湿敏电阻传感器的应用

传感器原理

实训 (论文)说明书

题目：基于湿敏电阻的湿度检测

院（系）：应用科技学院

专业：电子信息工程

学生姓名：李捷

学号： 0701130214 指导教师：张保忠卜波涛

2010 年7 月9 日摘要

随着科学研究、工业和家用电器等方面对测湿和湿度控制的需要，各种新型的利用湿度传感器的测湿电路不断被研制出来。

本系统是基于芯片ICL7107的室内温湿度检测和显示系统。以硬件设计为主要内容，系统组成为信号采集电路，经过运放LM358放大送入芯片7107模数转换电路，LED显示电路和电源电路。主要应用是采集环境的湿度，并显示出来。数码管显示亮度等级，实现10个等级的亮度显示，10个等级的线性度较好，实现亮度等级达到100级，100个等级线性度良好，带有调光和检测功能。

关键词：湿敏电阻，ICL7107，LM358，LED数码管显示Abstract

With scientific research, industry and household appliances in aspects of moisture and humidity control, all kinds of new use of humidity sensors humidity measurement circuit has been developed.

This system is based on the indoor temperature and humidity ICL7107 chip detection and display system. In the hardware design as the main content, system composition for signal acquisition circuit, through the op-amp LM358 amplifier into 7107 adc chip, LED display circuit and power circuit. Main applications are collecting environmental humidity, and displayed. Digital display displaybeleuchtung auf, tube 10 levels of brightness, 10 levels of good linearity and realize displaybeleuchtung auf achieves 100, 100 levels, with good linearity dimmer and function.

Keywords: wet sensitive resistors, ICL7107，LM358, LED digital display目录

引言 (1)

1 方案设计 (2)

2 传感器简介 (2)

2.1 传感器的定义与分类 (2)

2.1.1传感器的定义 (2)

2.1.2传感器的分类 (2)

2.2 传感器的技术特点 (3)

3湿敏电阻 (3)

4 LM358芯片介绍 (4)

4.1 LM358概述 (4)

4.2 LM358特性 (4)

5 ICL717简介 (4)

5.1 3

位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点 (4)

1/2

5.2ICL7107引脚功能 (5)

5.3 ICL7107的工作原理 (6)

6 湿度检测电路原理及功能介绍 (9)

6.1 根据设计思路，得出电路原理图 (9)

6.2 结果显示 (10)

7 实训心得体会 (10)

谢辞 (12)

参考文献 (13)引言

在当今信息化时代发展的过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑“掌握”着这些领域和系统的命脉。

湿度传感器的应用范围很广。它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动控制和过程检测控制系统。湿度传感器的种类很多，根据现场使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠。并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。可广泛应用于各种冰箱、空调器、仓储、冷库等各种需要进行湿度测量和控制的领域。

1 方案设计

一日之内，各时段，各地方，湿度变化无常，在传感器实训中能利用新学的知识做一个能在实际生活中实现其价值的湿度传感器将非常有意义。

湿敏传感器感受外界湿度变化，其电阻值发生变化，产生感应电流，经电位器后采集电位器电压，然后将此电压送入LM358运放进行信号放大，继而送入ICL7107芯片进行信号处理，在芯片内部进行A∕D转换，数码管显示结果。设计思路如图1.1所示：

图1.1 湿度计方案构思图

2 传感器简介

2.1 传感器的定义与分类

2.1.1传感器的定义

关于传感器国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2.1.2传感器的分类

（1）按工作机理分类

有结构型、物性型、复合型传感器。

（2）按被测量分类

有物理量、化学量、生物量传感器。

（3）按敏感材料分类

传感器分为金属、半导体（陶瓷）、光导纤维、高分子材料等。

（4）按能量的关系分类

传感器分为有源和无源两类。

2.2 传感器的技术特点

○1内容范围广且离散；

○2知识密集程度高、边缘学科色彩极浓；

○3技术复杂、工艺要求高；

○4功能优、性能好；

○5品种繁多、应用广泛。

3湿敏电阻

多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。

氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强，

氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。

氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底，在上方制作一对金属电极，涂覆一层电解质溶液感湿膜，氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，氯化锂溶液中，Li+对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度最高。氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作，其主要特性：1）是可在120度高温环境中稳定工作，这一点是其他高分子电容是湿度传感器不可比拟的；

2）氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在20%RH左右，在该测量范围内，其线性误差小于2%RH。所以，在全范围湿度测量环境中要想达到高精度的湿度测量，目前普遍采用的单片湿敏元件测量方法就很难实现了。

4 LM358芯片介绍

4.1 LM358概述

LM358里面包括有两个高增益、的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。LM358引脚图如图4.1所示。

图4.1LM358引脚图

4.2 LM358特性

内部频率补偿

直流电压增益高(约100dB)

单位增益频带宽(约1MHz)

电源电压范围宽：单电源(3—30V)；

双电源(±1.5一±15V

低功耗电流，适合于电池供电

低输入偏流

5 ICL717简介

位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点

5.1 3

1/2

位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最① ICL7107是3

1/2

大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。

②能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。

③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压V

。

REF④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.

