蔬菜大棚温湿控制器设计（毕业设计完整版）(3)

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3、化合物湿敏电阻器

此类湿敏电阻器有LiCl湿敏电阻器、Fe3O4 湿敏电阻器和硫酸钙湿敏电阻器等。 Fe3O4湿敏电阻器是用Fe3O4胶体做成感湿膜涂复在具有梳状电极的陶瓷基片上，由

图6 Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图 图7 Fe3O4胶体湿敏电阻器电阻湿度特性

于Fe3O4胶体是由微粒组成[粒子的直径约为（100～250）×10-8m]，每个颗粒只有一个磁畴，因此，同向颗粒相互吸引结合，因而不用高分子材料作胶体粘合剂，而能获得较好的性能和长的使用寿命。图6是Fe3O4胶体湿敏电阻器结构图。图7是Fe3O4湿敏电阻器电阻湿度特性曲线，表现为负感湿特性。

图8负特性湿敏电阻器时间常数曲线 图9 湿滞回线和湿滞量

4湿敏电阻器的特性

（1）电阻-湿度特性 湿敏电阻器的阻值随湿度变化一般是指数关系变化。当阻值随相对湿度的增大而增加时，称正的电阻湿度特性，例如碳膜湿敏电阻器；阻值随湿度的增大而减小时，称为负的电阻湿度特性，如金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻及Fe3O4 湿敏电阻器，如图8所示。

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对于负电阻湿度特性的湿敏电阻器的灵敏度定义为：α= R1/R2 式中：R1——在25℃，0﹪相对湿度条件下的电阻值，一般要求R1在1MΩ以下。 R2——在25℃，95%相对湿度条件下的电阻值，一般要求几kΩ左右。

?值越大，说明元件对相对湿度的变化越敏感。 （2）时间常数 这是衡量湿度电阻器随湿度的跃变其阻值变化速率的一个参数。当相对湿度跃变时，湿敏电阻器的阻值不能立刻达到终值，而是要经过一段时间。湿敏电阻器的阻值增加量从零变化到稳定增加量的63% 所需要的时间 称为湿敏电阻器的时间常数，也成为响应速度。图9所示的是相对湿度从60%变化到90%时间常数的确定。

湿敏电阻器的时间常数越小越好。吸湿过程和脱湿过程的时间常数不一定相等。吸湿过程为相对湿度的升高过程，脱湿是相对湿度降低过程，都是指在定温条件下的变化过程。

（3）滞后效应 湿敏电阻器周围的相对湿度变化一个往返周期时，相应的电阻值变化曲线在吸湿和脱湿过程中并不重复，形成一个类似磁滞回线的湿滞环，如图4-7所示。图中曲线1表示从高湿到低湿的变化，曲线2表示从低湿到高湿的变化，即为滞后效应，通常也称为“变差”。这种变差越小越好。

3.2.3 、湿敏电容器的工作原理及特性

电容式Al2O3湿度传感器是利用多孔Al2O3 做为感湿膜而制成的湿敏器件。感湿膜的制造工艺可采用厚膜技术、涂膜技术和硅MOS等技术。

当环境湿度发生变化时，多孔感湿膜中气孔壁上所吸附的水分子数量随之变化，其电特性不是一个纯电阻，也不是一个纯电容。但目前一般是利用器件的电容随湿度变化而变化来测湿的。对于一个平行板电容器，其电容量C =ε·S/4πd ，一个确定的湿敏元件，电极面积S和介质厚度d是一定的，则电容量C只依介电常数ε随环境的变化来确定。当多孔Al2O3膜吸附水汽时，ε就成为水、Al2O3介质和空气的介电常数三位一体的综合参数。但由于水的介电常数为80，远大于空气的介电常数，因此C随ε的变化主要取决于气孔中水汽的吸附量，也就是随环境湿度而定，因此电容量随湿度增加而增加，如图10所示的C-湿度特性曲线。

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图10 多孔Al2O3湿度传感器的CP-RH曲线图 图11 醋酸纤维有机膜湿敏元件 1．高分子薄膜；2.上电极；3.下电极ε

湿敏电容器的感湿特性与测试频率有关．当频率较低时，电容虽随湿度的变化更为明显。同时膜的厚度d越小越外。另外，由于Al2O3，膜气孔不规则，分布不均匀，会有局部聚集水分，因而器件有—定滞后效应。

利用某些高分子材料也可以制成电容式湿度传感器，主要利用它的吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显地改变，制成电容式湿度传感器。图4-9su是高分子薄膜式电介质电容式湿度传感器的基本结构，其介质薄膜采用于涸后成膜的醋酸纤维素，梳状电极为蒸镀上的金膜层。除醋酸纤维素外，酷酸纤维素或硝化纤维素也是较好的电介质材料。

