盆花缺水報(bào)警系統(tǒng)

1、2009級(jí)傳感器課程設(shè)計(jì) 傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課題名稱(chēng)盆花缺水報(bào)警裝置姓 名學(xué) 號(hào)院、系、部電氣工程系專(zhuān) 業(yè)自動(dòng)化指導(dǎo)教師高艷玲2013年 1 月 3 日盆花缺水報(bào)警裝置一、設(shè)計(jì)目的 利用濕敏傳感器制作一個(gè)簡(jiǎn)單的可以進(jìn)行盆花缺水報(bào)警裝置：當(dāng)盆花缺水時(shí)，盆花缺水指示燈就會(huì)閃爍發(fā)光，提醒人們及時(shí)給花澆水；使用555時(shí)基電路組成的振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)缺水時(shí)發(fā)光二極管VD閃爍。二、設(shè)計(jì)要求2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）將濕度傳感器埋于花中作為兩個(gè)電極，當(dāng)土壤缺水時(shí)，土壤的電阻率增大，和其串聯(lián)的電阻電壓很低，導(dǎo)致此電阻驅(qū)動(dòng)的VT1截止，而此時(shí)作為555的驅(qū)動(dòng)VT2卻是導(dǎo)通的，555時(shí)基電路的振蕩器工作，所以驅(qū)動(dòng)所連接的

2、發(fā)光二極管VD隨著低頻振蕩信號(hào)閃爍發(fā)光，提醒澆水。（2）當(dāng)盆花不缺水，土壤電阻率很小，兩電極電阻很小，和其串聯(lián)的電阻壓降增加，則此電阻驅(qū)動(dòng)的VT1導(dǎo)通，振蕩電路停止工作，發(fā)光二極管VD滅。（3）濕敏電阻不易控制，結(jié)果可能不很理想。2.2 報(bào)告要求（1）實(shí)現(xiàn)基本功能，畫(huà)出設(shè)計(jì)電路圖。（2）完成3000字設(shè)計(jì)報(bào)告。2.3 主要技術(shù)指標(biāo)（1）工作電壓 ±4.5V。（2）555引腳6、5的電容分別為：4.7微法、0.01微法。三、硬件電路設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)原理圖圖3-1 電路原理圖3.2傳感器的選擇（1）基本原理水是一種強(qiáng)極性電介質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場(chǎng)，因而它

3、具有很大的電子親和力，使得水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器，會(huì)導(dǎo)致器件的電阻或電容變化，從而測(cè)量出環(huán)境相對(duì)濕度。這種傳感器的工作原理是高分子電解質(zhì)吸濕而導(dǎo)致電阻率變化。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類(lèi)。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與

4、相對(duì)濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá)2-3%RH，這比干濕球測(cè)濕精度高。濕敏元件的線(xiàn)性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這方面沒(méi)有干濕球測(cè)濕方法好。（2） 濕度的表示法濕度表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取薄Ｔ诖艘饬x下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度等物理量來(lái)表示。絕對(duì)濕度是指單位體積空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量，叫做空氣的“絕對(duì)濕度”。它是大氣干濕程度的物理量的一種表示方式。通常以1立方米空氣內(nèi)所含有的水蒸汽的克數(shù)來(lái)表示。

5、水蒸汽的壓強(qiáng)是隨著水蒸汽的密度的增加而增加的，所以，空氣里的絕對(duì)濕度的大小也可以通過(guò)水汽的壓強(qiáng)來(lái)表示。則： 其中：為空氣的水汽密度；為水汽摩爾質(zhì)量；為摩爾氣體普適常數(shù)；為熱力學(xué)溫度。相對(duì)濕度空氣中實(shí)際所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比值，叫做空氣的“相對(duì)濕度”?？諝獾母蓾癯潭群涂諝庵兴械乃拷咏柡偷某潭扔嘘P(guān)，而和空氣中含有水汽的絕對(duì)量卻無(wú)直接關(guān)系。相對(duì)濕度定義為待測(cè)空氣的水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個(gè)無(wú)量綱量，常表示為RH（RH為相對(duì)濕度Relative Humidity的縮寫(xiě)）。則： 其中：為所求相對(duì)濕度；在的飽和蒸汽壓。（3）傳感器選擇濕度傳感

