本实用新型涉及一种湿度检测电路，具体是一种基于等精度测频法实现HS1101的湿度传感器输出方波信号测量的湿度检测的电路，属于硬件电路设计技术领域。
背景技术：
湿度检测在各种工业领域均具有广泛的应用需求，例如在仓储领域，湿度参数必须得到准确采集以保证货物避免受潮变质。在湿度检测中湿度传感器的应用是必不可少的。HS1101湿度传感器具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的特点。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器C，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0％-100％RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其湿度检测误差不大于±2％RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。具体电路设计时通常将HS1101湿度传感器置于555振荡电路(一种定时器芯片)之中，其电容的变化将转换为与之成反比的方波信号S，该信号的频率被采集处理后经换算即可根据HS1101湿度传感器等效电容与相对湿度之间的关系得出被测环境相对湿度。上述检测过程可简单总结为：环境相对湿度-HS1101湿度传感器等效电容-555振荡电路输出信号频率-计算出环境相对湿度。
具体关注到对上述方波信号S的频率进行测量时，现有技术中往往存在两种方案：(1)利用单片机进行频率测量，单片机测量频率往往依靠集成在芯片内部的定时计数器实现，依靠软件设置的方式来控制单片机芯片内部的定时计数器实现计数测量，这种方式由于需要依靠软件往往存在精度不高，稳定性不强，增加软件设计难度等缺点。(2)利用单片机采集信号频率然后上传给计算机，由计算机来实现对具体的分段测量，显然由于测量必须依赖上位机，这必然导致设备难以实现便携式设计。
此外，如果采用纯硬件电路(例如CPLD或FPGA)实现对上述方波信号S的频率进行测量，采用的测频方式通常为测频法或测周期法。测频法就是在确定的闸门时间Tg内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，则被测信号的频率为：fx＝Nx/Tg。测周期法需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs/Ns。这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法，对于高频信号采用测频法，但是无论采用哪一种测量原理完成系统设计在提高湿度测量精度方面都具有较大局限性，合理设计频率测量模块对提高湿度检测电路性能有重要意义。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种测量不依赖软件，测量精度高，系统结构简单，调试容易的湿度检测电路。
为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。
一种基于等精度测频法的湿度检测电路，其特征在于：包括湿度传感器，湿度采集模块和CPLD控制器；
所述湿度传感器为HS1101传感器，所述湿度采集模块为定时器芯片，所述定时器芯片具有阈值输入端、触发输入端、放电端、复位端和输出端；所述定时器芯片的阈值输入端和定时器芯片的触发输入端连接在一起构成湿度采集模块的输入端IN，所述定时器芯片的输出端为湿度采集模块的输出端OUT；湿度采集模块的输入端IN与HS1101传感器的一端相连接，HS1101传感器的另一端接地；湿度采集模块的输入端IN还与第二充电电阻R2的一端相连接，第二充电电阻R2的另一端与定时器芯片的放电端相连接，定时器芯片的放电端通过第一充电电阻R1与电源VCC相连接；
所述CPLD控制器包括第一可控计数器单元，第二可控计数单元、分频单元和D触发器；
所述第一可控计数器单元的计数时钟端与分频单元的输出端相连接，所述分频单元的输入端与CPLD控制器内部工作时钟信号端相连接，所述第二可控计数器单元的计数时钟端与所述定时器芯片的输出端相连接；
