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08届土壤湿度测试


明达职业技术学院

毕业设计(论文)
2011 2012 2011-2012 学年度

信息工程

系 电子信息工程技术

专业

电信( 班级 09 电信(1) 学号

课题名称 土壤湿度检测电路的设计与制作 学生姓名 指导教师

>201 2011 年 12 月 25 日

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土壤湿度检测电路的设计与制作
作者: 作者:
【摘要】本设计主要的内容是土壤湿度检测电路的设计与制作。该电路的工作原理是选用湿度传感器和AD转换,电路内 部包含有湿度采集、AD转换、译码显示、多谐振荡器等功能。由湿度传感器来控制电压的变化。信号送入AD转换芯片, 将模拟信号转换成数字信号,送到译码显示电路。脉冲提供是由555构成的多谐振荡器来提供的,并将脉冲送到AD转换 芯片内。当湿度传感器采集到湿度,电路开始工作,按下START键,此时数码管显示数字,直到松开START键,重新显示 湿度。 【关键词】湿度传感器 AD 转换 555 译码器

正文 一. 设计方案选择
可利用湿度传感器采样土壤中的湿度信号,以提供给显示电路部分,关于湿度含量的 显示可采用 ADC 的方法实现。脉冲提供以 555 构成的多谐振荡器来实现。按下 START 键数 码管显示湿度。

1.1 方框图

湿 度 采 集
1.2 湿度采集

信 号 处 理

A/D 转 换

译 码 显 示

湿度的采集可以用湿度传感器来实现。将湿度传感器看作可调变阻器,当湿度传感器 采集到湿度时,电阻值发生变化,湿度最小时的电阻值为 4.12M,湿度最大时为 20K。变 化的幅度是根据湿度传感器采集到的湿度大小而定。随着电阻值的变化,电路的输出电压 也跟着变化。调节电阻值的大小,可得到想要的电压,满足电路的需求。 。

1.3 A/D 转换介绍
A/D 转换器用来将模拟电压信号转换成一组相应二进制数码输出。由于 A/D 转换器的
2

输入量是随时间连续变化的模拟信号,而输出是随时间断续变化的离散数字信号,因此在 转换过程中,首先要对模拟信号进行采样、保持,再进行量化、编码。 所谓采样,就是在一个微小时间内对模拟信号进行取样,把一个时间上是连续的信号 变换为对时间离散的信号。采样结束后,再将此取样的模拟信号保持一段时间,使 A/D 转 换器有充分时间进行 A/D 转换。这就是采样、保持电路的基本作用。 任何一个数字量的大小都是以某个最小数量单位的整数倍来表示的。因此,在用数字 量表示采样电压时,也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍,这个转化过程就叫做量 化。 所规定的最小数量单位叫做量化单位, ? 表示。 , 用 显然, 数字信号最低有效位中的 1” “1 所表示的数量大小,就等于 ? 。一般被转化的模拟电压不可能被 ? 整除,这种因素引起的 误差称为量化误差。 量化误差又称为分辨率。ADC 输出二进制位数越多,则分辨率越高,转换精度也越高。 分辨率常以数字信号最低有效位中的“1”所对应的电压值表示。 。 例如 10 位 ADC,当满度输入模拟电压为 5V,则最低有效位“1”所对应的输入电压为: , 1 × 5mV = 19.53mV 。显然,10 位 ADC 的分辨率比 8 28 位 ADC 高。因此,分辨率有时也可用 A/D 转换器的输出位数 n 表示。 。
1 × 5mV = 4.88mV ,8 位 ADC 为 210

1.4 译码显示 (1)译码器
译码器是一种多输入、多输出的组合逻辑器件。它能将每个输入的二进制代码译成对 应的输出高、低电平信号,是编码的反操作。可用于代码的转换、终端的数字显示、数据 的分配等。本电路选择二进制七段译码器 CC4511

