盆花缺水自動報警器)

1、 成績評定： 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計 題 目 盆花缺水自動報警器 摘要在人們眼中，光憑盆中表面的土壤濕潤與否來判斷是否需要澆水，往往不正確, 或因一時的疏忽,勢必貽誤了澆水時間。一旦盆花缺水，探頭a、b檢拾到的土電阻就會成倍增大，VT1失去合適偏流而退出飽和區(qū)，A的觸發(fā)端電壓1/2VDD，A內(nèi)部電路被觸發(fā)工作，其OUT端輸出內(nèi)儲電信號，經(jīng)晶體三極管VT2功率放大后，驅(qū)動B使小燈亮起來。主人看見澆水后，小燈就會自己滅了。此報警器具有線路簡單、容易安裝、容易調(diào)整、效率高、成本低、元件少等特點，適合廣大市民的應(yīng)用，而且操作簡單。報警器采用的報警裝置是小燈，而不是音樂電路報警，如果盆花在夜間缺水，這樣不

2、會影響人們的正常生活。本文主要研究了將普通電路的報警器與采用555集成電路的報警器進行對比。通過對比顯現(xiàn)出555集成電路的有點以及還有待改進的不足之處。本文還研究了濕度傳感器，以及濕度傳感器的分類還有一些濕度傳感器的主要結(jié)構(gòu)。最后對555集成電路的工作原理進行深入的分析，555集成電路開始時作定時器應(yīng)用的，稱為555定時器或555時基電路。經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調(diào)光，調(diào)溫，調(diào)壓，調(diào)速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩，單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。關(guān)鍵詞：555觸發(fā)器 濕敏傳感器 土壤 電阻 小燈 報警目錄一 、設(shè)計目

3、的1二、設(shè)計任務(wù)與要求12.1設(shè)計任務(wù)12.2設(shè)計要求1三、設(shè)計步驟及原理分析23.1設(shè)計方法23.2設(shè)計步驟23.3設(shè)計原理分析4四、課程設(shè)計小結(jié)與體會9五、參考文獻10盆花缺水自動報警器一、設(shè)計目的 不論在家中養(yǎng)花還是在庭院中栽花,盆中的花卉都需要及時澆水。在人們眼中,光憑盆中表面的土壤濕潤與否來判斷是否需要澆水,往往不正確,或因一時的疏忽,勢必貽誤了澆水時間。利用濕敏傳感器制作一個簡單的可以進行盆花缺水報警裝置：當(dāng)盆花缺水時，盆花缺水指示燈就會閃爍發(fā)光，提醒人們及時給花澆水；使用555時基電路組成的振蕩器來實現(xiàn)缺水時發(fā)光二極管VD閃爍。2、 設(shè)計任務(wù)與要求 2.1 設(shè)計任務(wù) 當(dāng)花盆缺水時

4、，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，發(fā)光二極管不發(fā)光。 2.2設(shè)計要求表1 部分性質(zhì)土壤的電阻率因為在種植花卉的時候選擇土壤上也是有所差異的，所以在這里我們將土壤的電阻率進行分析實驗。當(dāng)土壤的含水量的不同，也會引起電阻率的變化。這樣在具體的應(yīng)用上就需要提前對土壤進行設(shè)定。圖1 555時基電路盆花缺水指示電路圖1 所示的電路則是采用單片集成時基電路555組成的一種盆花缺水自動指示電路。大家知道,555時基電路是一種將模擬功能和邏輯功能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的線性集成電路。這種電路可以應(yīng)用在微型計算機、電子控制、電子檢測、電子樂器、電子報警、電子定時等許多方面。這

5、里僅用了其中的控制與檢測等方面。該電路工作原理如下：當(dāng)土壤中不缺水,兩探測電極在潮濕的土壤中近于導(dǎo)通,電容C1,也近于短路而不能充電,因此IC555 電路無工作電壓,輸出端3點無輸出,發(fā)光二極管LED不閃光。一旦土壤中缺水,探測電極的兩端近于開路,電源就對電容C1，進行充電,H點的電位上升, 這一充電過程給IC555電路提供了工作電壓,一旦達到集成時基電路555所組成的振蕩器的工作條件,電路即開始振蕩,那么輸出端 點即有輸出,并使發(fā)光二極管LED發(fā)出紅色閃光信號,以告戒人們盆花缺水。本電路具有線路簡單、容易安裝、容易調(diào)整、效率高、成本低、元件少等特點。只要按圖中元件的規(guī)格大小組裝,接線勿誤,便

6、可達到滿意效果。 3、 設(shè)計步驟與原理分析3.1 設(shè)計方法利用濕敏傳感器制作一個簡單的可以進行盆花缺水報警裝置：當(dāng)盆花缺水時，盆花 缺水指示燈就會閃爍發(fā)光，提醒人們及時給花澆水；使用555時基電路組成的振蕩器來實現(xiàn)缺水時發(fā)光二極管VD閃爍。 系統(tǒng)組成框圖 圖2 原理圖 圖3 盆花缺水制動報警其原理圖 3.2設(shè)計步驟 盆花缺水告知器的電路如圖3所示，它主要由報警小燈、晶體三極管VT1及土壤探頭A、B等組成。VT1的基極偏流電阻由可變電阻器RP和土壤電阻串聯(lián)而成。平常盆花不缺水時，置入盆花泥土內(nèi)的A、B探頭所檢拾出的土電阻較小，VT1獲得合適偏流而飽和導(dǎo)通，A的觸發(fā)端TG腳處于低電位，故A內(nèi)部電路