所述D触发器的数据输入端与测量启动开关相连接，D触发器的时钟输入端与第二可控计数器单元的计数时钟端相连接，D触发器的数据输出端与第一可控计数器单元的计数使能端相连接，D触发器的数据输出端还与第二可控计数器单元的计数使能端相连接。
进一步的，所述CPLD控制器通过SPI串行通信接口与单片机实现电连接。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
本实用新型中，通过纯硬件的CPLD控制器内部设计的数字频率计模块实现对定时器芯片输出信号的频率测量，频率的测量不再依靠软件方式实现，并且由于CPLD控制器本身内部包含强大的数字逻辑资源以及其灵活的设计方式，使得CPLD控制器内部设计的数字频率计模块可以具有很高的测量灵活性和测量精确性，因此本实用新型与现有技术中通过单片机实现测量的方式相比具有不依赖软件、测量精度高以及稳定性强的优点。
此外，由于D触发器的设置使得CPLD控制器内部的两个可控计数单元在同一闸门时间内进行计数，也即是采用等精度测量原理，被测信号频率(也即定时器芯片NE555电路输出信号的频率)精度只与标准信号频率(分频单元输出信号频率)有关，由于标准信号频率是由CPLD内部时钟信号经内部分频单元分频而来，精度较高，因此测得的被测信号频率精度也就较高，综上，本实用新型具有测量精度高，系统结构简单，调试容易的优点。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型一种基于等精度测频法的湿度检测电路，包括湿度传感器，湿度采集模块和CPLD控制器。湿度传感器为HS1101传感器，HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器C，其电容随所测空气的湿度增大而增大，它是2脚封装，靠器件侧面来接触空气。
湿度采集模块为定时器芯片(可以采用最为常见的NE555型电路)，定时器芯片通常具有阈值输入端、触发输入端、放电端、复位端和输出端，当然还具有电源端，地端和电压控制端；
CPLD控制器包括第一可控计数器单元，第二可控计数单元、分频单元和D触发器；第一可控计数器单元，第二可控计数单元、分频单元和D触发器实质上够成一个数字频率计模块。
电路具体连接关系为：
(一)湿度信号采集部分
定时器芯片的阈值输入端和定时器芯片的触发输入端连接在一起构成湿度采集模块的输入端IN，定时器芯片的输出端为湿度采集模块的输出端OUT；湿度采集模块的输入端IN与HS1101传感器的一端相连接，HS1101传感器的另一端接地；湿度采集模块的输入端IN还与第二充电电阻R2的一端相连接，第二充电电阻R2的另一端与定时器芯片的放电端相连接，定时器芯片的放电端通过第一充电电阻R1与电源VCC相连接；
(二)湿度信号测量部分
由CPLD内部的数字频率计模块完成：具体的，第一可控计数器单元的计数时钟端与分频单元的输出端相连接，分频单元的输入端与CPLD控制器内部工作时钟信号端相连接，第二可控计数器单元的计数时钟端与所述定时器芯片的输出端相连接；D触发器的数据输入端与测量启动开关相连接，D触发器的时钟输入端与第二可控计数器单元的计数时钟端相连接，D触发器的数据输出端与第一可控计数器单元的计数使能端相连接，D触发器的数据输出端还与第二可控计数器单元的计数使能端相连接。具体的，分频单元和两个可控计数单元可以利用原理图设计方式调用计数器模块和分频器模块来实现。D触发器则可直接调用D触发器原理图模块实现。
为了实现对CPLD的灵活控制也可以使得CPLD控制器通过SPI串行通信接口与单片机实现电连接。这样CPLD测量过程中的某些参数便可通过单片机进行控制(例如标准信号频率的大小的控制可以由单片机发送分频系数给CPLD内的分频单元来实现)，此外测量结果也可以发送给单片机，单片机再进一步上传给上位机进行分析与显示。
本实用新型工作原理为：
(一)湿度信号采集部分工作原理
主要阐述湿度采集模块(定时器芯片NE555电路)以及湿度传感器HS1101的工作原理：
如图1所示，NE555电路外接第一充电电阻R1和第二充电电阻R2，构成对湿度传感器HS1101的充电回路；NE555电路放电端通过第二充电电阻R2以及NE555电路芯片内部的晶体管对地短路实现对湿度传感器HS1101的放电回路，此外，阈值输入端和触发输入端相连构成的湿度采集模块的输入端IN的信号会引入到NE555电路片内比较器，这实际上是多谐振荡器的电路连接。
