1、河南理工大學畢業設計（論文）說明書 12大棚溫度濕度控制器設計大棚溫度濕度控制器設計摘要：溫室是蔬菜大棚生產中必不可少的設施之一，不同種類蔬菜對溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，本設計就是控制大棚的溫濕度，為它們提供一個良好的生存環境，給我們帶來巨大的經濟效益。關鍵詞：傳感器、溫濕度、控制電路、溫度報警電路abstract: greenhouse production of greenhouse vegetables are an essential facilities, different types of vegetables, such as temperature and h

2、umidity on the growth of the necessary requirements are not the same, the design is to control the greenhouse temperature and humidity, to provide them with a good the living environment, has brought us huge economic benefits. key words: sensors, temperature and humidity, control circuit, temperatur

3、e alarm circuit河南理工大學畢業設計（論文）說明書 121 引言隨著改革開放，特別是 90 年代以來，我國的溫室大棚產業得到迅猛的發展，以蔬菜大棚、花卉為主植物栽培設施栽培在大江南北遍地開花，隨著政府對城市蔬菜產業的不斷投入，在鄉鎮內蔬菜大棚產業被看作是 21 世紀最具活力的新產業之一。溫室是蔬菜等植物在栽培生產中必不可少的設施之一，不同種類的蔬菜對溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、良好的生存環境，從而可以通過提早或延遲花期，最終將會給我們帶來巨大的經濟效益。溫室是一種可以改變植物生長環境、為植物生長創造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣

4、氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培植物。溫室生產以達到調節產期，促進生長發育，防治病蟲害及提高質量、產量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業精度。國外對溫室環境控制技術研究較早，始于 20 世紀 70 年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記錄和控制。80 年代末出現了分布式控制系統。目前正開發和研制計算機數據采集控制系統的多因子綜合控制系統。現在世界各國的溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。國內外溫室控制技術的發展狀況來

5、看，溫室環境控制技術大致經歷三個發展階段：(1) 手動控制：這是在溫室技術發展初期所采取的控制手段，其時并沒有真正意義上的控制系統及執行機構。生產一線的種植者既是溫室環境的傳感器，又是對溫室作物進行管理的執行機構，他們是溫室環境控制的核心。通過對溫室內外的氣候狀況和對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經驗和直覺推測及判斷，手動調節溫室內環境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應是最直接、最迅速且是最有效的，它符合傳統農業的生產規律。但這種控制方式的勞動生產率較低，不適合工廠化農業生產的需要，而且對種植者的素質要求較高。(2) 自動控制：這種控制系統需要種植者輸入溫室作物生長所需環境的

6、目標參數，計算機根據傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較，以決定溫室環境因子的控制過程，控制相應機構進行加熱、降溫和通風等動作。計算機自動控制的溫室控制技術實現了生產自動化，適合規模化生產，勞動生產率得到提高。通過改變溫室環境設定目標值，可以自動地進行溫室內環境氣候調節，但是這種控制方式對作物生長狀況的改變難以及時作出反應，難以介入作物生長的內在規律。目前我國絕大部分自主開發的大型現代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。(3)智能化控制：這是在溫室自動控制技術和生產實踐的基礎上，通過總結、收集河南理工大學畢業設計（論文）說明書13農業領域知識、技術和各種試驗數據構建專家系統，以建

7、立植物生長的數學模型為理論依據，研究開發出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統技術。溫室控制技術沿著手動、自動、智能化控制的發展進程，向著越來越先進、功能越來越完備的方向發展。由此可見，溫室環境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環境因子分析模型和農業專家系統的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發展。為了滿足人們在寒冷季節也能吃上新鮮蔬菜的需要，雖然廣大的大棚種植產業帶來巨大的經濟效益,大棚栽培技術得到空前的發展，但隨之而來也出現了溫度、濕度難以控制的問題。溫度和濕度作為常用的環境參數，對動植物的生長、物理化學的反應以及人體的舒適程度都有著較大影響，溫度濕度測控系統在工農業生產、智能家居以及人工

8、環境等領域有廣泛的應用前景。本電路可以使大棚的溫度和濕度自動控制在 一個合適的范圍內，實驗證明該系統的成本低、可靠性高，有著很高的實用價值。2、控制系統方案選擇21、方案一：本方案我們主要采用模擬電路設計,電路主要分為以下幾個主要的組成部分,電源電路、溫度檢測電路、加熱、換氣電路、溫度報警電路、自動澆水電路五各單元電路,電路中利用了溫度、濕度等傳感器,大大的提高了測量的精確度,本方案中當溫度、濕度傳感器檢測到溫度濕度超過設定的標準值時候，電路中就會自動的進行加熱和澆水，是農作物生長在一個良好的環境中系統的框圖如下圖 1 所示：圖 1 方案一 系統框圖22、方案二：本方案利用集成溫度傳感器 ma

9、x6613 和集成濕度傳感器 ih3605 作為檢測元件，結合 aduc824，構建溫濕度監控系統的方法，該系統可以方便地實現溫度、濕度的實時控 制，無紙記錄及語音報警，還可與上位機(pc 機)通信，實現溫度、濕度的打印、分析等功能。 溫濕度監控系統的硬件原理如圖 2 所示：河南理工大學畢業設計（論文）說明書14圖 2 方案二系統框圖由單片機系統(含鍵盤、液晶顯示器、數據存儲器和通信接口)、集成溫度傳感器max6613、集成濕度傳感器 ih3605、實時時鐘、語音系統及加熱、加濕、通風裝置等幾部分組成， aduc824 高性能微轉換器，它在單個芯片內集成了雙路高精度-adc、程控增益放大器 p