(2)数码显示器
半导体数码管是常见的数码显示器件,它是用发光二极管(即 LED)组成字形来显示 的。同一规格的数码管有共阴极与共阳极两类。共阴极数码管的公共阴极接低电平,驱动 信号则为高电平有效即驱动信号为 “1”时点亮对应笔段。公共阳极接高电平信号为低电 平有效,即驱动信号为 “0”时点亮对应笔段。驱动每个发光二极管的工作电流约 10mA, 工作压降约 1.5V 。我选用的是共阴极数码管。

二.土壤湿度检测电路单元

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2.1 A/D 转换电路

该单元电路将模拟信号转换成数字信号

2.1(1)ADC0809
ADC0809 是采用 CMOS 工艺制成的 8 位 8 通道逐次渐近型 A/D 转换器。 其引脚排列如 图 10、3 所示。

图 10、3 ADC0809 引脚排列 、

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ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其 内部有一个 8 通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通 8 路模拟 输入信号中的一个进行 A/D 转换。

1.主要特性
1)8 路 8 位 A/D 转换器,即分辨率 8 位。 2)具有转换起停控制端。 3)转换时间为 100?s 4)单个+5V 电源供电 5)模拟输入电压范围 0~+5V,不需零点和满刻度校准。 6)工作温度范围为-40~+85 摄氏度 7)低功耗,约 15mW。

2.内部结构
ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器,它由 8 路模拟开关、地址 锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 D/A 转换器、逐次逼近

3.外部特性(引脚功能)
ADC0809 芯片有 28 条引脚,采用双列直插式封装,下面说明各引脚功能。 IN0~IN7:8 路模拟量输入端。 2-1~2-8:8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC:3 位地址输入线,用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE:地址锁存允许信号,输入,高电平有效。 START: A/D 转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少 100ns 宽)使其启 动(脉冲上升沿使 0809 复位,下降沿启动 A/D 转换)。 EOC: A/D 转换结束信号,输出,当 A/D 转换结束时,此端输出一个高电平 (转换期间一直为低电平)。 OE:数据输出允许信号,输入,高电平有效。当 A/D 转换结束时,此端输入一 个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。 CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF(+)、REF(-):基准电压。 Vcc:电源,单一+5V。 GND:地。

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ADC0809 的工作过程是:首先输入 3 位地址,并使 ALE=1,将地址存入地 址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼 近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换,之后 EOC 输出信号变低,指示转换正在进 行。直到 A/D 转换完成,EOC 变为高电平,指示 A/D 转换结束,结果数据已存入 锁存器,这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时,输出三态门打开,转换结 果的数字量输出到数据总线上

2.2

555 构成的多谐振荡器

设计原理如下: 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路,由于矩形波中除基波外还含有丰 富的高次谐波,故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态,在自身因 素的作用下,电路就在两个暂稳态之 间来回转换,故又称它为无稳态电路。由 555 定时 器构成的多谐振荡器如图 1 所示,R1,R2 和 C 是外接定时元件,电路中将高电平触发端(6 脚) 和低电平触发端(2 脚)并接后接到 R2 和 C 的连接处,将放电端(7 脚)接到 R1, R2 的连接处。由于接通电源瞬间,电容 C 来不及充电,电容器两端电压 uc 为低电平,小 于(1/3)Vcc,故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平,输出 uo 为高电平,放电管 VT 截止。这时,电源经 R1,R2 对电容 C 充电,使 电压 uc 按指数规律上升,当 uc 上升到 (2/3)Vcc 时,输出 uo 为低电平,放电管 VT 导通,把 uc 从(1/3)Vcc 上升到(2/3) Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态,其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有 关 。充电时间常数 T 充=(R1+R2)C。接通电源后,电 路就在两个暂稳态之间来回翻转, 则输出可得矩形波。电路一旦起振后,uc 电压总是在(1/3~2/3)Vcc 之间变化。图 1(b) 所示为工作波形。 图 1 555 定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形

