盆花缺水报警系统.doc

word※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※2009级传感器课程设计 传感器课程设计报告书课题名称盆花缺水报警装置姓 名学 号院、系、部电气工程系专 业自动化指导教师高艳玲2013年 1 月 3 日 / 盆花缺水报警装置一、设计目的 利用湿敏传感器制作一个简单的可以进展盆花缺水报警装置：当盆花缺水时，盆花缺水指示灯就会闪烁发光，提醒人们与时给花浇水；使用555时基电路组成的振荡器来实现缺水时发光二极管VD闪烁二、设计要求 设计依据〔1〕将湿度传感器埋于花中作为两个电极，当土壤缺水时，土壤的电阻率增大，和其串联的电阻电压很低，导致此电阻驱动的VT1截止，而此时作为555的驱动VT2却是导通的，555时基电路的振荡器工作，所以驱动所连接的发光二极管VD随着低频振荡信号闪烁发光，提醒浇水〔2〕当盆花不缺水，土壤电阻率很小，两电极电阻很小，和其串联的电阻压降增加，如此此电阻驱动的VT1导通，振荡电路停止工作，发光二极管VD灭〔3〕湿敏电阻不易控制，结果可能不很理想2.2 报告要求〔1〕实现根本功能，画出设计电路图〔2〕完成3000字设计报告2.3 主要技术指标〔1〕工作电压 ±V。

〔2〕555引脚6、5的电容分别为：4.7微法、0.01微法三、硬件电路设计图3-1 电路原理图〔1〕根本原理水是一种强极性电介质水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它具有很大的电子亲和力，使得水分子易于吸附在固体外表并渗透到固体内部利用水分子这一特性制成的湿度传感器，会导致器件的电阻或电容变化，从而测量出环境相对湿度这种传感器的工作原理是高分子电解质吸湿而导致电阻率变化湿敏元件是最简单的湿度传感器湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高湿敏元件的线性度与抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度与长期稳定性这方面没有干湿球测湿方法好〔2〕 湿度的表示法湿度表示大气枯燥程度的物理量。

在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，如此空气越枯燥；水汽越多，如此空气越潮湿空气的干湿程度叫做“湿度〞在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度等物理量来表示绝对湿度是指单位体积空气中所含水蒸汽的质量，叫做空气的“绝对湿度〞它是大气干湿程度的物理量的一种表示方式通常以1立方米空气内所含有的水蒸汽的克数来表示水蒸汽的压强是随着水蒸汽的密度的增加而增加的，所以，空气里的绝对湿度的大小也可以通过水汽的压强来表示如此： 其中：为空气的水汽密度；为水汽摩尔质量；为摩尔气体普适常数；为热力学温度相对湿度空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，叫做空气的“相对湿度〞空气的干湿程度和空气中所含有的水汽量接近饱和的程度有关，而和空气中含有水汽的绝对量却无直接关系相对湿度定义为待测空气的水汽分压与一样温度下水的饱和水汽压比值的百分数这是一个无量纲量，常表示为％RH〔RH为相对湿度Relative Humidity的缩写〕如此： 其中：为所求相对湿度；在的饱和蒸汽压〔3〕传感器选择湿度传感器种类繁多,按照湿度传感器工作原理的不同进展分类一般有伸缩式、蒸发式、电子式、电阻式、电容式和光电式等。

湿度传感器的选用是控制系统的关键器件其选取的原如此主要根据具体的应用领域，从精度、测量X围、响应速度、稳定性与体积大小等方面进展考虑，主要因素有精度、长期稳定性、互换性、温度X围与补偿方式考虑到本设计工作原理的特殊性应选用电阻式湿度传感器湿敏电阻的优点是灵敏度高，具有特殊工作特性主要缺点是线性度和产品的互换性差，本设计设计元件少，结构简单，缺点对设计不构成影响常用的湿敏电阻式传感器主要有：金属氧化物陶瓷湿敏电阻式传感器、金属氧化物膜型湿敏电阻式传感器、高分子材料湿敏电阻式传感器等氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件金属氧化物陶瓷湿敏电阻式传感器是由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成的烧结体上有微细孔， 可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻改变MgCr2O4－TiO2固溶体属于负特性半导瓷的湿敏材料半导瓷湿敏电阻由于具有使用寿命长、可在恶劣条件下工作、响应时间短、测量精度高、工作温度X围宽、工艺简单、本钱低廉等优点，所以是目前应用最广泛的湿敏传感器 图3-2 几种负特性半导体瓷的湿敏特性本设计结合金属氧化物陶瓷湿敏电阻式传感器工作特性和设计要求选择了MgCr2O4－TiO2固溶体制成的多孔性半导体陶瓷湿敏材料。

