基于555定时器的湿度检测电路的设计与Multisim仿真

摘要：基于Multisim仿真软件，利用555定时器设计了湿度检测电路，用于电子技术实践教学。系统设计：1)利用HM1500 湿度传感器采集湿度信息，转换为电压信号;2)利用555定时器设计压频转换电路，间接实现模/数转换;3)利用74LS161、74LS273等设计计数器测量锁存湿度值;4)利用数码管显示湿度值。Multisim软件仿真结果显示，本文设计电路准确稳定，转换精度高，线性度高，且成本低。该系统设计融合了模拟电子技术及数字电子技术课程基本教学内容，可作为实践项目用于教学。

湿度检测及控制在日常生活及工程生产中应用广泛。随着电子技术日新月异的发展及新型器件的应用，湿度检测电路设计方案不断更新优化。本文为配合电子技术实践教学，遵循以下原则设计了一种新型湿度检测电路：1)方案所应用到的知识点密切联系模拟、数字电子技术课程教学内容;2)不采用单片机等微处理器，而采用常用逻辑功能器件进行信号处理;3)设计方案的硬件电路调试方便，满足实践教学的可行性。本文切合以上原则，基于Multisim仿真软件，利用555 定时器设计了湿度检测电路，仿真结果显示，本文设计电路准确、稳定，转换精度高，线性度高，且成本低。

1 湿度检测电路设计方案

本文依照图1设计了湿度检测电路。湿度采集模块将湿度值转换为电压信号;压频转换模块间接地实现模/数转换，将电压信号转换为数字频率信号(方波);湿度测量及显示模块通过测量频率大小测量出环境湿度值，并进行显示。

2 湿度检测电路模块设计

2.1 湿度采集模块设计

日常生活中所指的湿度常为相对湿度，用%RH(Relativehumidity)表示，即气体中的水蒸气压与其气体的饱和水蒸气压的百分比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。

HM1500是一款典型的线性电压输出式湿度传感器，其输出是与相对湿度呈线性关系的电压信号，如式(1)所示。

Uout(mv)=25.68RH+1 079 (10≤RH≤95) (1)

如图1所示，HM1500将湿度值转换成电压信号后，经信号处理模块处理，实现整个湿度采集模块输出电压值U'out与湿度值呈正比例函数线性关系，如式(2)所示。

U'out(mv)=Uout-1 079=25.68RH (2)

基于multisim仿真软件设计的具体电路如图2所示。其中，由于multisim不支持HM1500元件，仿真过程采用虚框(a)中电路，其输出为0～4 V可调，可模拟湿度RH变化范围。

虚框(b)中电路可产生稳定输出1.079 V。基于运算放大器设计的减法电路如虚框(c)中所示。根据表1中不同湿度RH值下传感器输出值调节电位器R2，得到相应的采集模块输出值，由表1中数据及图3所示曲线可知，湿度采集模块实现了其输出电压值与湿度值呈正比例函数线性关系，即式(2)所示。

2.2 压频转换模块设计

压频转换模块由集成运算放大器差分积分电路及555定时器单稳态触发电路构成，如图4所示。其中，R1=R4，C1=C4，电路输出高电平记为Uoh，低电平记为Uol，要求Ui<Uoh。

根据555定时器的内部结构分析得，图4中压频转换电路含两种状态：初始状态和稳定状态。在这两个状态下，Utr，Uth和Uo的波形如图5所示。

初始状态：上电时，Utr，Uth均为低电平<1/3VCC，555则输出Uoh，差分积分电路中C1、C4从Utr=0 V开始充电，单稳态电路中C2也从Uth=0 V开始充电，适当选择电路参数，使得Utr充电到>1/3VCC时，C2上充的电压Uth<2/3VCC，则输出保持Uoh，C1、C4、 C2继续充电，当C2上充的电压Uth>2/3VCC时，Utr仍然>1/3VCC，输出则变为Uol，此时，C2通过555内部放电管迅速放电为0 V，即Uth=0 V<2/3VCC，而C1、C4通过电阻R1、R4缓慢放电，若放电仍然Utr>1/3VCC，则输出保持，电路继续放电。

稳定状态：当放电使得Utr<1/3VCC时，由于此时Utr=0 V<2/3VCC，则输出变为Uoh，此时C1、C4从Utr=1/3VCC开始充电，C2则从Uth=0 V开始充电，则肯定有Utr充电到>1/3VCC时，C2上充的电压Uth<2/3VCC，则输出保持Uoh，C1、C4、C2继续充电，当 C2上充的电压Uth>2/3VCC时，Utr仍然>1/3VCC，输出则变为Uol，此时，C2通过555内部放电管迅速放电为0 V，即Uth=0 V<2/3VCC，而C1、C4通过电阻R1、R4缓慢放电，若放电仍然Utr>1/3VCC，则输出保持Uol，电路继续放电，当放电使得 Utr<1/3VCC时，由于此时Uth=0 V<2/3VCC，则输出变为Uoh。则该稳定状态不断重复。

根据以上分析可知，进入稳定态后，若令充电时间为t1，放电时间为t2，周期为T=t1+t2，由555电路构成的单稳态电路分析知：

因此，本文设计中，取C2=10μF，则R2=466.9 Ω(实际用1 kΩ电位器)。

本文基于multisim软件。针对10个不同输入情况对图4所示电路进行了仿真。经过仿真，调节参数R2=1kx48.8%=488 Ω，其它参数如图4所示不变。图6所示为部分输入时仿真所得，和的波形，波形结果与前文分析一致。表2为所有仿真情况数据结果统计。根据表2中仿真数据绘制出图7所示压频转换线性关系曲线。由表2及图7结果可知，本文设计的压频转换电路转换精度高，且转换线性度高。

2.3 湿度测量及显示模块设计

本文设计的湿度测量及显示模块如图8所示。设计100进制BCD计数器对压频转换电路输出频率信号进行计数，设计多谐振荡器产生图中所示波形①作为计数器使能信号，波形①通过非门取反后产生波形②作为锁存器CLK信号，波形②通过非门取反后产生波形③作为计数器清零信号。整个控制端信号实现如下控制时序：计数器计数结束时锁存计数值，锁存好计数值后清零计数器，以等待6 s后进行下一次计数。该部分详细设计及电路仿真不在本节赘述。

3 总体设计

根据图1设计方案，将2.1～2.3节介绍的各模块设计电路进行连接即可得到基于555定时器设计的湿度检测系统的总体电路，本节模拟表1中环境RH值对总体电路进行了仿真。不同RH值的环境下，数码管显示的数据如表3所示，本文提出的湿度检测电路准确，存在误差为1%～3%。

4 结论

本文基于555定时器设计的湿度检测电路准确、稳定，转换精度高，线性度高，成本低。设计方案融合了模拟电子技术及数字电子技术课程基本教学内容，可作为实践项目用于教学。