10、ga、8 位 mcu、8kb 閃速/電擦除程序存儲器、640b 閃速/電擦除數據存儲器、256b 數據 ram 以及定時器/計數器等功能部件，指令系統與 8051 兼容。特 別是兩個獨立的-adc，其主、輔助通道的分辨率分別為 24 和 16 位，具有可編程自校正功能。另外，還有一個通用 uart 串行 i/o，一個與 i2c 兼容的二線串口和 spi 串口，一個看門狗定時器(wdt)，一個電源監視器(psm)。其性能完全可以滿足系統的需求。鍵盤用于設定溫度、濕度的上、下限報警范圍及控制值，設定采樣時間間隔，調整系統時間。液晶顯示器采用一體化封裝的液晶顯示模塊 tc1602a，用于顯示 溫度、

11、濕度的上、下限值，控制值和當前值，模塊內的控制驅動器型號為 hd44780，可以方便地與 aduc824 進行接口。由于系統需要無紙記錄溫度、濕度值，因此外擴一片容量為 4mb 的 at29c040a flash epprom，在寫入過程中無需編程高壓和紫外線照射，具有硬件和軟件兩方面的數據保護，可防止其內容免遭意外改寫，使用十分方便。通信接口電路主要由雙路 rs232 數據收發器 max232 芯片組成，只需+5v 電源供電即可工作。上位機(pc 機)通過通信接口調用溫度、濕度值，以用于打印或分析。2.3、系統控制方案確定通過以上兩個方案的比較分析我們可以知道方案一和方案二都可以實現對大棚溫

12、度濕度的控制和調節，同時方案一具有自動澆水的功能，而且還可以擴展以下兩個功能， （1）熱能存儲電路河南理工大學畢業設計（論文）說明書15可利用太陽能轉換裝置將之轉化為電能儲存。當夜間溫度過低時，再起到和上述加熱裝置一樣的功能。（2）遠距離報警功能在意外事故發生致使溫度持續下降時，需要及時報警，喚醒在家 休息或在外工作的棚主趕來處理。報警裝置由一發射器和接收器組成。接收器平時由棚主帶 在身上，可做得很小，棚主在一公里的范圍內可接收發射器發出的提示音信號。方案二設計的原理雖然很容易的實現，設計的功能也比較的齊全但是我們可以通過具體的控制框圖 2-2 以知道它所要求的芯片的型號和外部硬件比較的高，成

13、本也很高不能很好的推廣，我們設計中要求的是實用而且很容易掌握的方案，在廣大的農村農民用戶種植中不需要編程等一系列的專業的技術學習，這就更加符合我們的種植農戶的要求，相比與方案一的專業要求就有了不可代替的優勢，而且在芯片應用等方面，方案一的芯片購買的比較的方便，而方案二所需要的一些芯片價格比較的昂貴，要求的外部硬件條件也比較的高，比如方案二中要求系統采用 max6613 和 ih3605 作為溫度、濕度傳感器，使其監控的實時性、控制的精確性得到了提高；同時，由于選用了aduc824，它能保證系統自動從死機狀態恢復到正常工作狀態，但是要求有相關的電腦操作技能，這些方面方案一相比于方案二都具有一定的

14、優勢。但是方案一在自動控制方面不如方案二，方案二具有更好的自動控制功能，綜合以上幾點我們選擇方案一作為我們的設計方案，因為方案一不僅成本低而且比較的容易制作和操作，適合我們的大面積的推廣。在方案一系統功能簡介：當測溫電路測出適時溫度超過 25時，啟動換氣電路；且當溫度達到 30啟動報警系統。同理，當測溫電路測出適時溫度低于 20時，啟動加熱電路，且當溫度低于 15時，啟動報警電路。當溫度在 20到 25之間時，測濕系統測出適時濕度低于 70%rh 時，啟動澆水系統。只有當溫度在 20到 25之間，同時濕度在 70%rh 以上時，系統不工作。該電路可調節溫度檢測電路中的 rp，即調節溫度檢測電路

15、的基準溫度值，同理，又可調節濕度檢測電路中的基準濕度值，以適應在不同環境的需要。3 溫度、濕度傳感器介紹3. 1 熱敏電阻器溫度傳感器基本特性：電路中主要采用了熱敏電阻做為主要的傳感器，以下主要介紹熱敏電阻及熱敏二極管和熱敏晶體管的特性與參數。熱敏電阻器可以從結構、材料和阻溫特性等多方面進行分類。河南理工大學畢業設計（論文）說明書16按結構形狀分類：片狀、墊圈狀、桿狀、管狀、薄膜狀、厚膜狀和其他形狀。按加熱方式分類：直熱式和旁熱式。按阻溫度范圍分類有：常溫、高溫和超低溫熱敏電阻器。圖 3 幾種不同類型的熱敏電阻器的阻溫特性曲線按阻溫特性分類有：負溫度系數熱敏電阻器(ntc)，圖 41 中曲線

16、2；開關型正溫度熱敏電阻器(ptc)，圖 3 中曲線 4；緩變型正溫度系數熱敏電阻器(ptc)，圖 3 中曲線5；臨界負溫度系數熱敏電阻，圖 3 中曲線 3；鉑電阻器限溫度曲線如圖 3 中曲線 1。1、熱敏電阻器的電阻溫度特性熱敏電阻的阻溫特性是指實際電阻值與電阻體溫之間的依賴關系，這是熱敏電阻 圖 3 幾種不同類型的熱敏電阻器的基本特性之一,其阻溫特性曲線見圖 3。ptc 開關型正溫度系數熱敏電阻器的阻溫特性曲線(圖 3 曲線 4)。室溫至居里溫度以下的一段溫度范圍內，表現出和一般半導體相同的 ntc 特性。從居里點開始，電阻值急劇上升到某一溫度附近達到最大值。 ptc 熱敏電阻器的居里溫度

