (2)4.1单片机主控电路设计 (3)4.2 HS1101湿度检测模块电路设计 (4)4.2.1 HS1101湿度检测传感器工作原理 (5)4.3 1602液晶显示模块电路设计 (6)5. 系统软件设计 (7)5.1 软件设计流程图 (7)5.2 软件设计分析 (8)6. 系统测试 (8)6.1主要指标测试 (8)6.2测试结果分析 (8)7. 结论 (9)参考文献 (10)附录 (11)附录一：系统的总原理图 (11)附录二：系统的PCB元件分布图 (11)附录三：程序清单 (12)附录五：元器件清单 (18)1.设计要求（1）设计制作一个湿度计，湿度为0-100%；（2）湿度测量误差为3%；（3）具有量程自动转换功能；2.2. 方案设计及论证2.1 总体方案设计经分析，将系统分为两个部分，一个是由湿度传感器组成的检测部分，另一个是由单片机和1602液晶组成的主控与显示部分。

设计题目：基于HS1101的湿度采集电路系别：应用电子与通讯技术系班级：0991321学生姓名：指导教师：成绩:2013年12 月19 日课程设计任务书2011年12月19日.目录第１章绪论 (1)1.1电路设计要求 (1)1.1.1设计题目和设计指标 (1)1.1.2设计功能 (1)第２章电路的方框图 (2)2.1HS1101采集湿度的总体框图 (2)2.2方框图工作流程介绍 (2)第３章测量电路设计和器件的选择 (3)3.1湿度传感器HS1101 (3)3.1.1湿度传感器HS1101的应用和特点 (3)3.1.2湿度传感器HS1101的主要特性 (3)3.1.3湿度传感器HS1101的技术参数 (4)3.2湿度测量电路的设计 (4)3.2.1湿度传感器HS1101采集湿度的工作原理 (4)3.2.2NE555时基电路 (4)3.3基于NE555震荡电路的湿度测量电路图 (5)3.3.1整体电路的设计原理 (5)3.3.2基于NE555设计的湿度测量电路 (5)第4章电路的测量及相关计算 (7)4.1 HS1101湿度-电容响应曲线 (7)4.2测量原理及计算公式 (7)4.2.1测量原理 (7)4.2.2计算公式及说明 (7)4.2.3示波器显示方波图及测量 (8)设计心得 (9)参考文献 (10)附录1电路原理图 (11)附录2元件清单 (12)第１章绪论1.1设计要求1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：基于HS1101的湿度采集电路设计指标：1.精度误差：±0.1%。

2.外围电路：放大电路、滤波电路、补偿电路等。

1.1.2 设计功能通过传感器检测温度，并搭建外围电路，完成对室内湿度的采集，并通过示波器显示采集的湿度值。

第２章 电路的方框图2.1 HS1101采集湿度的总体框图，如图2-1图2-12.2方框图工作流程介绍1、首先通过湿度传感器HS1101采集湿度2、通过外围电路将湿度传感器的电容变化引起的电压变化传递置多谐振荡器3、输出电路输出电压频率信号通过示波器显示方波第3章测量电路设计与器件的选择3.1湿度传感器HS11013.1.1湿度传感器HS1101的应用和特点基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。

基于HS1101的语音湿度测量仪[摘要] 以凌阳16位单片机SPCE061A为控制中心,配合LCD501液晶模组及HS1101电容式湿度传感器,通过SPCE061A的Feedback功能构成RC反馈振荡电路,完成湿度传感器从电容到频率的转换,从而实现了湿度的测量。

且当湿度值高于或低于设定值时有提示功能,利用按键可控制湿度值的播放及若干湿度值的存储。

[关键词] HS1101SPCE061ALCD501Feedback在日常生活及科学研究中,常需要对环境温湿度等进行测量及控制,在常规的环境参数中,因为湿度往往受其他因素(如大气压强、温度等)的影响是较难准确测量的一个参数。

随着科技的发展和对湿度认识的不断深入,湿度的测量技术和测量方法取得了飞速的发展,电子式湿度传感器及湿度测量技术也随之兴起,并取得了长足的发展。

电容式相对湿度传感器是气候、过程湿度检测的主流、并能检测全湿度范围,具有较好的温度特性,经常不用温度补偿就能测量较宽温度范围相对湿度。

本系统就是利用电容式湿度传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。

一、湿度及其测量方法1、湿度的定义在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。

日常生活中所指的湿度为相对湿度(Relative Humidity),即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比,用RH%表示。

湿度测量方法主要分为伸缩法、干湿球法、冷凝露点法、氯化锂露点法、电湿度测量法以及电解法等等。

电湿度测量法主要是利用湿度传感器通过检测电参数的变化值而获得湿度值。

其中,电容式湿度传感器由于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定被广泛应用。

本系统采用了HS1101电容式湿度传感器,能够实现:±2%RH的高精度、1～99%RH的量程、-40～100℃的工作温度范围。

2、湿度值的计算在测量温度Ta =25℃,工作频率为10KHz情况下,电容值和湿度值之间多项式关系近似为C(pf)=C1*(1.25*10-7*RH3-1.36*0-5*RH2+2.19*10-3*RH+9.0*10-1)其中,C1为传感器在10kHz、55%RH下的电容值,按图1可取183pf。

