基于555定时器的湿度检测电路的设计与Multisim仿真

曹莉凌;刘雨青;杨琛;吴燕翔

【摘 要】A humidity detection circuit has been designed for electronic technology practice teaching based on Multisim software. The design is as follow:1) convert humidity value to voltage value by using sensor HM1500;2) convert analog signal to digital signal indirectly by adopting voltage-frequency-conversion circuit based on 555 timer;3) measure and save humidity value by designing a counter based on 74LS161 and 74LS273;4) display humidity value by adopting digital number display. Simulation results based on multisim soft show that the circuit designed is of its correctness , stability, high precision of transformation , high linearity and low cost. The proposed design, which employs the basic teaching knowledge of analog and digital electronic technology, is suitable as a practice teaching project.%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。 【期刊名称】《电子设计工程》 【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】4页(P159-162)

【关键词】555定时器;湿度检测;Multium仿真 【作 者】曹莉凌;刘雨青;杨琛;吴燕翔

【作者单位】上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306

【正文语种】中 文 【中图分类】TN710

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[1]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[2-4]；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[5]，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[6]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。 图1 基于555定时器设计的湿度检测电路Fig.1 Humidity detection circuit

based on 555 timer 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（Relative humidity）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。

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与湿度值呈正比例函数线性关系，如式（2）所示。

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。

图2 湿度采集模块设计Fig.2 Design of humidity acquisition module

表1 采集模块仿真数据结果Tab.1 Simulation results of acquisition moduleRH 传感器输出 采集模块输出 RH 传感器输出 采集模块输出10 1.332 8 0.256 8 60 2.619 8 1.539 20 1.592 6 0.5132 4 70 2.876 6 1.795 5 30 1.849 4 0.7697 1 80 3.133 4 2.051 9 40 2.106 2 1.026 1 90 3.390 2 2.308 4 50 2.36 3 1.282 6 95

3.518 6 2.436 6 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U ol，要求 Ui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。

图3 采集模块输出与湿度值线性关系Fig.3 Linear relation between humidity and outputs of acquisition module

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。 图4 压频转换电路Fig.4 Voltage-frequency-conversion circuit

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。 图5 压频转换电路波形图Fig.5 Waveform of voltage-frequency-conversion circuit

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：

运算放大器LM324构成的差分积分电路中，

由式（4）~（6）得：

由 U+=U-得：

该差分电路充电时： 由三要素法得：

由电容电荷量公式得：

将式（6）（9）（10）代入（8）得：

经过t1时间充电后，电压增量为：

该电路放电时：Uc4（t1）为 C4 放电初始电压值，Q（t-t1）为放电t-t1时间释放的电荷量。

差分积分电路Utr经过t2时间放电后，电压差值为：

由式（13）（15）（16）（17）得：

根据前文分析，差分积分电路充放电升降压平衡，则有：

由式（3）（12）（18）（19）得：

本文中，Uoh=5 V，Uol=0 V，则

由（21）式可知，电路输出频率值与输入电压 Ui呈线性关系。 根据式（21）及表1分析，设定该模块中，

因此，本文设计中，取C2=10μF，则R2=466.9Ω（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=1k×48.8%=488Ω，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。

图6 压频转换模块仿真结果Fig.6 Simulation results of voltage-frequency-conversion circuit

表2 压频转换模块仿真数据结果Tab.2 Simulation data results of voltage-frequencyconversion circuit/V T/ms f/Hz Ui/V T/ms f/Hz 6 8 99.983 4 10.001 66 1.539 16.657 3 60.033 74 3 24 50.091 8 19.963 35 1.795 5 14.2 4 69.981 94 9 71 33.343 6 29.990 76 2.051 9 12.496 2 80.024 33 1.026 1 24.922 4 40.124 55 2.308 4 11.106 2 90.039 8 1.282 6 19.983 7 50.040 78 2.436 6 10.555 3 94.739 14

图7 压频转换线性度Fig.7 Linear relation between voltage and frequency 图8 湿度测量及显示模块设计Fig.8 Design of humidity measure and display module 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。

表3 总体设计仿真Tab.3 Simulation of overall designRH 采集模块输出 数码管

显示 RH 采集模块输出 数码管显示10 0.256 8 11 60 1.539 58 20 0.513 24 18 70 1.795 5 69 30 0.769 71 29 80 2.051 9 81 40 1.026 1 41 90 2.308 4 93 50 1.282 6 52 95 2.436 6 96

【相关文献】

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