基于CC4060的環(huán)境濕度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 電路構(gòu)想

1．1 組成框圖

本文環(huán)境濕度測(cè)試儀的組成框圖如圖1所示，它由濕度監(jiān)測(cè)器件，濕度頻率轉(zhuǎn)換器件，基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路，頻率電平轉(zhuǎn)換電路，輸出控制電路等組成。



1．2 器件選擇及原理構(gòu)思

濕度監(jiān)測(cè)部分采用高分子薄膜式濕敏電容HS1100，具有不需校準(zhǔn)的完全互換性，能瞬時(shí)退飽和。相對(duì)濕度在0％～100％RH范圍內(nèi)，電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2％RH，響應(yīng)時(shí)間小于5 s，在55％RH、25℃、10 kHz條件下，其典型標(biāo)稱電容為180pF，供電電壓一般選5 V，工作溫度-40℃～100℃。HS1101用做濕度傳感器時(shí)，測(cè)量電路有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是線性電壓輸出式，比例系數(shù)為正值；另一種是線性頻率輸出式，比例系數(shù)為負(fù)值。本設(shè)計(jì)采用的是頻率輸出式。

濕度頻率轉(zhuǎn)換電路采用NE555定時(shí)器，成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。本電路其與濕敏電容HS1100和電阻等構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置電路中的電阻值，輸出方波，實(shí)現(xiàn)濕度監(jiān)測(cè)量向頻率信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)頻率信號(hào)的高低我們就可以得知環(huán)境濕度是否正常。

基準(zhǔn)頻率振蕩器和頻率電壓轉(zhuǎn)換器都采用十四位串行計(jì)數(shù)器CC4060，它采用CNOS制作工藝、標(biāo)準(zhǔn)DIP-8封裝的14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)／分頻器集成電路，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CC4060復(fù)位端為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效；復(fù)位端為低電平時(shí)，由外接的振蕩定時(shí)元件控制產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，并可以輸出4分頻到10分頻，12分頻到14分頻的脈沖信號(hào)。本電路的基準(zhǔn)頻率振蕩器由CC4060及其定時(shí)元件組成，產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)12分頻后送至D觸發(fā)器，為D觸發(fā)器提供時(shí)鐘脈沖。頻率電壓轉(zhuǎn)換器則利用的是CC4060的分頻功能，將NE555定時(shí)器輸出的頻率信號(hào)送至CC4060，經(jīng)12分頻后輸出至D觸發(fā)器輸入端，根據(jù)環(huán)境是否潮濕產(chǎn)生相應(yīng)的電平，驅(qū)動(dòng)D觸發(fā)器工作輸出控制電平。

輸出控制電路可以根據(jù)實(shí)際需要采取相應(yīng)的電路，本電路的輸出控制部分由三極管控制繼電器實(shí)現(xiàn)，D觸發(fā)器輸出的高電平，使三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)或驅(qū)動(dòng)干燥電路工作，使環(huán)境濕度恢復(fù)到正常值范圍。

2 電路實(shí)施及參數(shù)選擇

2．1 濕度監(jiān)測(cè)及濕度頻率轉(zhuǎn)換電路(圖2)

C是濕敏電容HS1100，容量會(huì)隨著環(huán)境濕度的變化而改變，使②腳和⑥腳的充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，改變③腳的輸出信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，由非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。⑤腳外接電阻R3的阻值為910 kΩ，與集成電路內(nèi)接的電阻5 kΩ相差很大，所以一般基準(zhǔn)電壓就可以認(rèn)為是電源電壓VCC，R1的阻值50 kΩ，濕敏電容常態(tài)下為180pF，R2的阻值一般為576 kΩ左右，可根據(jù)調(diào)試的需要串聯(lián)電位器，實(shí)現(xiàn)最佳的控制精度。由以上數(shù)值可算出③腳常態(tài)下輸出的脈沖周期T=(R1+2R2)Cln2，為0．15ms左右，則頻率在6 667 Hz左右，當(dāng)環(huán)境濕度增大為90％RH時(shí)，頻率會(huì)減少到6 186 Hz左右，引起后續(xù)電路動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)增干和報(bào)警。