17、 tc以通過摻雜來控制。如在 batio3中摻雜 pb，可使 tc向高溫方向移動，在 batio3中摻入 sr 或 sn 等元素后，可使 tc向低溫方向移動。可根據需要調整居里點 tc。熱敏電阻器的實際阻值用 rt來表示。是在一定環境溫度下，采用引起阻值變化不超過 0.1的測量功率所測得的電阻值。實際電阻值又稱為零功率電阻值，或稱為不發熱功率電阻值(冷電阻值)。實際電阻值的大小取決于電阻器的材料和幾何形狀。熱敏電阻器的實際阻值與其自身溫度有如下的關系：ntc 熱敏電阻器 rtreb/t (410)河南理工大學畢業設計（論文）說明書17ptc 熱敏電阻器 rtr0eat (411)式中：rt一一

18、溫度 t 時的實際電阻值； r、r0一與電阻幾何形狀和材料有關的常數 b、a 一一材料常數。為了使用方便，通常取環境溫度為 25作為參考溫度，則有:ntc 熱放電阻器：rt/r25expb(1t1298) ptc 熱敏電阻器：rt/r25expa(t298)由式(4-10)和式(411)式可以求出 ntc、ptc 熱敏電阻器的溫度系數。表示溫度每變化 l ，電阻器實際限值的相對變化，即：ntc：at=1/rt=drt/dt=-b/t2 (412)ptc: at=a (413)可見，在工作溫度范圍內，負溫度系數熱敏電阻器的 at隨溫度 t 的變化有很大的變化，并與材料常數 b 成正比。因此，通常

19、在給出電阻溫度系數的同時，必須指出測量時的溫度，正溫度系數熱敏電阻的 at在數值上等常數 a。緩變型正溫度系數熱敏電阻器的 at值在 0.5一 10%之間而開關型突變型正溫度系數熱敏電阻器的 at可達到 60或更高。材料常數 b 是用來描述熱敏電阻材料物理特性的個參數又稱為熱靈敏度指標。在工作范圍內，b 值并不是一個嚴格的常數，隨著溫度的升高而略有增大。一般說來，b 值大的電阻率也高。不同 b 值的材料有不同的用途，如普通負溫度系數熱敏電阻的材料常數 b 值在 2000 一 5000 k 之間。負溫度系數熱敏電阻器 b 值可按下式計算：b=2.303t1t2/(t2-t1)10r1/r2 (4

20、14)正溫度系數的電阻器，其 a 值按下式計算：a=2.3031/(t1-t2)10r1/r2 (415)式中，r1 相 r2 分別為熱力學溫度 t1和 t2時的電阻值。2熱敏電阻器的熱性能(1)耗散常數 h 耗散常數 h 定義為溫度每增加一度所耗散的功率。它用來描述熱敏電阻器工作時，電阻體與外界環境進行熱交談的一個物理量。耗散常數 h 與耗散功率 p。溫度改變量 at 的關系為： h=p/t （w/） (416)h 的大小與熱敏電阻器的結構、所處環境的媒質種類、運動速度、壓力和導熱性能等有關，當環境溫度改變時，h 有變化。河南理工大學畢業設計（論文）說明書18(2)熱容量和時間常數熱敏電阻器

21、具有一定的熱容量 c，因此它具有一定的熱情性也就是溫度的改變需要一定的時間。當熱敏電阻器被加熱到了 t2溫度時，放到溫度為 t0的環境中，不加電功率，熱敏電阻器開始降溫，其溫度 t 是時間 t 的函數，在t 時間內熱敏電阻器向環境耗散的熱量可標示為：h（t-t0）t，這部分熱量是由熱敏電阻器降溫所提供的其值為-ct，于是就有： -ct=h（t-t0）t 上式寫成微分的形式為： t-t0=-c/t(dt/dt) (417) 取初始條件 t0 時，tt2，解方程(417)式得： t-t0=(t2-t1)e-th/c=(t2-t1)e-t/ (418) 式中，c/h 稱為熱敏電阻器的時間常數，單位為

22、 s。時間常數?可定義為：在恒定的靜態條件下，熱敏電阻器在無功率狀態下，當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定濕度突然改變時，電阻體的溫度變化了這兩個特定溫度之差的 63.2所需的時間。通常將這兩個特定溫度選為 85和 25，或者 100和 0熱敏電阻器用于測溫和控溫時，一般要求時間常數小。因而，熱容量越小越好。按定義 =c/h，當 t= 時， （t-t0）/（t2-t0）=e-1=36.8%,則：（t2-t）/（t2-t0）=63.2% （419）式中：t2、t0為兩個特定溫度，t 為測試溫度。3 熱敏電阻器的伏安特性電壓電流行性表示在特定溫度下，熱敏電阻器兩端的電壓與通過電阻體的穩態電流之間

23、的關系，即伏安特性。伏安特性與熱敏電阻器的結構形狀有關，還與其阻值、材料常數從所處的環境溫度、介質種類等有關。ptc 熱敏電阻器的伏安特性曲線如圖 4 所示，當所加電壓不太高時，ptc 熱敏電阻的溫升不高，流過 ptc 熱敏電阻的電流與電壓成正比，服從歐姆定律。隨著所加電壓的增加，消耗功率增加，電阻體溫度超過環境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。當電壓增到使電流達到 imax最大時，如電壓繼續增加，由溫升引起的電阻值增加圖 4河南理工大學畢業設計（論文）說明書19圖 4 ptc 熱敏電阻器的靜態伏安特性曲線圖 5 負溫度系數熱敏電阻器的靜態伏安特性曲線超過電壓增加的速度，電流反而減小，曲線

