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环境湿度控制器

题目名称：

环境湿度控制器

姓名：

班级：

学号：

日期：

数字电子电路课程设计任务书

一．设计分组：

制作每两人一组。

二．时间安排：

1周，进度要求如下

序号

设计内容

所用时间

布置任务及调研，电子系统的总体设计

1天

设计方案的验证,电子系统电路图绘制

1天

制作

1天

调试

1天

撰写设计报告书，答辩

1天

合计

5天

课程设计起止日期：

三、课程设计任务（即要求）：

课程设计题目：

环境湿度控制器的设计与制作

（一）设计指标：

1．基本功能：

能够检测一定范围内的湿度值，过限报警。

。

2．主要技术参数：

湿度检测范围：

10%-100%RH；

检测方式：

频率与湿度之间的转换，当频率超过警戒值则指示灯变亮；

报警方式:

指示灯变亮报警。

3．设计湿度控制器原理图，学习用multisim软件设计并且画该原理图，然后仿真。

（二）具体要求：

1．设计方案的论证和选择

（1）、方案提出

*查阅资料确定湿度控制器的电路框图。

*提出两种以上湿度控制器的电路设计方案。

（2）、方案选择和论证

*考虑方案的可行性、可靠性等实际问题，选择出较为合理的方案。

*确定设计方案后，用Protel（或Multisim）软件绘出电原理图，并对各单元电路的工作原理进行分析。

2．制作、调试湿度控制器实物；

3．按设计任务书的要求的格式，撰写或打印课程设计报告书。

4．设计总结和答辩。

（三）实验仪器、工具：

1．共阳（共阴）七段数码管/计数器/译码驱动集成电路。

2．导线/电阻/电容/石英晶体/变压器等。

3．示波器、万用表。

四．设计报告要求：

格式要求：

（见附录）

内容要求：

1.画出设计的原理框图，并要求说明该框图的工作过程及每个模块的功能。

2.画出各功能模块的电路图，加以原理说明（如10进制到6进制转换的原理，个位到十位的进位信号选择和变换等）。

3.描述设计制作的数字钟及其运行结果。

说明测试中出现的故障及其排除方法。

4.总结：

设计过程中遇到的问题及解决办法；课程设计中的心得体会；对课程设计内容、方式、要求等各方面的建议。

5.附录1：

画出总布局接线图（集成块按实际布局位置画，关键的连接单独应画出，计数器到译码器的数据线、译码器到数码管的数据线可以简化画法，但集成块的引脚须按实际位置画，并注明名称。

）（或附上实物照片）

6.附录2：

元器件清单。

五、课程设计参考资料

1.彭介华主编：

《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社，2002年出版。

2．郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.电子工业出版社.2002

3．高吉祥主编．电子技术基础实验与课程设计．北京：

电子工业出版社，2002

4．扬志亮.Protel99SE电路原理图设计技术.西北工业大学出版社.2002

5．

6．

2015年12月31日

环境湿度控制系统能实现对环境湿度的控制警告，它设计到压频转换、放大、整形、分频、频率比较等多种电路，具有一定的实用意义。

一．指标要求

1、基本功能：

能够检测一定范围内的湿度值，过限报警。

2、主要技术参数：

湿度检测范围：

10%-100%RH；

检测方式：

频率与湿度之间的转换，当频率超过警戒值则指示灯

变亮；

报警方式:

指示灯变亮报警。

3、设计湿度控制器原理图，学习用multisim软件设计并且画该原理图，然后仿真。

4、实物具体效果：

对湿敏电容轻微哈气，使湿敏电容周围的相对湿度增大，湿度/频率转换电路输出频率降低，当脉冲频率低于设定值（对应相对湿度90％RH）时，湿度控制电路启动输出（K1吸合，LED1点亮），停止对湿敏电容哈气，湿敏电容脱湿后（脱湿时间约20秒），湿度控制电路停止输出（K1断开，LED1熄灭）。

