论文总字数：16829字

目 录

摘要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1设计目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3设计内容 3

2 低温段相对湿度发生器概述 3

2.1 湿度发生器的工作原理 3

2.2 总体结构 4

3 相对湿度的检测 5

3.1 系统方案设计 5

3.2 单片机控制模块 5

3.3 湿敏传感器 6

3.4 电容频率转换电路 6

3.5 显示模块 7

3.6 电路制作与调试 8

3.7 本章小结 10

4相对湿度的发生 10

4.1 系统方案设计 10

4.2 脉宽调制控制电路 12

4.3 滤波电路 12

4.4 功率放大电路 14

4.5 干燥空气输送 15

4.6 湿空气输送 15

4.7 湿度发生 16

4.8 本章小结 17

总结 18

参考文献 19

致谢 20

附录 21

低温段相对湿度发生器的设计

唐钰琦

，China

Abstract：Humidity generator, as a standard source of humidity, is anindispensable key equipment in the process of moisture transfer.However，the study of the occurrence of humidity in low temperature environment is not enough. This article mainly introduces the design of low temperature humidity generator.The generator can according to the requirement of relative humidity test environment in low temperature segment，using the principle of split type humidity to set the relative humidity that we need.The generatorincludes humidity detection and air flow control,using capacitive sensor to collect humidity, using the microcontroller to test and, take results back to the solenoid valve or pump,to achieve the purpose of humidity correction. The detection of relative humidity is displayed by object and the occurrence of relative humidity is demonstrated by circuit simulation.

Key words：humidity ;humidity generator; the principle of split type;

1 绪论

1.1设计目的和意义

温度、湿度、辐射、气压，是自然界中无法忽视的重要环境参数，人类的生活和社会的发展与他们息息相关。其中，湿度从最初单一的气象参数，不断渗透到人类的生产、生活的各个领域，在农业、纺织业、食品、煤炭和其它工业原材料的加工，以及航空、航天技术等国防领域中，都有着重要影响。因此，人们对于湿度的测量和控制已越来越重视。

相对湿度的检测是目前人们关注较多的话题，而低温段相对湿度的检测又是湿度检测过程中较为特殊的部分，在很多重要领域都有影响。例如气象领域的高空探测，武器弹药的存放以及电子仪器设备环境试验的模拟运输和储存过程中，都涉及到低温环境下的相对湿度的检测。为了减小湿度对于低温环境下工作的设备的磨损及腐蚀，延长设备使用寿命，需使用湿度发生器将湿度校正到设备的适宜湿度值，以达到保护设备的目的。

然而，即使在科技高速发展的今天，低温段相对湿度的检测与校正依旧存在着种种困难，目前已研发出的湿度发生器中，很少涉及到低温段的湿度发生，而已有的低温湿度发生器，其价格往往在百万元以上，并且性能并不理想。因此，考虑到上述环境中低温段相对湿度测量的重要性，并解决低温环境下使用传感器的校准问题，提出了研制低温条件下的相对湿度发生器的课题。

1.2国内外研究现状

湿度传感器技术的发展已有数百年历史，至今已制造出了数百种湿敏器件。然而，由于湿度的检测受环境的影响较大，较之温度、气压等其他环境参数来说更为复杂和难测。因此，人们对于湿度的研究，到现在为止还远不如对温度等其他因素研究的那么精确和完善，对湿度和水分的测量及控制远远落后于温度、气压等其它环境参数。

湿度发生器是指在一定条件下，能发生水蒸气含量恒定且可知的气体的装置。较之湿度的检测，湿度发生器的研制则更为困难。目前，随着传感器技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，湿度发生器计算机控制系统的应用开始由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。此外，随着软件系统的研制开发的不断深入完善，神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术也将在湿度发生器系统中得到广泛应用。

目前较好的湿度发生器有日本神荣公司生产的SRH-1MC135湿度发生器。该湿度发生器采用分流式原理，通过干燥空气和饱和湿气的混合,调整其混合的比例,从而取得所希望的相对湿度。SRH-1MC135湿度发生器的工作温度范围为5～60℃，可以随意设定所希望的湿度，并且迅速制造0～l00%rh广泛的湿度环境，不同于一般的恒温恒湿槽和空气调和装置,湿度的发生可以一次做到。由于SRH-1MC135湿度发生器的工作温度范围较小，研究不能满足现在湿度校准的要求，通过不断地改善，新一代的SRH-3MC135的将温度范围拓展到了-10℃～80°C。