24、斜率由正變負。ntc 熱敏電阻器的伏安特性曲線如圖 5 所示。在開始段同 ptc 熱敏電阻一樣也服從歐姆定律。隨電流增加，引起熱敏電阻溫升超過環境溫度，則其阻值下降。耗散功率增加，相應的電壓變化較為緩慢，出現非線性正阻區(ab 段)。電流繼續增加，其電壓值增大到最大值 vmax時，若電流再增加，熱敏電阻自身加熱劇烈使電阻值減小的速度越過電流增加的速度，熱敏電阻的電壓降隨電流增加而降低，形成 cd 段的負阻區。4 熱敏電阻器的其他參數(1)標稱電阻值尺 r25標稱阻值是熱敏電阻器在 25時的電阻值，其值的大小由熱敏電阻的材料與幾何尺小決定。(2)最高工作溫度 tmax 在規定的技術條件下，熱敏電

25、阻器長期連續工作所允許的溫度，是熱敏電阻器的最高工作溫度，它的表達式為： tmax=t0+（pr/h） (420)式中 t0為環境溫度；pr為環境溫度時的額定功率。(3)額定功率 pr 熱敏電阻在規定的技術條件下，長期連續工作所允許的耗散功率為額定功率，用 pr表示。在此條件下，熱敏電阻器自身溫度不得超過 tmax。3.2、濕度傳感器的分類及工作原理河南理工大學畢業設計（論文）說明書20表示環境氣氛中水蒸氣含量的物理量為濕度。濕度的表示方法有兩種，即絕對濕度和相對濕度（rh） 。絕對濕度是指氣氛中含水量的絕對值，相對濕度是指氣氛中水蒸氣壓與同一溫度下的飽和蒸汽壓之比，用百分數來表示。濕度傳感器

26、或濕敏元件是指對相對濕度敏感的元件，它可以是濕敏電阻器，也可以是濕敏電容器或其他濕敏元件。3.2.1、濕度傳感器的分類按感濕物理量來分類，濕度傳感器可分為三大類，即濕敏電阻器、濕敏電容器和濕敏晶體管。根據使用不同的材料制成的濕度電阻器又可分為：金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器，例如：mgcr2o4系列、znocr2o3系列；元素材料濕敏電阻器，例如：半導體ge、si 、se 和 c 元素；化合物濕敏電阻器，如：licl、caso4、及氟化物和碘化物等；高分子濕敏電阻器等。濕敏電容器主要是多孔 al2o3材料作為介質制成。濕敏晶體管又分為濕敏二極管和濕敏三級管。3.2.2 濕敏電阻器工作原理及特性

27、1、金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器（1）工作原理 多孔性的金屬氧化物半導體陶瓷的多晶體，在晶體表面及晶粒間界處，很容易吸附水分子。由于水是一種強極性電介質，水分子的氫原子附近有很強的正電場，具有很大的電子親和力。當水分子在半導體陶瓷表面附著時，將形成能級很深的附加表面受主態，而從半導體陶瓷表面俘獲電子，而在陶瓷表面形成束縛態的負空間電荷，在近表面層中將相應地出現空穴積累，因而導致半導體陶瓷電阻率的降低。另外，根據離子電導原理，結構不致密的半導體陶瓷晶粒有一定空隙，顯多孔毛細管狀。水分子可以通過這種細孔在各晶粒表面和晶粒之間吸附，由于吸附的水分子可離解除大量的導電離子，這些離子在水吸附層中起著電

28、荷的輸運作用。因此，雖環境濕度的增加，水分子在晶粒表面和間界大量的吸附，而引起電子電導和離子電導的加劇。半導體陶瓷而顯示負感濕特性，即隨著濕度的增加，材料的電阻率下降。（2）氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器的主要品種及結構金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器的典型產品有：mgcr2o4 tio2濕敏電阻器、znocr2o3濕敏電阻器、znoli2o3v2o5濕敏電阻器等。例如：znoli2o3v2o5 濕敏電阻，是以 zno 為主要材料，在加入一價、二價、三價等其他金屬氧化物燒制成陶河南理工大學畢業設計（論文）說明書21瓷半導體材料，測量濕度范圍為 5%100%rh，測量精度為 2%，是一種較為理想的濕敏

29、元件，并可做成小型化，結構簡單。 2、元素材料濕敏電阻器此類濕敏電阻器是元素半導體材料或元素材料制成的元件。碳濕敏電阻器是一種電阻濕度特性為正的濕敏元件。用有機物聚丙烯塑料片或棒為基體，涂布一層含有導電性碳粒的有機膠狀纖維構成。此種濕敏電阻器工藝簡單，便于制造。利用有機材料吸潮后，體積膨脹，碳粒之間的距離增大，從而電阻值增大的原理。元素半導體濕敏電阻器是利用在陶瓷或石英基片上蒸發等元素半導體薄膜而制成，其特性為電阻值隨著濕度的增大而減小的負感濕特性，可以做成較高阻值(105107)，有較好的測量精度，但工藝成品率降低，互換性差。3、化合物濕敏電阻器此類濕敏電阻器有 licl 濕敏電阻器、fe3

30、o4 濕敏電阻器和硫酸鈣濕敏電阻器等。fe3o4濕敏電阻器是用 fe3o4膠體做成感濕膜涂復在具有梳狀電極的陶瓷基片上，由圖 6 fe3o4膠體濕敏電阻器結構圖 圖 7 fe3o4膠體濕敏電阻器電阻濕度特性于 fe3o4膠體是由微粒組成粒子的直徑約為（100250）10-8m，每個顆粒只有一個磁疇，因此，同向顆粒相互吸引結合，因而不用高分子材料作膠體粘合劑，而能獲得較好的性能和長的使用壽命。圖 6 是 fe3o4膠體濕敏電阻器結構圖。圖 7 是 fe3o4濕敏電阻器電阻濕度特性曲線，表現為負感濕特性。 河南理工大學畢業設計（論文）說明書22圖 8 負特性濕敏電阻器時間常數曲線 圖 9 濕滯回線