4 温度控制电路的设计 4.1温度检测电路：

该电路利用热敏电阻在不同的温度环境下有不同的阻值的特性。将热敏电阻放置在大棚的几个关键点，如四个角、中央、门旁。当外界温度变化超过规定范围时，电路动作，实现温控。在方案电路中IC1为单电源工作的四电压比较器，通过比较器IC1-1、 IC1-2、 IC1- 3、 IC1-4四个电压比较器可以将大棚温室的四个角的温度、湿度很好的测量出来，从而确定是不是需要对电路进行加热、通风等一系列的工作操作。该检测电路如下图12 所示：

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图12 温度检测电路

在温度检测电路中，我们需要40V的直流电压,通过40V的支流电压提供给电路中各个元器件使其正常工作,在电路中我们利用了M51920作为我们温度检测电路中的比较器，M51920是单电源工作的电压比较器，当电压通过R104,取自R105的电压分别引入两个比较器，然后去和标准电压比较。根据我们任务书中电路的设计要求，我们需要检测到温室大棚四个脚的电路我们可以将IC1—1比较器中设置基准电压,

设置单电源电压比较器IC1—1的反向输入基准电压为25.8V,首先确定分压电阻R105=15K然后利用串联电路的分压原理，得到该分路中电流大约为：

I=20V/15K=1.3A

在电源电路电压为40V的情况下，电阻R103的阻值如下式可以得到：

I=40V/(R103+R104) 1.3=40/(R103+15K)

得到电阻：R103=8.3K为了更好的 调节基准电压的阻值我们采用可变电阻器，选用10K的可变电阻器，此时热敏电阻的温度范围大约在30℃。

在电路IC1—2中，设置单电源电压比较器IC1—2的反向输入基准电压为20V,在分压电路中我们统一确定分压电阻的阻值为15K，在电路中我们利用串联分压电路的特性可以确定热敏传感器的电阻值：

RT=6.4K

通过查热敏电阻的特性，我们可以去定温度范围在15℃左右，原理如下：

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在IC1—1中基准电压U_＝25.8V，温度低于30℃时，由于热敏电阻阻值随温度增高而降低从而是R105所分担的直流电源电压减少,所以比较电路IC1—1输出低电平。当温度升高超过30℃时，由于随着温度的升高,此时热敏电阻的阻值降低,从而是R105所分担的电压升高此时在此时IC1—1电路比较器中,U+＞25.8V，所以IC1—1发生跳变，输出高电平。

而在IC1—2中，由于设置的基准电压为20V,所以当基准电压U+＞20V，此时温室大棚内的温度大于15℃时，从而热敏电阻的阻值降低,比较器IC1—2输出低电平。当温度降至低于15℃时，热敏电阻的阻值升高,从而使R105所分担的电压减少,导致U_＜20V，所以此时IC1—2发生跳变，输出一个高电平。

在图12温度检测电路（2）的工作原理温度检测电路（1）的原理相似，电压取自R503的电压然后分别引入两个比较器，去和标准电压比较。

在IC1-3（IN3-、IN3+、OUT3）中基准电压U+=22V，温度高于20℃，低于25℃，时，IC2-1输出低电平。当温度降低过20℃时，此时 U-<22V，IC2—1发生跳变．输出高电平，加热电路工作。

而在IC1—4（IN4-、IN4+、OUT4）中，基准电压U-=24V．温度小于25℃时，比较器IC2—2输出低电平。当温度升高超过25℃时，U+>24V，IC2-2发生跳变，输出一个高电平，使换气电路工作。

加热、换气电路：在此电路中我们设定了温度的值在20～25℃，当温度在20～25℃范围内的时候，此时加热电路、换气电路处于断路状态，不工作，当温度低于20～25℃于这个规定值时，加热电路开始动作：

在加热电路中我们设置E点在18℃的电压为3.4V，在21℃的E点的电压为0.2V， 在电路中利用R506的阻值为10K则

3V=RP202*22.2V/(RP202+R506)

得到RP202=1.5K

为了更好的调节温度我们选择RP202DE阻值为4K,同理换气电路中在F点利用电路的分压特性，确定其参数在18℃时候，F点的电压为3.7V,在温度为21℃时候F点的电

压为0.3V，所以利用分压电路可以得到分压电阻在2K左右，在这里我们选择可变电阻器的阻值为4K，当温室大棚中温度高于20～25℃的时候，此时换气电路开始工作，在此电路中加热

电路和换气电路都自生的供应电源，电路中都应用了芯片MAC94A4，在加热电路中，温度值可以通过调节RP 501可粗调加热的跳变温度。

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