6、器種類(lèi)繁多,按照濕度傳感器工作原理的不同進(jìn)行分類(lèi)一般有伸縮式、蒸發(fā)式、電子式、電阻式、電容式和光電式等。濕度傳感器的選用是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。其選取的原則主要根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，從精度、測(cè)量范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性及體積大小等方面進(jìn)行考慮，主要因素有精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、互換性、溫度范圍及補(bǔ)償方式?？紤]到本設(shè)計(jì)工作原理的特殊性應(yīng)選用電阻式濕度傳感器。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，具有特殊工作特性。主要缺點(diǎn)是線(xiàn)性度和產(chǎn)品的互換性差，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)不構(gòu)成影響。常用的濕敏電阻式傳感器主要有：金屬氧化物陶瓷濕敏電阻式傳感器、金屬氧化物膜型濕敏電阻式傳感器、高分子材料濕敏電阻式傳感器等。氯

7、化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類(lèi)潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。金屬氧化物陶瓷濕敏電阻式傳感器是由金屬氧化物多孔性陶瓷燒結(jié)而成的。燒結(jié)體上有微細(xì)孔， 可使?jié)衩魧游交蜥尫潘肿?，造成其電阻改變。MgCr2O4TiO2固溶體屬于負(fù)特性半導(dǎo)瓷的濕敏材料。半導(dǎo)瓷濕敏電阻由于具有使用壽命長(zhǎng)、可在惡劣條件下工作、響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量精度高、工作溫度范圍寬、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以是目前應(yīng)用最廣泛的濕敏傳感器。 圖3-2 幾種負(fù)特性半導(dǎo)體瓷的濕敏特性本設(shè)計(jì)結(jié)合金屬氧化物陶瓷濕敏電阻式傳感器工作特性和設(shè)計(jì)要求選擇了MgCr2O4TiO2固溶體制成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷濕敏材料。3.3信號(hào)處理電路 圖3-

8、3 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.4引腳功能第1腳（接地）：接電源負(fù)極；第2腳（觸發(fā)）：當(dāng)?shù)?腳電壓低于1/3Vcc時(shí)會(huì)令第3腳輸出高電平，且第7腳對(duì)地開(kāi)路；第3腳（輸出）：輸出電平是高還是低電平取決于2，4，6腳控制；第4腳（重置）：電壓小于0.4V時(shí)，第3腳輸出低電平，同時(shí)對(duì)第7腳短路；第5腳（控制電壓）：與參考電壓相通，平時(shí)大多接0.01電容接地；第6腳（臨界）：當(dāng)電壓2/3Vcc時(shí)，第3腳輸出低電平，同時(shí)對(duì)第7腳短路；第7腳（放電）：與第3腳同步動(dòng)作，當(dāng)?shù)?腳輸出高電平時(shí)，當(dāng)?shù)?腳對(duì)地開(kāi)路，第3腳輸出低電平時(shí)，同時(shí)對(duì)第7腳短路；第8腳（Vcc）接電源正極，。3.5設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)將花盆相對(duì)濕度

9、小于50%規(guī)定為缺水，由圖可知相對(duì)濕度小于50%時(shí)電阻大于2.5K歐姆，相反的相對(duì)濕度大于50%時(shí)電阻小于2.5K歐姆。將濕度傳感器埋于花中作為兩個(gè)電極，當(dāng)土壤缺水時(shí)，土壤的電阻率增大，和其串聯(lián)的電阻電壓很低，導(dǎo)致此電阻驅(qū)動(dòng)的VT1截止，而此時(shí)作為555的驅(qū)動(dòng)VT2卻是導(dǎo)通的，555時(shí)基電路的振蕩器工作，所以驅(qū)動(dòng)所連接的發(fā)光二極管VD隨著低頻振蕩信號(hào)閃爍發(fā)光，提醒澆水；當(dāng)盆花不缺水，土壤電阻率很小，兩電極電阻很小，和其串聯(lián)的電阻壓降增加，則此電阻驅(qū)動(dòng)的VT1導(dǎo)通。振蕩電路停止工作，發(fā)光二極管VD滅。按要求電源電壓4.5V可知與濕度傳感器串聯(lián)的電阻為0.45歐姆。設(shè)計(jì)一個(gè)由555時(shí)基集成電路和一

