1、1课程设计任务书（指导教师填写）课程设计名称 生物医学传感器 学生姓名 专业班级 设计题目 手术室湿度控制电路的设计 一、课程设计目的1、掌握生物医学传感器的工作原理；2、掌握生物医学传感器电路的设计方法；3、了解生物医学传感器的应用。二、设计内容、技术条件和要求设计内容：手术室的湿度必须控制在一定的范围内，适宜的环境湿度对操作者和病人都是非常重要的。本设计要求采用湿度传感器作感湿元件，设计一个手术室湿度控制电路，当湿度高于或低于设定值时，声光报警，同时开启排湿或加湿装置。设计要求：1、了解所选用的湿度传感器的性能参数；2、电脑仿真软件设计并绘出电路图；3、系统仿真、调试；4、整理设计资料，提
2、交设计报告。三、时间进度安排1、查阅并整理相关资料（3 天）；2、设计电路、仿真、调试（8 天）；3、撰写课程设计报告（3 天）；4、答辩（1 天）。四、主要参考文献医用传感器（第二版） 陈安宇 科学出版社现代生物医学传感技术 王平 叶学松 浙江大学出版社传感器及其应用实例 何希才 薛永毅 机械工业出版社传感器原理及应用 王雪文 北京航天航空大学出版社模拟电子技术基础 童诗白 高等教育出版社数字电子技术基础 阎石 高等教育出版社指导教师签字： 2016 年 9 月 3 日23一简要温湿度控制已成为当今社会研究的热门项目。是工农业生产过程中必须考虑的因素。作为最常见的被控参数。温度和湿度已经不再
3、是相互独立的物理量，而应在系统中综合考虑。广泛应用于实验室、大棚、花圃、粮仓乃至土壤等各个领域。而传统的温湿度控制则利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材。通过人工进行检测。对不符合温度和湿度要求的手术室进行通风、降温、去湿等操作。这种人工测试方法费时费力，效率低。切随机性较大。误差大。因此就需要一种造价低廉、使用方便且计算精确的温湿度控制仪器。利用湿敏电阻构成的传感器电路可以对温、湿度控制，具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。鉴于医院本身就是对空气质量要求很严格的环境，手术室的温湿度控制就要求更加特殊，这是因为手术室的温度的高
4、低、湿度的大小直接关系到病人的情况稳定与否。病人在手术室里的情况包括体温的变化，伤口是否感染，除此以外，还涉及手术室内各种高科技精密仪器、设备的正常运作。根据调查及各种案例得出，手术室的温度和湿度直接影响到空气中的细菌的含量和术后感染的可能性大小。因此，为了保证手术的成功率，手术室的室内空气的洁净程度也相当的重要，一些工业发达的国家对手术室的空气细菌含量也做了限制。冬季的时候，医生不能多穿衣服，病人的手术部位也必须暴露出来，所以，手术室内的温度会比平常的温度高。夏季的时候，室内的温度容易太高，医生和病人都很容易出汗，容易影响病人手术部位的情况，为了保证医生和病人不受高温影响，夏季的手术室的室内
5、温度会比平常的温度低。在空气中的湿度较大的季节里，就需要使用空调的除湿功能、或者除湿机对梅雨季节手术室的湿度进行调节的同时监测温度变化。空气的相对湿度过大过小都会给病人和医生造成不适，还容易滋长细菌，并加速其繁殖的。因此，手术室的温室度最好保持在冬季的温度控制为 2426，夏季的温度控制为 2326，而相对湿度则需要全年保持为 50%60% 。温度的检测的方法根据季节的不同而不同。夏季的时候，需要选择最热的那一个月作为检测的标准，而冬季的时候，需要选择最冷的那一个月作为检测的标准。湿度的检测方法要距离地面 80 厘米作为中心，出现的数据应该有小数点后一位，4同时也要检测手术室外部环境。而手术室
6、的空气洁净度，为了防止细菌对手术伤口的感染，国际标准是0.5m和 5m 尘粒数和菌落数。本实验通过直流电源稳压模块，由湿敏传感器构成的湿度检测模块，湿度比较模块，声光报警模块和加湿降湿模块。简单明了的满足设计要求。通过湿度检测模块反馈的湿度有正常湿度范围进行比较，超过设定范围则引起后面光声报警电路模块工作。二、总体设计1、湿度检测、控制与报警电路的工作原理框图湿度超过设定范围图 1 系统部分简略框图2、总体设计中的主要思想：本实验由于在仿真时，没有湿敏电阻的实际模型，所以用滑动变阻器直接代替温敏电阻的功能进行试验。本设计采用放大电路，将代替温敏电阻的滑动变阻器传送过来的电压进行放大，以便于观察
7、。AD 转换部分使用整流电路；湿度的判断通过控制滑动变阻器改变电阻，从而改变输出端的电压，通过输出端的电压来判断；声光报警利用设定湿度比较环节除湿加湿设备不工作传感器湿度检测发出控制报警声报警光报警除湿加湿设备工作5OPAMP-3T-ITUAL 比较器将输出的电压与设定电压进行比较，通过比较器输出高、低电位来驱动二极管发光；当湿度超过一定数值，由继电器实现降湿加湿工作。1.湿度检测：滑动变阻器直接代替湿敏电阻，将温度(物理量)转换成对应的电压（电量）。2.比较环节：将设定数字量所对应的电压量与检测湿度对应的电压量比较经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制声光报警模块，当检测湿度达到或超
8、过设定报警湿度时即产生声光报警。3.声光报警环节：不同检测湿度经过电压比较器与所设温度对应的数字量，输出高低电平指示信号。当输出信号为低电平时，二极管截止，报警电路不工作。当有高电平信号输出时，二极管导通。发光二级管点亮，并发出蜂鸣报警，即发生报警。4. 降温环节：发出警报的同时，降湿加湿设备开始工作，当湿度度降到适宜值再进行比较环节，周而复始。3、原理图4、调试过程1 调整滑动变阻器 R5 使 R4 两端的额定电压为 1V2 用 100 千欧的滑动变阻器 R4 替代湿敏电阻 RH3 调节滑动变阻器 R4, 当电阻接入为 50%时代替湿度为 50%RH,记录器输出电压为 V1;当电阻接入是 6
9、0%时代替湿度为 60%RH,记录输出电压为 V14 调节电阻 R12、R13 、R14 的阻值使得分压分别为 V1、V25 反复调试几次，使得电压趋于稳定，取平均值，减小误差63、单元电路设计与仿真1、传感器简介1 传感器的定义及特点 :传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2 传感器的特点包括 :微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触
10、觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。3 传感器的作用：传感器在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演
11、化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫7的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的
12、工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。4 传感器的组成：Transducer-传感器，换能器，强调参数和能量的转换Sensor-敏感元件，感受器，强调对被测敏感，直接感受Transmitter-强调对各种变送器的输出信号传输及统一，电流 420mA传感器在国外的情况：传感器技术列为六大核心技术之一。六大核心技术为：传感器，计算机，通讯，激光，半导体，超导技术，虽然技术发展的很快，但还没有形成核心技术。西方各国不断增加传感器研究经费，耗资巨大，投入的人力、物力、财力非常强大。5 传感器的分类：按输入量分类：位移传感器、速度传感器、压力传感器等按工作原理分类:应变式、电容式、压