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本单元电路产生 640KHZ 左右的脉冲信号

图1

2.3 译码显示

由 BCD4511 构成的译码显示电路 CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器,引脚排列如图 2 所示。其中 a b c d 为 BCD 码输入,a 为最低位。LT 为灯测试端,加高电平时,显示器正常显示,加
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低电平时,显示器一直显示数码“8”,各笔段都被点亮,以检查显示器是否有故障。BI 为 消隐功能端, 低电平时使所有笔段均消隐, 正常显示时, B1 端应加高电平。 另外 CD4511 有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数 9(1001)时,显示字形也自行消隐。LE 是锁 存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。a~g 是 7 段输出,可驱动共阴 LED 数码 管。另外,CD4511 显示数“6”时,a 段消隐;显示数“9”时,d 段消隐,所以显示 6、9 这两 若要多位计数, 只需将计数器级联, 每级输出接一只 CD4511 和 个数时, 字形不太美观 , LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的,在应用 中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压 5V 时可使用 1K 的限流电阻,

CD4511 引 脚 图 BI:4 脚是消隐输入控制端,当 BI=0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于 熄灭(消隐)状态,不显示数字。 LT:3 脚是测试输入端,当 BI=1,LT=0 时,译码输出全为 1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE:锁定控制端,当 LE=0 时,允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态, 译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g:为译码输出端,输出为高电平 1 有效。 输 输 LE X X 0 0 0 0 0 0 0 入 BI X 0 1 1 1 1 1 1 1 LI 0 1 1 1 1 1 1 1 1 D X X 0 0 0 0 0 0 0 C X X 0 0 0 0 1 1 1 B X X 0 0 1 1 0 0 1 A X X 0 1 0 1 0 1 0 a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 b 1 0 1 1 1 1 1 0 0
8

出 f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 显示 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6

c 1 0 1 1 0 1 1 1 1

d 1 0 1 0 1 1 0 1 1

e 1 0 1 0 1 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 1 1 X

1 0 0 0 0 1 1 1 1 X

1 0 0 1 1 0 0 1 1 X

1 0 1 0 1 0 1 0 1 X

1 1 1 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0 0 0 锁

0 1 0 0 0 0 0 0 0 存

0 1 0 0 0 0 0 0 0

0 1 1 0 0 0 0 0

0 1 1 0 0 0 0 0 0

7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存

表 3-2 CD 4511 的真值表

三. 组装与调试

3.1

在安装前要做好检查工作,确保元器件质量可靠。按照原理图组装电路,使元件

安装的位置、极性正确、布局合理;整机清洁无污物,导线不杂乱。由于电路的要求,所 以我采用逐级安装,逐级调试然后联合调试的方法。在安装调试过程中用到的仪器主要有 示波器,万用表。