二．设计计算

1．总体方案设计：

本次湿度控制电路主要由湿敏电容、湿度/频率转换电路、基准脉冲发生电路、频率比较电路和湿度控制输出电路组成。

系统框图如下图1：

图1

软件仿真图如下图2：

图2

2．单元电路设计：

1）湿敏电容HS1101

HS1101湿敏电容传感器外形如图3，它具有测量精度高、互换性好、工作稳定等特点，HS1101为容性器件，环境相对湿度在55％RH时，HS1101的典型容量为180pF，湿度－容量对应表见图4

图3图4

图5

左图5为HS1101典型应用图，此电路为典型的555非稳态电路，HS1101作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻R4的短路，等量电容HS1101通过R2与R4充电到门限电压约0.67Vcc，通过R2放电到触发电平约0.33Vcc，然后R4通过引脚7短路到地，传感器由不同的电阻R4与R2充放电其循环工作。

其输出频率表见下表1：

100

7351

7224

7100

6976

6853

6728

6600

6468

6330

6186

6033

注：

555为典型的COMS类型，TLC555（RH：

百分比相对湿度，F：

频率Hz）

表1

2）湿度/频率转换电路

湿度/频率转换电路由湿敏电容HS1101和TLC555等组成湿度/频率转换电路，转换电路将湿度物理量转换为与湿度大小相对应的脉冲频率。

图6

3）基准脉冲发生电路

基准脉冲发生电路，包括整形和分频）集成电路U3与外部RC元件组成基准脉冲发生器，经过12级分频后将信号输出。

专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电

图7路。

产生脉冲的方法有多种，例如：

多谐振荡器等。

我们这里用的是RC振荡和CD4060，其中T=2.3RC。

4）频率比较电路

图8

脉冲频率比较电路由U2和部分外围元件组成，频率比较电路接受来自湿度/频率转换电路和基准脉冲发生电路的信号，比较结果经D触发器锁存后输出驱动继电器K1吸合。

5）湿度控制输出电路

通过对tp-a和tp-c两点频率的比较来判断是否报警。

图9

整体电路具体效果如下：

3．总体电路：

a）软件仿真图：

b）元件连接图：

c）各元件原理介绍

时基电路TLC555

图12（内部等效电路）

TLC555与NE555参数基本相同，但TLC555为COMS结构，具有温漂小、内部分布参数小等优点，是一块时基集成电路，它可以构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等，是一块用途广泛的集成电路。

TLC555集成电路管脚如图13：

TLC555引脚功能简介：

1脚：

公共地端为负极。

2脚：

低触发端TRIG，低于1／3电源电

压时即导通。

3脚：

输出端OUT，电流可达200mA。

图13

4脚：

强制复位端RESET，不用时可与电源正极相连或悬空。

5脚：

用来调节比较器的基准电压，简称控制端CONT，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地。

6脚：

高触发端THRES，也称阈值端，高于2/3电源电压时即截止。

7脚：

放电端DISCH。

8脚：

电源正极VDD。

14位二进制串行计数器/分频器CD4060

CD4060是由一振荡器和14级二进制串行计数位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，RERST为高电平时，计数器清零且振荡器停止工作,所有的计数器均为主-从触发器,在φo和φo的下降沿，计数器以二进制进行计数,在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制。

图14（CD4060的RC典型振荡）

图14

图15为CD4060的引脚图，引脚功能如下：

φI?

时钟输入端

φo?

时钟输出端

φo?

反向时钟输出端

图15

RESET复位端

Q4-Q10,Q11-Q14?

计数器输出端

Q14?

第14级计数器反相输出端

VDD?

正电源

VSS?