13、电式、热电式等按物理现象分类:结构式传感器、特性型传感器按能量关系分类：能量转换型传感器、能量控制传感器按输出信号分类：模拟式传感器，数字式传感器电量传感器是一种将被测电量参数（如电流，电压，功率，频率，功率因数等信号）转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。产品符合国标GB/T13850-1998。注：真有效值电压电流变送器用于测量电网中波形畸变较严重的电压或电流信号，也可以测量方波，三角波等非正弦波形。 信瑞达 LF 系列电量传感器通用技术条件：引用标准及规则：GB/T13850-1998相对湿度：93%准确度等级： 0.2、0.5 级贮藏条件：温度-40+70，相对湿
14、度 2090%，无凝露工作温度：-1055 平均无故障时间：30000h位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它分为电感式8位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。在这种转换过程中有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟
15、式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、 电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。温度和湿度触感器1、室温管温传感器：室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型：1.常数B 值为 4100K3%，基准电阻为 25对应传感器电阻 10K3%。温度越
16、高，阻值越小；温度越低，阻值越大。离 25越远，对应电阻公差范围越大；在 0和 55对应电阻公差约为7%；而 0以下及 55以上，对于不同的供应商，电阻公差会有一定的差别。温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。离 25越远，对应电阻公差范围越大。 2、排气温度传感器：排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数 B 值为 3950K3%,基准电阻为 90对应电阻 5K3%。3、模块温度传感器：模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT 或 IPM）的温度，目前用的感温头的型号是 602F-3500F，基准电阻为 25对应电阻6K1%。几个典型温度的对应阻值分别是：-10 （25.89728
17、.623 ）K；0 （16.324817.7164）K ；50 （2.32622.5153）K；90 （0.66710.7565）K。 4、温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100 ；热电偶：B、 E、J、K、S 等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。95、测温原理：根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们可以得到所需要测量的温度值。电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、
18、湿敏等电阻式传感器件。称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。6 传感器的特性：传感器的动态特性: 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响
19、应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。传感器的分辨率：分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。传感器的灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化 y 对输入量变化x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。
20、如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。2.湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有氯化锂湿敏电阻，有机高分子10膜湿敏电阻。 氯化钠湿敏电阻：多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层
21、金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子 H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。 氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底
22、，在上方制作一对金属电极，涂覆一层电解质溶液感湿膜，氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，氯化锂溶液中，Li+对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度最高。氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作，其主要特性：1） 是可在 120 度高温环境中稳定工作，这一点是其他高分子电容是湿度传感器不可比拟的；2）氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在 20%RH 左右，在该测量范围内，其线性误差小于2%RH。所以，在全范围湿度测量环境中要想达到高精度的湿度测量，目前普遍采用的单片湿敏元件测量方法就很难实现了。 有机高分子膜湿敏电阻：湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附
23、在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。 湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。 3.湿敏电阻 HR202本实验采用的是湿敏电阻HR202,HR202 湿敏电阻器是采用有机高分子材料的一种新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽，高湿环境下具有极高的敏感性，响应速度快，具有开关功能，交流电压直流电