10、些分立元件組成的測(cè)量土壤含水量的電路，其中由兩個(gè)NPN構(gòu)成高阻輸入檢測(cè)電路，配合插入土壤的電極進(jìn)行含水量檢測(cè)。當(dāng)花盆缺水時(shí)，土壤的電阻率便增加，這時(shí)MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件兩電極間電阻很大，晶體三極管VT1基極極接近負(fù)電源電壓，所以截止。但晶體三極管VT2的基極通過(guò)電阻R5、R6獲得偏流而導(dǎo)通，發(fā)射極電位上升，使555工作。555是接成一個(gè)超低頻多諧振蕩器（1Hz），當(dāng)其工作時(shí)，發(fā)光二極管隨著振蕩頻率一閃一閃發(fā)光，提示花盆該澆水了。土壤不缺水時(shí)，土壤電阻率很小，MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件兩電極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻，于是VT1的基極近乎接“地”，電壓接近0V而導(dǎo)通。V

11、T1導(dǎo)通時(shí)，其集電極電位下降，從而使VT2截止，其發(fā)射極電位也下降至“地”電位。555停止工作，發(fā)光二極管不發(fā)光。3.6分析計(jì)算由于傳感器的臨界電阻選擇為2.5K，而三極管的壓降為0.7V，而所加電壓為4.5V,2.5/3.8*0.7=0.5K，選擇0.5k的電阻。由于用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，其中振蕩周期選取1.45s。使亮和滅的時(shí)間盡量相等，所以分別選0.73s和0.72s.所以得到解得：555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的3端子輸出電壓，電壓，又由于發(fā)光二極管通過(guò)的電流一般為。所以，選擇比較合理。四、元件清單1.電阻：0.45k一個(gè)，2.3k兩個(gè),2k兩個(gè),1k 一個(gè),10k 一個(gè), 2

12、.2k 一個(gè),220k一個(gè),470 一個(gè)。2.電容：0.01u一個(gè)，4.7u一個(gè)。3.發(fā)光二極管：紅色圓形5mm。4.555定時(shí)器：一個(gè)。5.三極管：NPN型兩個(gè)2.2mA。6.濕敏傳感器：MgCr2O4TiO2一個(gè)。7.電源：4.5V一個(gè)。五、 Proteus仿真結(jié)果當(dāng)花盆缺水時(shí)，土壤的電阻率增加，這時(shí)MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件兩電極間電阻大于2.5k歐姆，晶體三極管VT1基極極接近負(fù)電源電壓，所以截止。但晶體三極管VT2的基極通過(guò)電阻R5、R6獲得偏流而導(dǎo)通，發(fā)射極電位上升，使555工作。555是接成一個(gè)超低頻多諧振蕩器（1Hz），當(dāng)其工作時(shí)，發(fā)光二極管隨著振蕩頻率一閃一閃發(fā)

13、光，提示花盆該澆水了。仿真結(jié)果如圖2-2。圖5-1 MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件相當(dāng)于大電阻報(bào)警土壤不缺水時(shí)，土壤電阻率很小，MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件兩電極間電阻小于2.5k歐姆，于是VT1的基極近乎接“地”，電壓接近0V而導(dǎo)通。VT1導(dǎo)通時(shí)，其集電極電位下降，從而使VT2截止，其發(fā)射極電位也下降至“地”電位。555停止工作，發(fā)光二極管不發(fā)光。仿真結(jié)果如圖2-3。圖5-2 MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件相當(dāng)于小電阻不報(bào)警、六、設(shè)計(jì)總結(jié)通通過(guò)本次小學(xué)期實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分體會(huì)到了各種電阻在實(shí)際生活中的應(yīng)用，充分了解了濕敏電阻的特性以及555芯片的應(yīng)用。而本次試驗(yàn)室運(yùn)用濕敏電阻將濕度傳感器埋于花中，當(dāng)土壤缺水時(shí)，土壤的電阻率增大，和其串聯(lián)的電阻電壓很低，導(dǎo)致此電阻驅(qū)動(dòng)的VT1截止，而此時(shí)作為555的驅(qū)動(dòng)VT2卻