图1.1SRH-1MC135湿度发生器

益加义公司开发的HUMOR20湿度发生器是目前湿度校准较为精准的湿度发生器。它使用传统的双压法工作原理，可在相对湿度为10-95%RH的范围内工作，其工作温度范围为10-40℃。基于其原理，HUMOR20湿度发生器在普通的实验室环境中就能正常工作，极高的精确度使其可作为实验室中相对湿度的校准基准。HUMOR20湿度发生器的操作非常简便，只需要蒸馏水、10bar压力的无油压缩空气和90-230vAC的电源便可完成湿度校准的工作。

图1.2 HUMOR20湿度发生器

密析尔公司开发生产的DG系列湿度发生器，属于湿度和露点发生器，多应用于湿度传感器的校验和实验室应用中的精密湿度的发生控制。该系列产品的优点是简单易用，响应速度快。露点发生范围在-100℃-20°C之间。确定是其工作温度范围较小，只在18℃-24℃内可以使用。

图1.3 DG系列湿度发生器

从国内外的研究成果可以看出，至今已研发出的、湿度校准较为精密的湿度发生器都由外国生产，国内几乎没有这种高精度的湿度发生器。而国外的大部分湿度发生器往往价格高昂，且工作温度范围大都处于0℃以上，能够在低温环境下工作的湿度发生器少之又少，因此，对于低温段相对湿度发生器的研究刻不容缓。

1.3设计内容

本文的研究目标是设计一个能在低温环境下工作的相对湿度发生器，能够自主的对低温环境下的湿度进行调节，为该环境内的其他器件提供更为适宜的工作环境。本次设计主要包括相对湿度的检测和相对湿度的发生两部分。

1.相对湿度的检测:低温段相对湿度发生器的相对湿度检测系统，采用89C52单片机作为主控元件，电容式传感器HS1101对当前环境湿度进行采集，由电容频率转化电路将电容量转换为相应的频率信号输送给单片机,通过单片机对接收信号进行数据采集、处理及显示，实现相对湿度的智能检测。

2.相对湿度的发生，在低温环境内，根据相对湿度检测值的反馈，采用分流式原理，利用电磁阀及气泵精密调节干湿空气的进气流量比例，实现相对湿度的设定。

其中，相对湿度检测部分有实物制作，空气流量控制由于所用设备较为复杂且价格昂贵，由仿真效果图代替。两部分存在检测与反馈的关系，通过对两部分的分别设计，再将两者合二为一，即可完成低温段相对湿度发生器的设计。

2 低温段相对湿度发生器概述

湿度发生器是指在一定条件下，能发生水气含量恒定且可知的气体装置的总称，是校正当前环境湿度必不可少的设备。目前，已有多种方法能够产生已知湿度量值的标准湿气。典型的湿度发生器有分流法湿度发生器、双压法湿度发生器、双温法湿度发生器、渗透法湿度发生器、固定湿度点法湿度发生器等五种。其中，分流式温度发生器以其操作简单,能够迅速连续地改变湿度量值、使用范围广、造价低廉等特点而成为最受欢迎的湿度标准源。

2.1 湿度发生器的工作原理

本次设计的湿度发生器采用简易分流式原理。向温度设定为低温的恒温箱中同时输入两股气体，其中一股为含有水分的湿空气；另一股为干燥空气，即其相对湿度近似为0%RH。两股湿气、干气混合，以恒定流量进入恒温箱内，经由基于单片机的相对湿度检测系统进行湿度检测，反馈于控制气体的输送量，使干湿气体按照一定比率输入低温恒温箱，便可在低温恒温箱内产生所需湿度。这就是分流法所遵循的原理。该种方法的优点是仅使用空气便能设计出湿度发生器，造价低廉，使用也更为简易方便。

由于干燥空气存储在密封气罐中，罐内存在气压，气体输送时使用电磁阀进行控制；湿空气则直接从空气中获得，使用气泵将湿空气打入低温恒温箱中，因此，对于空气流量的控制可以转换为对于电磁阀的开度及气泵的电压的控制。

湿度发生器其原理流程如图2.1所示：

反馈

电磁阀

气泵

反馈

图2.1低温段相对湿度发生器原理图

2.2 总体结构

本次设计的低温段相对湿度发生器包含相对湿度检测系统和相对湿度发生系统两部分。

低温段相对湿度发生器的相对湿度检测系统，主控件使用STC89C52单片机，通过HS1101湿度传感器进行当前环境湿度进行采集，并由电容频率转化电路将电容量转换为相应的频率信号输送给单片机，单片机对收集到的信号进行数据分析，并在显示屏中显示出来。

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