⑩可以方便的进行功能检查。

图5.1 ICL7107的引脚图及典型电路。

5.2ICL7107引脚功能

V＋和V-分别为电源的正极和负极，au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosl = 0.45/RC COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。

CREF：外接基准电容端。

INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV 满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

5.3 ICL7107的工作原理

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。838电子它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期Tc=2RC In1.5=2.2RC。

图5.3 ICL7106A/D转换器原理计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。

分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。

译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。

钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。

图5.4 双积分型A/D转换器的电压波形图

各阶段时间分配如下

①信号积分时间Tl用1000Tc 。

的大小决定的。

②信号反向积分时间T2用0一2000Tc ，这段时间的长短是由V

IN

③自动调零时间T0用1000－3000Tc 。

ICL7107主要参数：

表5-3

图5.5 ICL7107与LED接线电路图

6 湿度检测电路原理及功能介绍6.1 根据设计思路，得出电路原理图原理图如下：

图6.1 电路原理图

电路由正负5V电压同时供电，由湿度电阻器由于环境湿度的变化，而导致自身电阻值的变化，从而其输出电流发生改变，因其变化不是很明显，所以设计了运放将其变化的电压放大，后街发光二极管，使我们可以更直观的观察到不同湿度对传感器产生的影响。

D36.2 结果显示

运放LM358将放大后的电压信号送入芯片1707中，该芯片会对其其数据自行处理，并且完成A∕D转换，驱动数码管显示。电路图如下：

图6.2 显示电路

7 实训心得体会

本次实训时间两周，分为三个部分：实训题目的选定和方案的确定，原理图的设计和硬件电路的制作。我选择制作湿度传感器。

本次实训的目的是通过对传感器原理掌握及应用，设计电路，制作出实用的传感器电路板。我做的湿度检测器是利用湿敏电阻设计并制作了一款基于和LM358和ICL7107数码显示的数字湿度计。湿度传感器经过电流电压转换电路以及电压放大电路，由A\\D进行模数转换，最后经过7107芯片处理、数码管显示出所测量的湿度变换。其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。

虽然在电路原理和芯片了解上查找过很多资料，也进行了深入的研究，可以说是对整个电路都有了详细到粗略的掌握。但是在制作电路板的过程中还是出现了不少问题，虽然这些问题都在认真的调试检查过程中一一被解决了，从中也反映出了自己做事情不够细心。通过这次实训，要总结经验，做任何事情都要仔细，专心，要一步一步来，不能急于求成。

这次实训的机会十分的珍贵，对我们理论与实践学习有极大的帮助。整个实训过程，我们先进行大量的资料查询，同时，复习和巩固传感器原理及湿敏传感器、LM358运放、ICL7107芯片的原理、特性和功能的掌握。加深了对上述知识的理解，对于我们今后对传感器及其他电子电路的学习都有很大的帮助。随着电子技术的发展和人们对各式电器的质量和服务质量要求的不断提高，如何进一步提高传感器的应用以及电子电路的各式各样的电器的研发与创造，将成为我们进一步学习的动力与目标。

我们要在实践中不断摸索前进，不断提升自我。

谢辞

长途跋涉，为的是到达终点的甘甜和芳香。从实训初的资料查找，论题选择，到中间的思忖和写作，再到最后的修改与润色，这篇拙文也就这样静静地躺在您的手里，只怪自己知识积淀得还不够深厚，但还是有很多人需要感谢，我真的心存感激。

首先，感谢应用科技学院为我们安排了这次实训学习。本次实训中用到的传感器器件十分昂贵，虽然老师有点犹豫，但是还是允许我们使用了这些器件，让我们有机会用实际操作来了解这些器件，这个机会十分难得，感谢学院领导对我们本次实训的支持和关心，使我们有了这次难得的机会加强理论知识。

感谢在这次实训中所有帮助和关心我的同学和老师，谢谢你们。

参考文献

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