7、不工作，壓電陶瓷片B無聲。一旦盆花缺水，探頭A、B檢拾到的土電阻就會成倍增大， VT1失去合適偏流而退出飽和區(qū)，A的觸發(fā)端電壓1/2VDD，A內(nèi)部電路被觸發(fā)工作，其OUT端輸出內(nèi)儲電信號，經(jīng)晶體三極管VT2功率放大后，驅(qū)動B使小燈亮起來。主人看見澆水后，小燈就會自己滅了。 3.3設(shè)計原理分析3.3.1關(guān)于濕敏傳感器的知識 濕度傳感器原理 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。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點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，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量

8、濕度。以往的濕敏材料單獨使用，但在結(jié)露狀態(tài)及高溫環(huán)境下長期使用時，由于聚合物膜吸濕而變形，導(dǎo)致特性改變。為解決這一問題，在聚合物膜上賦予耐水性。為此提出了接枝法、 交聯(lián)法、相互浸入網(wǎng)絡(luò)法。接枝法是在耐水性、耐有機溶劑性的某種疏水性聚合物膜上，將親水性聚合物用放射線或催化劑使其接枝聚合，制成不溶于水、其電阻率具有濕度依存性的聚合物膜。如在疏水性的PTET膜或多孔的聚烯薄膜（PE）接枝上親水聚合物聚苯乙烯磺酸鹽或四級化聚乙烯吡啶。交聯(lián)法是使用適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑，使可溶于水的聚合物進行交聯(lián)，從而制成耐水性感濕膜。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，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，其電容變化量與相對濕度

9、成正比。 濕度的表示法空氣的濕度對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類的生活有著密切的關(guān)系。 濕度有多種表示方法，例如絕對濕度、相對濕度、露（霜）點溫度、比濕度、飽和度等。 絕對濕度表示單位體積的空氣中所含水汽的質(zhì)量， 其定義為 式中：mV為待測空氣中的水汽質(zhì)量，V為待測空氣的總體積。Ha的單或mg/m3。相對濕度定義為待測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數(shù)。這是一個無量綱量，常表示為RH（RH為相對濕度Relative Humidity的縮寫），亦即 濕度傳感器的分類 表2 新型濕度傳感器分類 MgCr2O4TiO2濕度傳感器的結(jié)構(gòu)金屬氧化物陶瓷中，由MgCr2O4TiO2固溶體制成的多孔性半

10、導(dǎo)體陶瓷濕敏材料的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度變化，而且即使在高溫條件下，對其進行多次反復(fù)的熱清洗， 性能仍不易改變。 MgCr2O4TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在4 mm×5 mm×0.3 mm的MgCr2O4TiO2陶瓷片的兩面， 設(shè)計有多孔金電極，并用摻金玻璃粉將引出線與金電極燒結(jié)在一起。在半導(dǎo)體陶瓷片的外面，設(shè)置一個用鎳鉻絲燒制而成的加熱清洗線圈，以便對器件能夠經(jīng)常加熱清洗，排除有害氣氛對器件的污染。器件安裝在一個高度致密的、疏水性的陶瓷基片上。為了消除底座上測量電極2和3之間由于吸濕和污染引起的漏電，在電極2和3的周圍設(shè)置了金短路環(huán)。 圖中

11、1和4為加熱器的引出線。 圖4 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 微型多孔SiO2濕度傳感器制作微型多孔SiO2濕度傳感器時，首先是在硅單晶襯底上形成一個多孔硅層。多孔硅層經(jīng)氧化后即成為一個具有感濕功能，性能比較穩(wěn)定的多孔SiO2層，在多孔SiO2層上制作適當(dāng)?shù)慕饘匐姌O，經(jīng)封裝、標定后即可使用。 高分子電阻式濕度傳感器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。以往的濕敏材料單獨使用，但在結(jié)露狀態(tài)及高溫環(huán)境下長期使用時，由于聚合物膜吸濕而變形，導(dǎo)致特性改變。為解決這一問題，在聚合物膜上賦予耐水性。為此提出了接枝法、 交聯(lián)法、相互浸入網(wǎng)絡(luò)法。 接枝法是在耐水性、耐有機溶劑性的某種疏水性聚合