HS1101/HS1100相对湿度传感器基于独特工艺设计的电容元件这些相对湿度传感器可以大批量生产可以应用于办公自动化车厢内空气质量控制家电工业控制系统等在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用特点全互换性 在标准环境下不需校正 长时间饱和下快速脱湿可以自动化焊接包括波峰焊或水浸 高可靠性与长时间稳定性 专利的固态聚合物结构可用于线性电压或频率输出回炉 快速反应时间最大参数值Ta=25 除非特别标定参数符号参数值单位工作温度 Ta -40~100 储存温度 Tstg -40~125供电电压 Vs 10 Vac 湿度范围 RH 0~100 %RH 焊接时间@T=260 t 10S特征参数(Ta=25,@10KHz,除非特别标定) 特征参数符号 Min Typ Max 单位湿度测量范围 RH 1 99 5供电电压 Vs 5 10 V标称电容@55%RH C 177 180 183 pF 温度效应 Tcc 0.04 pF/平均灵敏度(33%~75%RH)C/%RH0.34pF/%RH漏电流 Ix 1 nA恢复时间@150小时结露 tr 10 s迟滞 +/-1.5 %长时间稳定性 0.5 %RH/yr 反应时间 ta 5 S曲线精度10%~90% +/-2 %RH可以按要求提供详细的说明书特征曲线HS1101/HS1100典型输出曲线所得标定数据是通过CETIAT 实验室的NIST标准而来工作频率10KHzTa=25多项式的反应方程式RH in%RH频率补偿本说明书里的电容测量都是在10KHz 条件下测的但是传感器并没有限制必须工作在5K~100KHz可以用以下的公式做校正:极性测量时为了达到更好的互换性回路中需要把传感器的第2脚接地这脚已经标记在传感头的背面的标签上焊接说明参考应用注意事项HPC007 V A线性电压输出回路内部电路方块图5~99%RH典型温度影响+0.1%RH/10~60电压输出典型参数@VCC=5V25RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V out - 1.41 1.65 1.89 2.12 2.36 2.60 2.83 3.07 3.31 3.55频率输出回路注释此电路为典型的555非稳态电路HS1101/HS1100作为电容变量接在555的TRIG 与THRES 两引脚上引脚7用作电阻R4的短路等量电容HS1101/HS1100通过R2与R4充电到门限电压约0.67Vcc 通过R2放电到触发电平约0.33Vcc 然后R4通过引脚7短路到地传感器由不同的电阻R4与R2充放电其工作循环可以描述如下T high =C@%RH*(R2+R4)*ln2 T low =C@%RH*R2*ln2F=1/(T high +T low )=1/(C@%RH*(R4+2*R2)*ln2) 输出循环周期=T high *F=R2/(R4+2*R2)为了使循环时间降低50%则与R2相比R4 应该非常小但是不要低于最小值电阻R3是为了短路保护555必须为CMOS.注释555电路的非平衡电阻R1是做内部温度补偿目的是为了引入温度效应使它与HS1101/HS1100的温度效应相匹配R1必须象所有的R-C 时钟电阻的要求一样1%的精度最大的温度效应应该小于100ppm 由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同R1的值必须与特定的芯片相匹配为了保证在55%RH 的典型湿度值为6660Hz R2也需要做稍许修正如下表555 R1R2 TLC555 909K576TS555 100nF 电容 523 7555 1732K 549 LMC555 1238562频率输出典型参数REFERENCE POINT AT 6660Hz FOR 55%RH/25RH 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100Fr 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033555为典型的CMOS 类型TLC555RH 百分比相对湿度F 频率Hz多项式的反应方程式测量误差与寄生电容曲线应该特别注意减小输出寄生电容寄 生电容会在电路上 与传感器并联造 成输出漂移合理安装HS1101/HS1100经鉴定可以承受符合MIL STD 750规定的所有的焊接如焊接温度与可焊性高温高湿环境下的寿命@93%RH/60 : 1000Hours波峰焊260 + 45去离子水洗低湿储存寿命@RH<10%/23: 1000Hours机械冲击 1500g 5blows3direction 环境温度下浸入水中或处于80环境下时间 160Hours 震动震动F=100-2000Hz固定F=35Hz可以抵抗75000ppm的酸气如含氮化合物硫化物氯乙恒定加速度永久标志醇ESD 静电人体或机械方式可以抵抗一些家用器具汽车及消耗器具产生的化学物质有盐气体MIL STD 750 / Method 1041 / 96 Hours温度循环-40/+70所有的数据是从三批不同传感器实验所得每批45个传感器可以按要求提供更详细的数据封装形式。