地

CD4060通过外部简单的RC元件，可实现RC振荡，其振荡频率计算公式

为F=1/（2.3RC）,输出方波频率可选，有2的4次方～10次方，12次方，

13次方，14次方。

双重数据触发器CD4013

CD4013是由具有置位（SET）和复位（RESET）功能的2个数据型触发器构成的，对数据输入施加的信息，以时钟输入的低电平读入，以高电平传输到输出端Q。

置位和复位，通过把各自的输入做成高电平，能够独立地进行时钟输入。

图16

图16为CD4013的引脚图，图17为CD4013的内部框图

图17

计数器仿真

图18

三、制作调试

1、按原理图和各元件从低到高的焊接要求，进行相应的焊接。

2、外部接线

J1接入+5V、＋12V和GND工作电源。

3、调试

（1）调试目的，当湿度大于90％RH时，继电器K1吸合，反之K1断开。

（2）湿度/频率转换电路。

测量电路板TP-A点的频率，TP-A点的频率范围应该在6033Hz～7351Hz范围内，湿度与脉冲频率的关系见表1

100

7351

7224

7100

6976

6853

6728

6600

6468

6330

6186

6033

注：

555为典型的COMS类型，TLC555（RH：

百分比相对湿度，F：

频率Hz）

表1

（3）基准频率调整。

调节RP1可改变RC振荡频率，将RC振荡电路的振荡频率调整为6186Hz（对应相对湿度90％RH），如果我们把频率计的探头直接接入RC振荡电路，会严重引起振荡电路频率漂移，所有我们只能测量通过4级分频后的脉冲信号（TP-B点），通过4级分频后的信号为6186÷16≈386Hz。

（4）频率比较电路，对湿敏电容轻微哈气，使湿度增大，湿度转换电路输出频率降低，当TP-A点的频率小于TP-C点的频率时继电器K1吸合。

4、调试结果

将各接口（+12V、VCC、地、TP-A、TP-B、TP-C、TP-D）进行相应的焊接和导线接入（注意+12V与VCC共地）。

接好所有后，打开电源，看见显示输入的灯亮起。

图19

随后在那个白色的湿敏电容周围哈气，经几次，另外那盏灯亮起，如图20。

此时说明，湿敏电容周围的湿度大于90％RH，继电器K1吸合，警报灯亮起。

图20

最后，测试各输出点的频率。

图21：

检测的是TP-B与TP-D，即整形、分频后的波形。

图21

5、操作中所遇问题和解决方法

（1）问题：

在焊接时，将输入端朝向接反，导致无法正常连接导线。

解决：

在朝向相反的那段焊上粗导线，以引出信号。

（2）问题：

第一次调试时，接入电源，但第一盏指示灯未亮。

解决：

经核查线路，发现是该灯的正反极接反，用工具将锡融化并

吸出，拔出灯，重新焊接。

（3）问题：

因粗线无法连接后续导线，因而需再接细线，但细线总断。

解决：

将连接部分直接焊住，并在剪线时注意技巧，尽量介绍金属

丝的磨损和折损。

（4）问题：

因粗线无法一开始调试时，怎么哈气，警示灯就是亮不起来。

解决：

用螺丝刀调节时基电路TLC555上的调节螺丝，将频率控制在

386HZ左右，再吹气，则几下后，灯即亮起。

四、总结

在本次课程设计中，原先一直以为是做数字钟的，但经老师的鼓动和对队友水平的信任，我们尝试了环境湿度控制器的制作。

一开始，拿到器材，感觉还是很庆幸的，焊接点不是很多，元件看着也简单。

但在焊接的过程中，深深记得，我们差点将各触发器直接焊接在电路板上；还有，各电容、灯、元器件的正负，在焊接时也是茫然的。

当时感觉自己的水平真的是纸上谈兵，在日后的学习中，要额外注意这些小点，为自己打下一个更扎实的基础。

焊接时间不长，半天多些，我们便进行了调试。

一开始，因指示灯的反焊，吓得我们以为那儿出现大问题了，后经调整，灯如期亮了，心中欢喜，向成功迈出第一步。

再就是后面的调整频率和示波器的显示，虽然有些迷茫，但和几组湿度控制器的小伙伴们一起，慢慢的也就懂的了。

较顺利的完成了最终的调试。

总而言之，从这回的课程设计里，我学会了怎么样制作和调节湿度控制器，也感受到了数字电子电路和传感器的真正实际应用。

其实我们平日里所学习的课程还是简单和基础的，要想真正的因此工作或进行创造，进一步深入的学习是相当有必要的。

五．参考文献

参考文献：

[1]彭介华.数字电子电路课程设计指导.北京：

高等教育出版社，2002.

[2]康华光.数字电子电路基础－数字部分.北京：

高等教育出版社，2002.

[3]

[4]

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