12、物膜上，將親水性聚合物用放射線或催化劑使其接枝聚合，制成不溶于水、其電阻率具有濕度依存性的聚合物膜。如在疏水性的PTET膜或多孔的聚烯薄膜（PE）接枝上親水聚合物聚苯乙烯磺酸鹽或四級化聚乙烯吡啶。交聯(lián)法是使用適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑，使可溶于水的聚合物進行交聯(lián)，從而制成耐水性感濕膜。 如用三聚氰胺樹脂使HNPTAC聚合物交聯(lián)，就可制成不溶于水的感濕膜。相互浸入網(wǎng)絡(luò)法是將兩種以上的聚合物制成聚合物網(wǎng)絡(luò)（Interpenetrating Polymer Networks， IPN），將分別為親水性和疏水性的兩種交聯(lián)聚合物交織在一起，可以合成既是親水性卻不溶于水的聚合物膜。用此IPN膜制成的高分子電阻式濕度傳感

13、器做耐水性實驗，浸在水中24小時，傳感器性能不變。 3.3.2 關(guān)于555的介紹 555內(nèi)部電路圖及引腳功能說明 圖5 555內(nèi)部電路引腳 555閉環(huán)三相多諧振蕩器 圖6 三相多諧振蕩器如圖6所示，這是由三個相同的施密特觸發(fā)器組成的閉環(huán)回路，首尾相接。每個觸發(fā)器的延時為td=l1(RP+R)C，延時td即C上的電壓升到1/3 VDD所需要的時間。而555復(fù)位后，C上的電荷是通過R、W對前一級IC的輸出端(3腳)進行灌電流放電的，因而與C的充電時間常數(shù)一樣。因此，每個觸發(fā)電路的輸出端每改變一次要經(jīng)過三個單穩(wěn)觸發(fā)電路傳輸，所需時間是3td。故每個IC的輸出周期Td=6td。555集成電路工作原理

14、555時基電路的特點 555集成電路開始時作定時器應(yīng)用的，所以叫做555定時器或555時基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調(diào)光，調(diào)溫，調(diào)壓，調(diào)速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩，單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管以及脈沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖7所示。 圖7 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖8（A）所示，按輸入輸出的排

15、列可看成如圖8（B）所示。其中6腳稱閥值端（TH），是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入；3腳是輸出端（Vo），它有0和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電瓶決定；7腳是放電端（IS），它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)；4腳是復(fù)位端（MR），加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端（Vc）,可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。555的應(yīng)用電路很多，只要改變555集成電路的外部附加電路，就可以構(gòu)成幾百種應(yīng)用電路，大體上可分為555單穩(wěn)、555雙穩(wěn)及555無穩(wěn)三類。四、課程設(shè)計小結(jié)與體會 印制電路板實際尺寸僅為30mm×30mm。晶體三極管VT

16、2可直接插焊在音樂集成電路A的芯片上。A芯片通過4根長約6mm的元件剪腳線插焊在電路板上。焊接時注意：電烙鐵外殼一定要良好接地，以免交流感應(yīng)電壓擊穿A內(nèi)部CMOS電路！ 焊接好的電路板連同干電池G、壓電陶瓷片B一塊裝入體積合適的絕緣小盒內(nèi)。盒面板為B開出釋音孔，盒側(cè)面開孔引出外接探頭的雙股軟導(dǎo)線。土壤探頭a、b采用長度約60mm的兩根粗鋼絲或不銹鋼針，相間15mm左右插入花盆泥土中。為了使制成的告知器外觀漂亮，使用更加方便，還可將告知器制作成 “一體化”結(jié)構(gòu)。具體方法：土壤探頭a、b直接固定在電路盒上；盒子的面板采用有機玻璃邊角余料，要求加工成向日葵（或其它花卉）形狀，并在上面用色漆描繪出向日

17、葵圖案即成。如果要進一步縮小整機體積，可將干電池G改用成兩粒串聯(lián)的G13-A或SR44型氧化銀扣式電池。 本告知器調(diào)試很簡單：在盆花缺水時，通過調(diào)節(jié)微調(diào)電阻器RP阻值（必要時可改變探頭插入泥土的深度及間距），使壓電陶瓷片B處于臨界不發(fā)聲狀態(tài)即可。555 集成電路將運算放大器和RS 觸發(fā)器巧妙地集成于一體, 通過外圍電路的簡單連接可構(gòu)成單穩(wěn)、雙穩(wěn)、多諧振蕩等多種產(chǎn)生和變換信號波形的電路,在控制、檢測、定時報警等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。盆花缺水指示器，其中濕度傳感器由埋在花盆中的兩個電極組成。當(dāng)土壤缺水時，土壤的電阻率增大很多，這時兩電極間的電阻很大，致使場效應(yīng)管VT1截止，半導(dǎo)體管VT2導(dǎo)通，在R4上產(chǎn)生的壓降便由555組成的振蕩器起振。當(dāng)振蕩器工作時，其輸出端腳輸出的低頻信號使發(fā)光二極管LED閃爍發(fā)光， 提醒人們應(yīng)給盆花澆水了。當(dāng)盆花不缺水時，土壤的電阻率很小，兩電極間的電阻值很小vTl的柵極相當(dāng)于接地，vTI導(dǎo)通，vTl截止，振蕩器也就停止了工作，發(fā)光二極管LED熄滅。五、參考文獻1 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)M。高等教育出版