基于CC4060環(huán)境濕度測試儀的設計

寧新寧

(忻州師范學院現代教育技術中心，山西忻州034000)

隨著科技的發(fā)展，社會需要能夠自動控制的監(jiān)測設備，環(huán)境濕度測試儀就是一種用于環(huán)境濕度自動監(jiān)測控制的設備。本文介紹基于計數器CC4060等構成的環(huán)境濕度測試儀，電路簡單，調試方便，監(jiān)測準確，精度高。

1 電路構想

1.1 組成框圖

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

圖1 濕度測試儀組成框圖

1.2 器件選擇及原理構思

濕度監(jiān)測部分采用高分子薄膜式濕敏電容HS1100，具有不需校準的完全互換性，能瞬時退飽和。相對濕度在0%～100%RH范圍內，電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應時間小于5 s，在55%RH、25℃、10 kHz條件下，其典型標稱電容為180pF，供電電壓一般選5 V，工作溫度 －40℃ ～100℃［1，2］。HS1101用做濕度傳感器時，測量電路有兩種設計方案，一種是線性電壓輸出式，比例系數為正值;另一種是線性頻率輸出式，比例系數為負值。本設計采用的是頻率輸出式［2］。

濕度頻率轉換電路采用NE555定時器，成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路［2］。本電路其與濕敏電容HS1100和電阻等構成多諧振蕩器，通過恰當設置電路中的電阻值，輸出方波，實現濕度監(jiān)測量向頻率信號的轉換，通過頻率信號的高低我們就可以得知環(huán)境濕度是否正常。

基準頻率振蕩器和頻率電壓轉換器都采用十四位串行計數器CC4060，它采用CMOS制作工藝、標準DIP－8封裝的14位二進制串行計數/分頻器集成電路，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路［3］。CC4060復位端為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效;復位端為低電平時，由外接的振蕩定時元件控制產生一定頻率的信號，并可以輸出4分頻到10分頻，12分頻到14分頻的脈沖信號。本電路的基準頻率振蕩器由CC4060及其定時元件組成，產生的頻率信號經12分頻后送至D觸發(fā)器，為D觸發(fā)器提供時鐘脈沖。頻率電壓轉換器則利用的是CC4060的分頻功能，將NE555定時器輸出的頻率信號送至CC4060，經12分頻后輸出至D觸發(fā)器輸入端，根據環(huán)境是否潮濕產生相應的電平，驅動D觸發(fā)器工作，輸出控制電平。

輸出控制電路可以根據實際需要采取相應的電路，本電路的輸出控制部分由三極管控制繼電器實現，D觸發(fā)器輸出的高電平，使三極管導通驅動繼電器動作，產生報警信號或驅動干燥電路工作，使環(huán)境濕度恢復到正常值范圍。

2 電路實施及參數選擇

2.1 濕度監(jiān)測及濕度頻率轉換電路(圖2)

C是濕敏電容HS1100，容量會隨著環(huán)境濕度的變化而改變，使②腳和⑥腳的充放電時間常數發(fā)生變化，改變③腳的輸出信號的頻率，實現環(huán)境濕度的變化轉換為頻率的變化，由非電量轉變?yōu)殡娏?。⑤腳外接電阻R3的阻值為910 kΩ，與集成電路內接的電阻5 kΩ相差很大，所以一般基準電壓就可以認為是電源電壓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，可根據調試的需要串聯(lián)電位器，實現最佳的控制精度。由以上數值可算出③腳常態(tài)下輸出的脈沖周期T=(R1+2R2)Cln2，為0.15 ms左右，則頻率在6 667 Hz左右，當環(huán)境濕度增大為90%RH時，頻率會減少到6 186 Hz左右，引起后續(xù)電路動作，實現增干和報警。

圖2 濕度頻率信號轉換電路

2.2 基準頻率振蕩器(圖3)

圖3 基準頻率振蕩電路

基準頻率產生電路主要由十四位串行計數器CC4060實現，CC4060⑨⑩[11]腳外接基準頻率定時元件，產生信號由[11]腳送入 CC4060，本電路 C1 為 0.01μF，R4 為 2.7 kΩ，RP1為4.7 kΩ電位器，通過調節(jié)電位器，，可以產生周期為0.059 4 ms～0.162 8 ms，頻率為 16.8 kHz～ 6 kHz信號(f=1/2.2(RP1+R4)C1)，此信號經 12分頻后可以得到4 Hz～1.5 Hz的頻率，由①腳輸出，進入D觸發(fā)器CD4013③腳，為頻率電平轉換提供時鐘脈沖。Q1、Q2兩個三極管構成線與電路，正常工作時Q1或Q2有一個導通，則復位端[12]腳為低電平，計數器正常工作，當⑦腳4分頻輸出和①腳12分頻輸出同時為高電平時，Q1和Q2同時輸出高電平，計數器清零，重新開始計數，這個電路主要保證監(jiān)測電路工作一段時間(0.33 ms～1 ms)自動清零一次，避免長時間出現數據錯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 頻率電壓轉換電路(圖4)

圖4 頻率電壓轉換電路

頻率電壓轉換電路主要由十四位串行計數器CC4060和四D觸發(fā)器CD4013組成，由NE555③腳送來的頻率信號，由CC4060 U2的[11]腳送入計數器，經十二分頻后由①腳輸出，常態(tài)頻率為1.6 Hz，濕度增大到90%RH時，頻率降為1.5 Hz，送至D觸發(fā)器CD4013⑤腳，同時輸出高電平使Q3導通，鎖存進入的信號電平，阻止后面的脈沖信號再次進入CC4060 U2，防止出現干擾，D觸發(fā)器在CC4060 U1的時鐘脈沖(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，帶動報警或增干電路工作。D觸發(fā)器工作與否顯然取決于CC4060 U1送入的時鐘脈沖，U1和U2輸出的脈沖下限頻率是一樣的，這顯然無法控制D觸發(fā)器正常工作，這就需要我們在調試的過程中，輕微調節(jié)RP1，使CC4060 U1輸出的時鐘頻率稍高于1.5 Hz，但低于1.6 Hz(對著濕敏電容吹氣增回濕度的方法調試)，就能保證電路在常態(tài)時D觸發(fā)器不工作，當濕度超過90%RH時，D觸發(fā)器輸出高電平，驅動后面電路工作。R9為2.2 kΩ，R10為10 kΩ，R11可以和R7合為一個電阻，Q3為1815。

2.4 輸出控制電路

圖5 輸出控制電路

輸出控制電路采用三極管驅動繼電器實現，將CD4013①腳輸出的電平信號送至NPN型三極管1815的基極。常態(tài)時，CD4013①輸出低電平，三極管截止，繼電器釋放;當濕度超過規(guī)定量時，CD4013輸出高電平，三極管導通，繼電器吸合，報警和增干電路工作。

3 結束語

用濕敏電容HS1100、十四位串行計數器CC4060、D觸發(fā)器CD4013等組成的環(huán)境濕度測試儀，具有操作簡單，調試方便，體積小，精度高等優(yōu)點，對于一般的電子愛好者都可以輕松調試成功。

［1］林敏，于忠得，侯秉濤.HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應用［J］.儀表技術與傳感器，2001(10):44－45.

［2］陳俊梅，盧莉蓉.基于AT89C51的智能濕度儀的設計與實現［J］.自動化應用，2011(4):58－59.

［3］潘榮輝.數字電路CD4060的應用［J］.電子制作，2007(7):33－36.