31、和濕滯量4 濕敏電阻器的特性（1）電阻-濕度特性 濕敏電阻器的阻值隨濕度變化一般是指數關系變化。當阻值隨相對濕度的增大而增加時，稱正的電阻濕度特性，例如碳膜濕敏電阻器；阻值隨濕度的增大而減小時，稱為負的電阻濕度特性，如金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻及fe3o4 濕敏電阻器，如圖 8 所示。 對于負電阻濕度特性的濕敏電阻器的靈敏度定義為：= r1/r2 式中：r1在 25，0相對濕度條件下的電阻值，一般要求 r1在 1m以下。r2在 25，95%相對濕度條件下的電阻值，一般要求幾 k左右。值越大，說明元件對相對濕度的變化越敏感。 （2）時間常數 這是衡量濕度電阻器隨濕度的躍變其阻值變化速率的一個參

32、數。當相對濕度躍變時，濕敏電阻器的阻值不能立刻達到終值，而是要經過一段時間。濕敏電阻器的阻值增加量從零變化到穩定增加量的 63% 所需要的時間 稱為濕敏電阻器的時間常數，也成為響應速度。圖 9 所示的是相對濕度從 60%變化到 90%時間常數的確定。濕敏電阻器的時間常數越小越好。吸濕過程和脫濕過程的時間常數不一定相等。吸濕過程為相對濕度的升高過程，脫濕是相對濕度降低過程，都是指在定溫條件下的變化過程。（3）滯后效應 濕敏電阻器周圍的相對濕度變化一個往返周期時，相應的電阻值變化曲線在吸濕和脫濕過程中并不重復，形成一個類似磁滯回線的濕滯環，如圖 4-7所示。圖中曲線 1 表示從高濕到低濕的變化，曲

33、線 2 表示從低濕到高濕的變化，即為滯后效應，通常也稱為“變差” 。這種變差越小越好。3.2.3 、濕敏電容器的工作原理及特性電容式 al2o3濕度傳感器是利用多孔 al2o3 做為感濕膜而制成的濕敏器件。感濕膜河南理工大學畢業設計（論文）說明書23的制造工藝可采用厚膜技術、涂膜技術和硅 mos 等技術。當環境濕度發生變化時，多孔感濕膜中氣孔壁上所吸附的水分子數量隨之變化，其電特性不是一個純電阻，也不是一個純電容。但目前一般是利用器件的電容隨濕度變化而變化來測濕的。對于一個平行板電容器，其電容量 c =s/4d ，一個確定的濕敏元件，電極面積 s 和介質厚度 d 是一定的，則電容量 c 只依介

34、電常數 隨環境的變化來確定。當多孔 al2o3膜吸附水汽時， 就成為水、al2o3介質和空氣的介電常數三位一體的綜合參數。但由于水的介電常數為 80，遠大于空氣的介電常數，因此 c隨 的變化主要取決于氣孔中水汽的吸附量，也就是隨環境濕度而定，因此電容量隨濕度增加而增加，如圖 10 所示的 c-濕度特性曲線。圖 10 多孔 al2o3濕度傳感器的 cp-rh 曲線圖 圖 11 醋酸纖維有機膜濕敏元件 1高分子薄膜；2.上電極；3.下電極 濕敏電容器的感濕特性與測試頻率有關當頻率較低時，電容雖隨濕度的變化更為明顯。同時膜的厚度 d 越小越外。另外，由于 al2o3，膜氣孔不規則，分布不均勻，會有局

35、部聚集水分，因而器件有定滯后效應。利用某些高分子材料也可以制成電容式濕度傳感器，主要利用它的吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質吸濕后，介電常數明顯地改變，制成電容式濕度傳感器。圖 4-9su 是高分子薄膜式電介質電容式濕度傳感器的基本結構，其介質薄膜采用于涸后成膜的醋酸纖維素，梳狀電極為蒸鍍上的金膜層。除醋酸纖維素外，酷酸纖維素或硝化纖維素也是較好的電介質材料。4 溫度控制電路的設計4.1 溫度檢測電路：該電路利用熱敏電阻在不同的溫度環境下有不同的阻值的特性。將熱敏電阻放置河南理工大學畢業設計（論文）說明書24在大棚的幾個關鍵點，如四個角、中央、門旁。當外界溫度變化超過規定范圍時，電路動作，實現

36、溫控。在方案電路中 ic1 為單電源工作的四電壓比較器，通過比較器ic1-1、 ic1-2、 ic1- 3、 ic1-4 四個電壓比較器可以將大棚溫室的四個角的溫度、濕度很好的測量出來，從而確定是不是需要對電路進行加熱、通風等一系列的工作操作。該檢測電路如下圖 12 所示：圖 12 溫度檢測電路在溫度檢測電路中，我們需要 40v 的直流電壓,通過 40v 的支流電壓提供給電路中各個元器件使其正常工作,在電路中我們利用了 m51920 作為我們溫度檢測電路中的比較器，m51920 是單電源工作的電壓比較器，當電壓通過 r104,取自 r105 的電壓分別引入兩個比較器，然后去和標準電壓比較。根據

37、我們任務書中電路的設計要求，我們需要檢測到溫室大棚四個腳的電路我們可以將 ic11 比較器中設置基準電壓,設置單電源電壓比較器 ic11 的反向輸入基準電壓為 25.8v,首先確定分壓電阻r105=15k 然后利用串聯電路的分壓原理，得到該分路中電流大約為：i=20v/15k=1.3a在電源電路電壓為 40v 的情況下，電阻 r103 的阻值如下式可以得到：i=40v/(r103+r104)1.3=40/(r103+15k)得到電阻：r103=8.3k 為了更好的 調節基準電壓的阻值我們采用可變電阻器，選用 10k 的可變電阻器，此時熱敏電阻的溫度范圍大約在 30。河南理工大學畢業設計（論文）

