基于电容式传感器的湿度测量系统.docx

17． 基于电容式传感器的湿度测量系统 系统的测量原理 由物理学可知, 两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应, 其电容为: 各种介质的介电常数不同, 若在两电极间充以空气以外的其他介质, 使介电常数发生变化, 电容量也会随之发生变化。 湿敏电容的理论公式为: 式中: A ———极板的面积; d ———两极板间距离; ε———电容极板间介质的介电常数; ε0 ———真空介质电常数; εr———介质的相对介电常数。 从上式可见,当传感器结构一定时,湿敏电容Ct 与介质的相对介电常数εr 成正比,即湿敏电容量Ct 与环境的相对湿度(RH) 呈固定的函数关系。 因此，可以通过对电容Ct的测量来得到环境的湿度。而电容Ct的测量可以通过电路设计间接得到。 传感器结构设计及安装 传感器设计与普通电容原理相同，即有两个相隔一定距离的金属板构成。由于本实验测量的是环境的湿度，因此两极板之间也可以填充吸湿性较好的材料。 安装时，在传感器的两个极板上接上线路，将传感器视作一个电容介入到电路中即可。 输入输出（变换）关系 因单片机能对频率实现高精度的测量,故可将电容量转变为频率量进行测量。 图中振荡电路Ⅰ产生的是与标准电容Co 相对应的具有固定频率的基本信号,振荡电路Ⅱ产生的是与湿敏电容Ct 相对应的测量信号。在单片机的控制下使上述两电路同时起振,并测出两信号的频率差或周期差。该差值是相对湿度的函数,经单片机运算处理后,得到相对湿度送显,超限时报警。 电容—频率的转换可采用键控式多谐振荡器完成，图中A、B 为CMOS 与非门, Ct 为湿敏电容, R0 为标准电阻, Rs 为保护电阻,K 为启振键控端 测量电路设计 图中上部为基准振荡电路, 电容C0 为可变调零电容(其电容值应调至与RH 为0 %时湿敏电容值相等,用以产生具有固定频率的基本信号;下部的振荡电路用以产生与Ct 相对应的测量信号。图中在振荡信号的输出端加了一级反相器是为了改善输出的波形;在电路的末端加了一级14 位二进制串行计数/分频器4060 ,并对振荡波形进行12 位二进制分频输出(即从Q12输出) ,目的是为了加大可测值范围, 以提高相对湿度的测量精度。 计算机（或单片机）及其接口设计 该系统通过电容式湿度传感器、热敏电阻温度传感器及相应的测量电路输入信号; 8031 单片机是测量系统的核心;2764EPROM用以固化系统的应用程序;6116RAM用以存储不同温度的Ct - RH 特性曲线, 为了避免数据丢失,对6116RAM 进行了掉电保护;可编程键盘接口芯片8279 可对键盘与显示器进行自动扫描,无需单片机干预,提高了系统的测量速度。本系统设置了4 ×4 键盘系统,用以输入命令与数据;选用了4 位LED 数码管显示测量结果;当测量值超过键盘设定的上下限时,可通过声光报警电路发出报警 软件框图 七、特点 1、分辨力高，常用于精密测量; 2、动态响应速度快，可以直接用于某些生产线上的动态测量; 3、从信号源取得的能量少，有利于发挥其测量精度; 4、机械结构简单，易于实现非接触式测量。 5、能经受相当大的温度变化及各种辐射作用，因而可以在温度较高，有各种辐射等恶劣环境下工作。