2．2 基準(zhǔn)頻率振蕩器(圖3)

基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路主要由十四位串行計(jì)數(shù)器CC4060實(shí)現(xiàn)，CC4060⑨⑩腳外接基準(zhǔn)頻率定時(shí)元件，產(chǎn)生信號(hào)由腳送入CC4060，本電路C1為0．01ΩF，R4為2．7 kΩ，RP1為4．7 kΩ電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，可以產(chǎn)生周期為0．059 4 ms～0．162 8ms，頻率為16．8 kHz～6 kHz信號(hào)(f=1／2．2(RP1+R4)C1)，此信號(hào)經(jīng)12分頻后可以得到4 Hz～1．5 Hz的頻率，由①腳輸出，進(jìn)入D觸發(fā)器CD4013③腳，為頻率電平轉(zhuǎn)換提供時(shí)鐘脈沖。Q1、Q2兩個(gè)三極管構(gòu)成線與電路，正常工作時(shí)Q1或Q2有一個(gè)導(dǎo)通，則復(fù)位端腳為低電平，計(jì)數(shù)器正常工作，當(dāng)⑦腳4分頻輸出和①腳12分頻輸出同時(shí)為高電平時(shí)，Q1和Q2同時(shí)輸出高電平，計(jì)數(shù)器清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，這個(gè)電路主要保證監(jiān)測(cè)電路工作一段時(shí)間(0．33ms～1 ms)自動(dòng)清零一次，避免長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤影響電路正常工作。R5、R6一般都為10 kΩ，R7為47 kΩ，D1為1N4148，Q1、Q2為1015。

2．3 頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(圖4)

頻率電壓轉(zhuǎn)換電路主要由十四位串行計(jì)數(shù)器CC4060和四D觸發(fā)器CD4013組成，由NE555③腳送來(lái)的頻率信號(hào)，由CC4060 U2的腳送入計(jì)數(shù)器，經(jīng)十二分頻后由①腳輸出，常態(tài)頻率為1．6 Hz，濕度增大到90％RH時(shí)，頻率降為1．5 Hz，送至D觸發(fā)器CD4013⑤腳，同時(shí)輸出高電平使Q3導(dǎo)通，鎖存進(jìn)入的信號(hào)電平，阻止后面的脈沖信號(hào)再次進(jìn)入CC4060 U2，防止出現(xiàn)干擾，D觸發(fā)器在CC4060 U1的時(shí)鐘脈沖(頻率為4 Hz～1．5 Hz)控制下，在CD4013①腳輸出高電平，控制繼電器工作，帶動(dòng)報(bào)警或增干電路工作。D觸發(fā)器工作與否顯然取決于CC4060 U1送入的時(shí)鐘脈沖，U1和U2輸出的脈沖下限頻率是一樣的，這顯然無(wú)法控制D觸發(fā)器正常工作，這就需要我們?cè)谡{(diào)試的過(guò)程中，輕微調(diào)節(jié)RP1，使CC4060 U1輸出的時(shí)鐘頻率稍高于1．5 Hz，但低于1．6 Hz(對(duì)著濕敏電容吹氣增回濕度的方法調(diào)試)，就能保證電路在常態(tài)時(shí)D觸發(fā)器不工作，當(dāng)濕度超過(guò)90％RH時(shí)，D觸發(fā)器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)后面電路工作。R9為2．2 kΩ，R10為10 kΩ，R11可以和R7合為一個(gè)電阻，Q3為1815。

2．4 輸出控制電路

輸出控制電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)，將CD4013①腳輸出的電平信號(hào)送至NPN型三極管1815的基極。常態(tài)時(shí)，CD4013①輸出低電平，三極管截止，繼電器釋放；當(dāng)濕度超過(guò)規(guī)定量時(shí)，CD4013輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，報(bào)警和增干電路工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

用濕敏電容HS1100、十四位串行計(jì)數(shù)器CC4060、D觸發(fā)器CD4013等組成的環(huán)境濕度測(cè)試儀，具有操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，體積小，精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于一般的電子愛(ài)好者都可以輕松調(diào)試成功。