3.2

安装与调试过程记录

首先安装的是以湿度传感器为主的湿度采集电路,电路简单很快就安装完成。但关键 是下一步,要调出合适的电压就比较费时间了。先测一下没有湿度时,电路输出的电压, 然后再测一下有湿度时的电压。由于实际电路的需要,输出的电压要在 0-1.7V,所以我就 不停的调电阻的阻值,好在安装的是滑动变阻器,使电阻的调节方便了许多,但也花了好 长时间。在设计电路时已经确定要使用 ADC0809 的 D0-D3 口来实现电路,D7 口是最高位, 因为 ADC0809 是 8 位输出,最大电压为 5V,所以它能区分出的输入信号最小电压为 0.02V。 但经过一番努力之后发现,这样调电压太难了,因此就换了一种方法,先确定一个电压, 再通过计算去确定要选择的接口。 这样就节省了好多的时间, 结果最终选择的是 D1-D4 口。 下面安装的是 ADC0809 和译码显示的电路, 这一部分主要是按电路安装, 不需要调试什么, 所以安装起来比较轻松,但在安装 ADC0809 时还是要注意的,它引脚比较多,连接时注意 不要接错引脚。还有高电平和低电平的选择。根据测量上一部分的电压确定我需要的是低 电平,所以我选择的引脚是 D0-D3 口,但最终接的是 D1-D4 口。在接数码管前,要先测量 以确定是共阳的还是共阴的,公共端是接电源还是接地。CD4511 的连接是最简单的只要按 照它的引脚图连接就可以了。接下来的也是最后电路部分才是最难的,不是说它的电路复
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杂,而是它的调试太难。要求由 555 构成的多谐振荡器提供 640KHZ 的脉冲。电路我很准 确的连接好啦,但是在用示波器测量时却没有波形的显示,也没有脉冲的输出。然后我反 复的检查了电路的连接,还重连了几遍,最后确定电路没有错。经过老师的提醒和查找资 料,终于知道了关键是在于电容和电阻的选择,为了能够找到合适的电容和电阻,我向我 们组里借用了现有的电容和电阻,经过一天的调试终于完成了。那一刻的心情真是无法言 语,很轻松。在对该电路进行装配以后,剩下的工作就是对该整体电路进行调试,它包括 对各项参数的测试,故障的检测,性能的优化、提高,以及对具体操作过程中的问题进行 分析与解决。在电路工作时发现在有湿度时,在数码显示部分不是太稳定,因此还要对电 路稍微调整。开始整体电路在工作时结果不是很好,因此我检查了好几遍电路,发现电路 是没问题,那就是电路图的问题了,就这样经过一一排除,最后发现原来是 ADC0809 上的 几个引脚在设计时被我忽略了,在接上那几个引脚后电路终于工作稳定了。接下来就是对 电路参数的测试了。由于设备比较全,还有在老师的指导下也很快的完成了。

3.3 参数测试

幅度为 4.96V,周期为 1.55us,频率为 635.16KHZ.电路通电后没湿度时的电压为 0.01V,有 湿度时的最大电压为 1.76V。

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3.4 总电路图

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心得体会
毕业设计已经做好、实验室里有我们太多,既有我们的喜悦的笑脸,也有我们失望的 无奈,既有我们的愁眉苦脸。领取元件时要慎重选择,充分考虑到其材料、特性、型号、 适用范围等方面。不要等实验时出故障后在到处找原因,既浪费时间又耗费精力。而且领 取材料之前要做好计划,必要元件多准备几份,避免来回领取带来的不便。有时实验电路 并不能一次成功,所以要有良好的心理素质,有克服一切困难的勇气,勇于寻找问题的根 源,一次次反复的实验,才能达到目的。这同时也是一个学习与进步的过程,可以帮助我 们自主寻找问题的根源,自主学习寻找解决问题的办法,最终实实在在地学到知识,提高 本领,掌握技能。要做好一个课程设计,最最关键的还是要自己真正的掌握技术与理论知 识,加上熟练的操作技术。所以我们要积极主动地学习,以提高自己的能力。
【参考文献 【1】杨毅德:《模拟电路》,重庆大学出版社,2004 年,第一版

【2】廖先芸: 《电子技术实践与训练》 ,高等教育出版社,第二版

【3】周良全 方向桥: 《数字电子技术基础》 ,高等教育出版社,2002 年,第二版 【4】百度网 http://www.baidu.com

【5】李国丽:电子技术实验指导书,中国科学技术大学出版社,2000

【6】陈大钦:模拟电子技术基础,武汉理工大学出版社,2002 【7】杨素行:模拟电子电路,中央广播电视大学出版社,1994

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附录:

元 件 清 单
名称 芯片 译码器 定时器 数码管 电位器 电位器 电阻 电阻 湿度传感器 电容 电容 轻触开关 型号 ADC0809 CC4511 555 10KΩ 1M 1KΩ 10KΩ 0.1uF 0.01uF 数量 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1

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总电路图

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实物图

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