图3-3 555定时器内部结构第1脚〔接地〕：接电源负极；第2脚〔触发〕：当第2脚电压低于1/3Vcc时会令第3脚输出高电平，且第7脚对地开路；第3脚〔输出〕：输出电平是高还是低电平取决于2，4，6脚控制；第4脚〔重置〕：电压小于0.4V时，第3脚输出低电平，同时对第7脚短路；电容接地；第6脚〔临界〕：当电压2/3Vcc时，第3脚输出低电平，同时对第7脚短路；第7脚〔放电〕：与第3脚同步动作，当第3脚输出高电平时，当第7脚对地开路，第3脚输出低电平时，同时对第7脚短路；第8脚〔Vcc〕接电源正极，本设计将花盆相对湿度小于50%规定为缺水，由图可知相对湿度小于50%时电阻大于2.5K欧姆，相反的相对湿度大于50%时电阻小于2.5K欧姆将湿度传感器埋于花中作为两个电极，当土壤缺水时，土壤的电阻率增大，和其串联的电阻电压很低，导致此电阻驱动的VT1截止，而此时作为555的驱动VT2却是导通的，555时基电路的振荡器工作，所以驱动所连接的发光二极管VD随着低频振荡信号闪烁发光，提醒浇水；当盆花不缺水，土壤电阻率很小，两电极电阻很小，和其串联的电阻压降增加，如此此电阻驱动的VT1导通振荡电路停止工作，发光二极管VD灭。

按要求电源电压4.5V可知与湿度传感器串联的电阻为0.45欧姆设计一个由555时基集成电路和一些分立元件组成的测量土壤含水量的电路，其中由两个NPN构成高阻输入检测电路，配合插入土壤的电极进展含水量检测当花盆缺水时，土壤的电阻率便增加，这时MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件两电极间电阻很大，晶体三极管VT1基极极接近负电源电压，所以截止但晶体三极管VT2的基极通过电阻R5、R6获得偏流而导通，发射极电位上升，使555工作555是接成一个超低频多谐振荡器〔1Hz〕，当其工作时，发光二极管随着振荡频率一闪一闪发光，提示花盆该浇水了土壤不缺水时，土壤电阻率很小，MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件两电极间相当于一个小电阻，于是VT1的基极近乎接“地〞，电压接近0V而导通VT1导通时，其集电极电位下降，从而使VT2截止，其发射极电位也下降至“地〞电位555停止工作，发光二极管不发光ΩΩΩ的电阻由于用555定时器构成的多谐振荡器，其中振荡周期选取1.45s使亮和灭的时间尽量相等，所以分别选0.73s和0.72s.所以得到解得：555定时器构成的多谐振荡器的3端子输出电压，电压，又由于发光二极管通过的电流一般为。

所以，选择比拟合理四、元件清单1.电阻：0.45k一个，2.3k两个,2k两个,1k 一个,10k 一个, 2.2k 一个,220k一个,470 一个2.电容：0.01u一个，4.7u一个3.发光二极管：红色圆形φ5mm4.555定时器：一个5.三极管：NPN型两个2.2mA6.湿敏传感器：MgCr2O4－TiO2一个7.电源：4.5V一个五、 Proteus仿真结果当花盆缺水时，土壤的电阻率增加，这时MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件两电极间电阻大于2.5k欧姆，晶体三极管VT1基极极接近负电源电压，所以截止但晶体三极管VT2的基极通过电阻R5、R6获得偏流而导通，发射极电位上升，使555工作555是接成一个超低频多谐振荡器〔1Hz〕，当其工作时，发光二极管随着振荡频率一闪一闪发光，提示花盆该浇水了仿真结果如图2-2图5-1 MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件相当于大电阻报警土壤不缺水时，土壤电阻率很小，MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件两电极间电阻小于2.5k欧姆，于是VT1的基极近乎接“地〞，电压接近0V而导通VT1导通时，其集电极电位下降，从而使VT2截止，其发射极电位也下降至“地〞电位。

555停止工作，发光二极管不发光仿真结果如图2-3图5-2 MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件相当于小电阻不报警、六、设计总结通通过本次小学期实验设计，充分体会到了各种电阻在实际生活中的应用，充分了解了湿敏电阻的特性以与555芯片的应用而本次试验室运用湿敏电阻将湿度传感器埋于花中，当土壤缺水时，土壤的电阻率增大，和其串联的电阻电压很低，导致此电阻驱动的VT1截止，而此时作为555的驱动VT2却是导通的，555时基电路的振荡器工作，所以驱动所连接的发光二极管VD随着低频振荡信号闪烁发光，提醒浇水本次小学期设计非常贴近于生活中，通过仿真实现了缺水报警，对仿真软件有了和大的熟悉，为以后学习工作做了很好的铺垫七、参考文献[1] X爱华.传感器原理与应用技术.人民邮电，2010[2] X福学编.传感器敏感元器件大全.:电子工业1990.。