38、說明書25在電路 ic12 中，設置單電源電壓比較器 ic12 的反向輸入基準電壓為 20v,在分壓電路中我們統一確定分壓電阻的阻值為 15k，在電路中我們利用串聯分壓電路的特性可以確定熱敏傳感器的電阻值：rt=6.4k通過查熱敏電阻的特性，我們可以去定溫度范圍在 15左右，原理如下：在 ic11 中基準電壓 u_25.8v，溫度低于 30時，由于熱敏電阻阻值隨溫度增高而降低從而是 r105 所分擔的直流電源電壓減少,所以比較電路 ic11 輸出低電平。當溫度升高超過 30時，由于隨著溫度的升高,此時熱敏電阻的阻值降低,從而是 r105所分擔的電壓升高此時在此時 ic11 電路比較器中,u+2

39、5.8v，所以 ic11 發生跳變，輸出高電平。而在 ic12 中，由于設置的基準電壓為 20v,所以當基準電壓 u+20v，此時溫室大棚內的溫度大于 15時，從而熱敏電阻的阻值降低,比較器 ic12 輸出低電平。當溫度降至低于 15時，熱敏電阻的阻值升高,從而使 r105 所分擔的電壓減少,導致u_20v，所以此時 ic12 發生跳變，輸出一個高電平。在圖 12 溫度檢測電路（2）的工作原理溫度檢測電路（1）的原理相似，電壓取自r503 的電壓然后分別引入兩個比較器，去和標準電壓比較。在 ic1-3（in3-、in3+、out3）中基準電壓 u+=22v，溫度高于 20，低于 25，時，ic

40、2-1 輸出低電平。當溫度降低過 20時，此時 u-24v，ic2-2 發生跳變，輸出一個高電平，使換氣電路工作。加熱、換氣電路：在此電路中我們設定了溫度的值在 2025，當溫度在2025范圍內的時候，此時加熱電路、換氣電路處于斷路狀態，不工作，當溫度低于 2025于這個規定值時，加熱電路開始動作：在加熱電路中我們設置 e 點在 18的電壓為 3.4v，在 21的 e 點的電壓為 0.2v，在電路中利用 r506 的阻值為 10k 則3v=rp202*22.2v/(rp202+r506)得到 rp202=1.5k為了更好的調節溫度我們選擇 rp202de 阻值為 4k,同理換氣電路中在 f 點

41、利用電路的分壓特性，確定其參數在 18時候，f 點的電壓為 3.7v,在溫度為 21時候 f 點的河南理工大學畢業設計（論文）說明書26電壓為 0.3v，所以利用分壓電路可以得到分壓電阻在 2k 左右，在這里我們選擇可變電阻器的阻值為 4k，當溫室大棚中溫度高于 2025的時候，此時換氣電路開始工作，在此電路中加熱電路和換氣電路都自生的供應電源，電路中都應用了芯片 mac94a4，在加熱電路中，溫度值可以通過調節 rp 501 可粗調加熱的跳變溫度。當溫度在 2025范圍內。加熱、換氣電路不工作，當溫度低于或高于這個規定值時，電路動作。調節 rp501可粗調加熱的跳變溫度。加熱裝置可用壁掛式電

42、熱毯或電爐子，換氣裝置可選用換氣扇。電路如下圖 13:圖 13 加熱、換氣電路4.2 溫度報警電路組成與原理溫度報警電路主要由或門電路、振蕩電路 2、功率放大電路三部分組成。在本設計中三部分電路原理如下所示：(1)或門電路：或門電路圖如下圖 14 所示：圖 14 或門電路河南理工大學畢業設計（論文）說明書27或門電路由 r401、r402、vd401、r403、r404、vd402 幾個器件組成，在電路中用到了穩壓管,穩壓管 vd403 的作用是提供一個基準電壓,我們設定電路中穩壓管部分的基準電壓在溫度為 35時候為 2.3v；在溫度為 21時候電壓為 0v,通過設計我們可以知道利用電阻 r4

43、04 與 r402 來對二極管進行分壓，計算得到 r404 與 r402 均可采用 10k 的電阻來完成。同時在活門電路中穩壓管還能對電壓進行有效的補償,此電路中 vd403 就是對或門輸出的信號電壓進行穩壓，當溫度檢測電路中檢測到溫室內的溫度超過 30或溫度低于15的時候，溫度檢測電路會輸出一個跳變的信號到或門電路中，在 a 點輸出一個12v 的電壓，同時將電壓信號傳到振蕩電路 2 中去，從而使振蕩電路繼續工作。(2)振蕩電路 2：電路原理圖如圖 15 所示：圖 15 振蕩電路 2設計出功率放大器中揚聲器的工作頻率在 4500hz 左右，然后利用功率放大器的作用發出信號，從而是揚聲器工作。從

44、或門電路中輸入的信號在振蕩電路的工作的過程中可以設定電容器 c402 的阻值為 0.22u,根據公式可以得到 ne555 芯片的振蕩頻率 fr2 fr2=1.44/r*c402得到電阻 r 的阻值在 2k 左右所以當我們設定電阻 r406 的阻值為 0.5k 時得到電阻 rp401 的阻值為 1k,從得到了頻率為 4363hz 的頻率，在這個頻率范圍內，放大電路中的揚聲器可以工作，在時鐘電路中為了控制揚聲器中音量的大小可以利用，芯片ne555 中腳輸出高電平的占空比，可以通過調節變阻器 rp401 來決定揚聲器的音調河南理工大學畢業設計（論文）說明書28的大小。此振蕩電路中用到了芯片 ne55