根据多谐振荡器工作原理，接通电源后湿度传感器HS1101作为电容器被充电，当湿度采集模块的输入端IN(也即是湿度传感器HS1101的一端)的电位上升到2/3VCC时，NE555电路内部的触发器复位，同时NE555电路内的晶体管导通，NE555电路输出端(湿度采集模块的输出端OUT)为低电平，此时湿度传感器HS1101通过第二充电电阻R2和NE555电路内的晶体管放电，使湿度采集模块的输入端IN电压下降，当湿度采集模块的输入端IN电压下降到1/3VCC时，NE555电路内部的触发器又被置位，NE555电路输出端(湿度采集模块的输出端OUT)翻转为高电平，传感器的不停充放电，产生方波信号。
并且湿度传感器HS1101放电所需要时间为T1＝R2C ln2≈0.7CR2，湿度传感器HS1101充电所需要时间为T2＝(R1+R2)C ln2≈0.7(R1+R2)C，由多谐振荡器工作原理可知：NE555电路输出端输出方波信号的频率f＝1/T1+T2≈1.43(R1+2R2)C。
因此只要测算出NE555电路输出端输出信号的频率即可计算湿度传感器HS1101等效电容值，而湿度传感器HS1101等效电容值与环境相对湿度之间存在对应数值关系(在湿度传感器HS1101产品说明书中可以查询)，根据上述数值对应关系便可计算出环境相对湿度。
(二)湿度信号测量部分工作原理
CPLD内部分频单元以CPLD控制器内部工作时钟信号为分频对象得到合适频率的标准信号，该标准信号作为第一可控计数器单元的计数时钟信号，而被测信号(定时器芯片NE555电路输出信号)则作为第二可控计数器单元的计数时钟信号。第一可控计数器单元和第二可控计数器单元的计数使能端均与D触发器的数据输出端相连连，D触发器的时钟输入端与第二可控计数器单元的计数时钟端相连接，也即是D触发器以被测信号为计数时钟，D触发器的数据输入端与测量启动开关相连接，测量启动开关向D触发器的数据输入端发送预置门信号实现两个可控计数单元的计数使能控制，基本控制过程是测量启动开关发送一个持续的高电平脉冲(即预置门信号，也叫闸门时间)，则该高电平被D触发器所采集从D触发器的数据输出端输出送至两个可控计数单元的使能端，计数器开始计数，但是由于D触发器采集数据输入端的高电平必须是在时钟输入端上升沿到达时才能进行，因此，实际上是当被测信号的上升沿到达时，两个可控计数单元才开始计数，第一可控计数单元对分频得到的标准信号进行计数，第二可控计数单元对被测信号进行计数；而当测量启动开关发送的一个持续的高电平脉冲(即预置门信号，也叫闸门时间)结束时，预置门信号从高电平1跳变为低电平0也必须发生在被测信号的上升沿到达时刻。综上，显然的本实用新型CPLD内部频率测量模块的实际闸门时间(即D触发器数据输出端输出的高电平持续时间)不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，实际闸门时间与预置门信号高电平持续时间之间的差值不超过一个被测信号周期长度；并且标准信号也是在实际闸门时间内进行计数，实际闸门时间也是也是标准信号周期的整数倍，误差也不会超过一个周期，即被测信号和标准信号都是在同一实际闸门时间内分别被两个可控计数单元计数，我们把以上描述的测量原理称为“等精度测量”，若标准信号被计数得到的计数值为Ns，被测信号被计数得到的计数值为Nx，标准信号的频率fs，则fx＝Nx×fs/Ns，被测信号频率精度只与标准信号频率有关，由于标准信号频率是由CPLD内部时钟信号经内部分频单元分频而来，频率可高于被测信号，精度较高，因此测得的被测信号频率精度也就较高。
上述过程中测量启动开关为一个手动拨码开关，此手动拨码开关产生预置门信号，该预置门信号也可以由单片机芯片产生，以提高系统灵活性。
被测信号频率经一系列换算得到环境相对湿度，换算方法在“湿度信号采集部分工作原理”中已做阐述。上述换算工作可以由单片机完成，当然这就要求单片机和CPLD之间能够进行数据通信，如前所述，本实用新型中单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器实现数据通信。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。