基于CC4060环境湿度测试仪的设计

摘要：环境湿度测试仪由湿敏电容HS1100，湿度频率转换器件NE555，基准频率产生及分频器CC4060，频率电平转换器件CD4013等电路组成。环境湿度的变化会引起湿敏电容HS1100容量的改变，使NE555输出信号频率由常态的6 667 Hz左右降低为6 189 Hz，此频率送到计数器CC4060 U2经十二分频输出，同时另一块计数器CC4060 U1通过调节定时元件可以产生6 000 Hz～17 000 Hz的频率信号，也经过十二分频输出，当我们调节定时电位器RPI使CC4060 U1产生的频率刚好略大于6189Hz，且远远小于6 667 Hz时，就可以在环境湿度过大时输出高电平信号，启动报警或增干电路工作。
关键词：湿度测试仪；CC4060；频率；NE555

    随着科技的发展，社会需要能够自动控制的监测设备，环境湿度测试仪就是一种用于环境湿度自动监测控制的设备。本文介绍基于计数器CC4060等构成的环境湿度测试仪，电路简单，调试方便，监测准确，精度高。

1 电路构想
1．1 组成框图
    本文环境湿度测试仪的组成框图如图1所示，它由湿度监测器件，湿度频率转换器件，基准频率产生电路，频率电平转换电路，输出控制电路等组成。

1．2 器件选择及原理构思
    湿度监测部分采用高分子薄膜式湿敏电容HS1100，具有不需校准的完全互换性，能瞬时退饱和。相对湿度在0％～100％RH范围内，电容量由162pF变到200pF，其误差不大于±2％RH，响应时间小于5 s，在55％RH、25℃、10 kHz条件下，其典型标称电容为180pF，供电电压一般选5 V，工作温度-40℃～100℃。HS1101用做湿度传感器时，测量电路有两种设计方案，一种是线性电压输出式，比例系数为正值；另一种是线性频率输出式，比例系数为负值。本设计采用的是频率输出式。
    湿度频率转换电路采用NE555定时器，成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。本电路其与湿敏电容HS1100和电阻等构成多谐振荡器，通过恰当设置电路中的电阻值，输出方波，实现湿度监测量向频率信号的转换，通过频率信号的高低我们就可以得知环境湿度是否正常。
    基准频率振荡器和频率电压转换器都采用十四位串行计数器CC4060，它采用CNOS制作工艺、标准DIP-8封装的14位二进制串行计数／分频器集成电路，振荡器的结构可以是RC或晶振电路。CC4060复位端为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效；复位端为低电平时，由外接的振荡定时元件控制产生一定频率的信号，并可以输出4分频到10分频，12分频到14分频的脉冲信号。本电路的基准频率振荡器由CC4060及其定时元件组成，产生的频率信号经12分频后送至D触发器，为D触发器提供时钟脉冲。频率电压转换器则利用的是CC4060的分频功能，将NE555定时器输出的频率信号送至CC4060，经12分频后输出至D触发器输入端，根据环境是否潮湿产生相应的电平，驱动D触发器工作输出控制电平。
    输出控制电路可以根据实际需要采取相应的电路，本电路的输出控制部分由三极管控制继电器实现，D触发器输出的高电平，使三极管导通驱动继电器动作，产生报警信号或驱动干燥电路工作，使环境湿度恢复到正常值范围。

2 电路实施及参数选择
2．1 湿度监测及湿度频率转换电路(图2)

    C是湿敏电容HS1100，容量会随着环境湿度的变化而改变，使②脚和⑥脚的充放电时间常数发生变化，改变③脚的输出信号的频率，实现环境湿度的变化转换为频率的变化，由非电量转变为电量。⑤脚外接电阻R3的阻值为910 kΩ，与集成电路内接的电阻5 kΩ相差很大，所以一般基准电压就可以认为是电源电压VCC，R1的阻值50 kΩ，湿敏电容常态下为180pF，R2的阻值一般为576 kΩ左右，可根据调试的需要串联电位器，实现最佳的控制精度。由以上数值可算出③脚常态下输出的脉冲周期T=(R1+2R2)Cln2，为0．15ms左右，则频率在6 667 Hz左右，当环境湿度增大为90％RH时，频率会减少到6 186 Hz左右，引起后续电路动作，实现增干和报警。
2．2 基准频率振荡器(图3)

    基准频率产生电路主要由十四位串行计数器CC4060实现，CC4060⑨⑩脚外接基准频率定时元件，产生信号由脚送入CC4060，本电路C1为0．01ΩF，R4为2．7 kΩ，RP1为4．7 kΩ电位器，通过调节电位器，可以产生周期为0．059 4 ms～0．162 8ms，频率为16．8 kHz～6 kHz信号(f=1／2．2(RP1+R4)C1)，此信号经12分频后可以得到4 Hz～1．5 Hz的频率，由①脚输出，进入D触发器CD4013③脚，为频率电平转换提供时钟脉冲。Q1、Q2两个三极管构成线与电路，正常工作时Q1或Q2有一个导通，则复位端脚为低电平，计数器正常工作，当⑦脚4分频输出和①脚12分频输出同时为高电平时，Q1和Q2同时输出高电平，计数器清零，重新开始计数，这个电路主要保证监测电路工作一段时间(0．33ms～1 ms)自动清零一次，避免长时间出现数据错误影响电路正常工作。R5、R6一般都为10 kΩ，R7为47 kΩ，D1为1N4148，Q1、Q2为1015。
2．3 频率电压转换电路(图4)

    频率电压转换电路主要由十四位串行计数器CC4060和四D触发器CD4013组成，由NE555③脚送来的频率信号，由CC4060 U2的脚送入计数器，经十二分频后由①脚输出，常态频率为1．6 Hz，湿度增大到90％RH时，频率降为1．5 Hz，送至D触发器CD4013⑤脚，同时输出高电平使Q3导通，锁存进入的信号电平，阻止后面的脉冲信号再次进入CC4060 U2，防止出现干扰，D触发器在CC4060 U1的时钟脉冲(频率为4 Hz～1．5 Hz)控制下，在CD4013①脚输出高电平，控制继电器工作，带动报警或增干电路工作。D触发器工作与否显然取决于CC4060 U1送入的时钟脉冲，U1和U2输出的脉冲下限频率是一样的，这显然无法控制D触发器正常工作，这就需要我们在调试的过程中，轻微调节RP1，使CC4060 U1输出的时钟频率稍高于1．5 Hz，但低于1．6 Hz(对着湿敏电容吹气增回湿度的方法调试)，就能保证电路在常态时D触发器不工作，当湿度超过90％RH时，D触发器输出高电平，驱动后面电路工作。R9为2．2 kΩ，R10为10 kΩ，R11可以和R7合为一个电阻，Q3为1815。
2．4 输出控制电路

    输出控制电路采用三极管驱动继电器实现，将CD4013①脚输出的电平信号送至NPN型三极管1815的基极。常态时，CD4013①输出低电平，三极管截止，继电器释放；当湿度超过规定量时，CD4013输出高电平，三极管导通，继电器吸合，报警和增干电路工作。

3 结束语
    用湿敏电容HS1100、十四位串行计数器CC4060、D触发器CD4013等组成的环境湿度测试仪，具有操作简单，调试方便，体积小，精度高等优点，对于一般的电子爱好者都可以轻松调试成功。