45、5，或門電路中輸出的 12v 電壓，該電壓經可變電阻 rp401、電阻 r406 時對電容 c402 進行充電，由于 ne555 的芯片功能所決定可以知道，當電位上升至 23vcc時，ne555 芯片開始復位。在 ne555 振蕩電路中，芯片 ne555 的腳輸出低電平，同時內部放電管與腳相連通，在電路工作過程中電容 c402 通過電阻 r406 向芯片腳放電，由于電容放電可以得知電容的電壓 vc402開始下降，當電容 c402 的電壓 vc402下降至 l3vcc時，芯片ne555 的腳輸出高電平，此時芯片 ne555 中的放電管截止，從而當放電結束。當第一輪工作結束后電容 c402 又開始

46、放電充電，不斷的使電路繼續工作，從而形成的振蕩電路。（3）功率放大電路：原理圖如圖 17 所示：圖 16 功率放大電路功率放大電路,其工作原理如下：通過振蕩電路 2 中輸出的脈沖,經過電容 c403 濾波后,傳到功率放大芯片 tda2040,在頻率 4500hz 左右的工作頻率下，我集成功率放大器 tda2040,通過 r412、r411 電阻構成交流負反饋,們在功率放大電路中經過反饋放大的電路信號經過輸出電容 c408 傳輸到揚聲器中,其中我們設定揚聲器的電阻值為 4,從而實現電路的報警功能。5 濕度自動控制電路濕度自動控制系統由振蕩電路 2、濕度檢測電路、比較電路、繼電器控制的澆水電路組成

47、。濕度自動控制系統框圖如下 17 所示：河南理工大學畢業設計（論文）說明書29圖 17 系統原理框圖5.1 濕度檢測電路濕度檢測電路由振蕩電路 1、濕度傳感器 rh（mso-1 型）和檢波網絡vd301，c304，r305 組成的。振蕩電路 l 的工作原理和振蕩電路 2 的工作原理相同。在振蕩電路 1 中，電路的振蕩頻率為 fr1，由于濕敏電阻大都工作在交流狀態下，而且要求頻率不能超過 lkhz，所以振蕩電路 1 用來產生約 200h 左右的的振蕩方波，200hz 的方波利用 ne555 來產生,通過 ne555 振蕩電路的特性,我們可以利用以下的公式fr1=1.44/(rp301+2r301

48、)*c304來確定頻率.在電路中我們選擇 rp301 來調節頻率的多少,我們可以假設一個特定的值來帶如電路中可以得到 172hz 的頻率,通過不斷的調節我們來確定 r301 大約在 1k左右,所以我們確定電阻 r301 的阻值為 1k 然后通過電容的充電放電特性算出電容,在電路中可以調節可變電阻器 rp301 來改變振蕩頻率使濕敏電阻工作在 200hz 左右的頻率下。設計好了工作頻率振蕩電路 1 中由于芯片 ne555腳為輸出腳，所以輸出的振蕩波加在濕度傳感器 rh 上，經 vd301，c304，r305 檢波網絡接入比較器 ha17902 的正相輸入端。5.2、比較電路、澆水系統比較器是采用

49、單運放集成電路m5249，它的反相輸入端接有基準電壓網絡，正相輸入端接有溫度檢測信號。調節rp302可設定比較電路的基準電壓值u-=4.5v，即設定控制的相對濕度。當環境中的濕度發生變化時，由于rh呈現的電阻值的起伏變化使比較器的同相輸入端的信號電平也隨之發生變化。當相對濕度達到70%以下時，正相輸入端的信號高于比較電路的反相輸入端的基準電壓值，即u+大于4.5v，比較器輸出轉成高電平，使vt飽和導通，繼電器k通電吸合，電磁閥自動打開，澆水開始。當相對濕度達到70%以上時，正相輸入端的信號低于比較電路的反相輸入端的基準電壓值，即高于設定的相對濕度時，比較器輸出轉成低電平，使vt截止，繼電器k斷

50、電，電磁閥自動關閥，澆水停止。5.3 、濕度自動控制系統原理電路圖濕度自動控制系統原理電路圖如下圖18所示：河南理工大學畢業設計（論文）說明書30圖 18 濕度自動控制系統電路圖集成穩壓器cw7812的3腳輸出12v的直流電壓，該電壓加入ne555振蕩器，產生約200hz的振蕩波，由ne555腳輸出，輸出的振蕩波加在濕度傳感器rh上。由于rh呈現的電阻值是隨環境的濕度變化的起伏變化，即rh上分得的電壓也隨之發生變化。此電壓經vd301，c304，r305檢波網絡接入比較器的正相輸入端，與基準電壓進行比較。當相對濕度達到70%以下時，正相輸入端的信號高于比較電路的反相輸入端的基準電壓值，比較器輸

51、出轉成高電平，使vt飽和導通，繼電器k通電吸合，電磁閥自動打開，澆水開始。當相對濕度達到70%以上時，正相輸入端的信號低于比較電路的反相輸入端的基準電壓值，即高于設定的相對濕度時，比較器輸出轉成低電平，使vt截止，繼電器k斷電，電磁閥自動關閥，澆水停止。6 電源電路設計與論證電子電路工作時都需要直流電源提供能量，電池因使用費用高,一般只用于低功耗便攜式的儀器設備中。如何把交流電源變換為直流穩壓電源，選用哪種電源接下來是我們要討論的。一般直流電源由如下部分組成:整流電路是將工頻交流電轉換為脈動直流電。濾波電路將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩壓電路采用負反饋技術，對整流后

52、的直流電壓進一步進行穩定。直流電源的方框圖如圖圖 19 示。河南理工大學畢業設計（論文）說明書31圖 19 整流濾波方框圖 電源電路中要求電壓為 40v10%的直流電壓，總的電路中電流最大值為 0.5a，所以估算負載大約為 33k61、整流電路設計方案一 單相橋式整流電路(1)工作原理 單相橋式整流電路，如圖 20（a）所示。在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。根據圖 20（a）的電路圖可知：當正半周時，二極管 d1、d3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。當負半周時，二極管 d2、d4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周.在負載電阻上正、負半周經過合

53、成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖 20（b）。(2)參數計算 根據圖 20（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為 （a）橋式整流電路 （b）波形圖 圖 20 單相橋式整流電路流過負載的平均電流為：河南理工大學畢業設計（論文）說明書32流過二極管的平均電流為：二極管所承受的最大反向電壓為： 流過負載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析，此時諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動系數 s 定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。、（3）單相橋式整流電路的負載特性曲線 單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸

54、出電壓與負載電流之間的關系 該曲線如圖 21 所示，曲線的斜率代表了整流電路的內阻。圖 21 單相橋式整流電路的負載特性曲線方案二 單向半、全波整流電路單相整流電路除橋式整流電路外還有單相半波和單相全波兩種形式。單相半波整流電路如圖 22(a)所示，波形圖如圖 22(b)所示。 輸出電壓在一個工頻周期內，只是正半周導電，在負載上得到的是半個正弦波。負載上輸出平均電壓為 流過負載和二極管的平均電流為 河南理工大學畢業設計（論文）說明書33 (a)電路圖 （b）波形圖圖 22 單相半波整流電路二極管所承受的最大反向電壓為： 單相全波整流電路如圖 23 (a)所示，波形圖如圖 23（b)所示： (a

55、)電路圖 （b）波形圖圖 23 單相全波整流電路根據圖 23（b）可知,全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為 流過負載的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓 單相全波整流電路的脈動系數 s 與單相橋式整流電路相同。 半波整流電路簡單,元件少,但輸出電壓直流成分小（只有半個波）,脈動程度大,河南理工大學畢業設計（論文）說明書34整流效率低,僅適用于輸出電流小、允許脈動程度大,單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優于單相半

56、波和全波整流電路，故我們通過方案比較選擇單向橋式整流電路應用于我們大棚溫度濕度控制電路的電源電路。62 濾波與穩壓電路在電源電路中我們首先將 220v 變壓器變壓到 48v 輸出電壓，然后在利用橋式全波整流電路對 48的交流電進行整流，得到一個穩定的脈沖電壓，然后利用電容器101 對得到的脈沖電壓進行濾波，這里用到的電容濾波屬于初步的濾波，電容濾波的原理如下：濾波電容的作用是使濾波后輸出的電壓為穩定的直流電壓，其工作原理是整流電壓高于電容電壓時電容充電，當整流電壓低于電容電壓時電容放電，在充放電的過程中，使輸出電壓基本穩定。濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負極

57、。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。(1)當 u2 為正半周并且數值大于電容兩端電壓 uc 時，二極管 d1 和 d3 管導通，d2 和 d4 管截止，電流一路流經負載電阻 rl，另一路對電容 c 充電。當 ucu2，導致 d1 和 d3 管反向偏置而截止，電容通過負載電阻 rl 放電，uc 按指數規律緩慢下降。圖 24 橋式整流濾波電路(3)當 u2 為負半周幅值變化到恰好大于 uc時，d2 和 d4 因加正向電壓變為導通狀態，u2 再次對 c 充電，uc上升到 u2 的峰值后又開始下降；下降到一定數值時 d2 和d4 變為截止，c 對 rl 放電，uc按指數規律下降；

58、放電到一定數值時 d1 和 d3 變為導通，重復上述過程。rl、c 對充放電的影響電容充電時間常數為 rdc，因為二極管的rd 很小，所以充電時間常數小，充電速度快；rlc 為放電時間常數，因為 rl 較大，放電時間常數遠大于充電時間常數，因此，濾波效果取決于放電時間常數。電容 c 愈大，負載電阻 rl 愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大，如圖 25 所示：河南理工大學畢業設計（論文）說明書35圖 25 橋式整流電容濾波后波形圖整流電路是將交流電變成直流電的一種電路，但其輸出的直流電的脈動成分較大，而一般電子設備所需直流電源的脈動系數要求小于 001 故整流輸出的電壓必須采取一定的措

59、施盡量降低輸出電壓中的脈動成分，同時要盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電，這樣的電路就是直流電源中的濾波電路。通過電容濾波后得到初步穩定的直流電壓，然后通過穩壓器 lw78a40 得到 40v的直流電壓，在通過電容 c102對得到的直流電壓進一步濾波得到最終需要的 40v 直流電壓,然后通過電阻 r103、r104的分壓電路得到向溫度檢測電路 1 提供的 20v 與 28v 的直流電壓，溫度檢測電路 2 所需要的電壓是 16v、28v 也是通過分壓電路的到的直流電壓，在檢測電路中芯片 ne555 所需要的直流電壓是由穩壓器 cw7812 所提供的，本電源電路中運用的很

60、多的電容濾波，保證了電路中直流電壓的穩定性，同時也使芯片的壽命能夠延長。63、電源電路與元件選擇：電源電路設計如下圖 26 所示：圖 26 電源電路圖本設計采用三端穩壓電路 lm78a40、進行控制。cw7812 其功能就是輸出穩壓直流12v 電壓， lm78a40 其功能就是輸出穩壓直流 40v。本電路就是利用 cw7812 直流穩壓河南理工大學畢業設計（論文）說明書36輸出 12v 的電壓和 lm78a40 直流穩壓輸出 40v 的電壓特性，對電源的電壓進行有效的控制隨著電子技術的發展，集成化的串聯型穩壓器的應用越來越廣泛，集成穩壓器具有 性能好，體積小，重量輕，價格便宜，使用方便，有過熱