KR100226873B1

KR100226873B1 - 디지털 습도계 및 습도조절기 회로

Info

Publication number: KR100226873B1
Application number: KR1019970034215A
Authority: KR
Inventors: 정원섭; 박지만
Original assignee: 이재춘; 하나계기공업주식회사
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1999-10-15
Also published as: KR970066555A

Abstract

본 발명은 주위온도와 오염정도에 영향을 받지 않고 정확한 습도표시가 가능한 디지털 습도계를 제공하고자 하는 것으로 특히 센서에서 측정된 센서값을 디지털 값으로 변환시키는 인터페이스 회로를 간단화시켜 IC화 시키기가 쉽고 신뢰성이 높은 디지털 습도계에 관한 것이다.

또한 이 디지털 습도계를 이용한 습도 제어기에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 절대습도와 상대습도에 따라 정전용량이 변화되는 정전용량 습도센서인 커패시터로 센서부를 구성하고 상기 커패시터의 정전용량변화에 따른 전압을 슈미트 트리거 회로로 검출하여 디지털 값으로 변화시키는 한편 커패시터의 충방전을 스위칭 시키는 스위치로 인터페이스 회로부를 구성하며 상기 인터페이스 회로부의 디지탈값을 외부로 표시시키는 7-세그먼트로 디지털 표시하고 가장 간단한 형태의 제어방식인 ON/OFF 제어를 구성하므로써 이루어진다.

Description

디지털 습도계 및 습도조절기 회로

본 발명은 디지털 습도계 회로에 관한 것으로 주위온도와 오염정도에 영향을 받지 않고 정확하게 습도를 측정할 수 있도록 한 것이다.

또한 사용자가 원하는 습도를 정확하게 조절할 수 있도록 한 것이다.

디지털 습도계 및 습도 조절기는 공업용, 농업용, 일상생활용품 등에 다양한 용도로 사용되어 진다.

그러나 기존의 디지털 습도계는 주변 온도변화와 오염정도에 따라 정확한 값을 표시해 주지 못하여 신뢰성이 떨어지며 특히 센서부에서 측정된 센서값을 디지털 값으로 바꾸어 주는 인터페이스 회로가 복잡하고 가격 또한 높은 것이었다.

본 발명은 주위온도와 오염정도에 영향을 받지 않고 정확한 습도표시가 가능한 디지털 습도계 및 습도 조절기를 제공하고자 하는 것으로 특히 센서에서 측정된 센서값을 디지털 값으로 변환시키는 인터페이스 회로를 간단화시켜 IC화 시키기가 쉽고 신뢰성이 높은 디지털 습도계 및 습도 조절기에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 절대습도와 상대습도에 따라 정전용량이 변화되는 정전용량 습도센서인 커패시터로 센서부를 구성하고 상기 커패시터의 정전용량변화에 따른 전압을 슈미트 트리거 회로로 검출하여 디지털 값으로 변화시키는 한편 커패시터의 충방전을 스위칭시키는 스위치로 인터페이스 회로부를 구성하며 상기 인터페이스 회로부의 디지탈값을 외부로 표시시키는 7-세그먼트로 디지털 표시하고 가장 간단한 형태의 제어방식인 ON/OFF 제어를 구성하므로써 이루어진다.

제1a, 1b도는 본 발명의 블록도

제2도는 본 발명의 정전용량 습도센서 커패시터의 정전용량대 상대습도 특성도

제3a도는 본 발명의 전체 인터페이스 회로도

제3b도는 본 발명의 다른 실시예의 전체 인터페이스 회로도

제4도는 본 발명의 센서 회로도

제5도는 본 발명의 인터페이스 회로의 동작 파형도

제6도는 커패시터의 시간 간격대 상대습도를 나타낸 그래프

제7도는 본 발명의 슈미트 트리거 회로도

제8도는 본 발명의 표시부 동작 파형도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 전원부 20 : 센서부

30 : 인터페이스회로부 40 : 디지탈표시 및 제어부

M₁- M₁₀: 트랜지스터 Cr, Cx : 커패시터

Gm : OTA U₉, U₁₀: 플립플롭

U₁₁: 노아게이트 U₁₂: 익스크류시브오아게이트

도1은 본 발명의 블록도로써 전원을 공급하는 전원부(10)와, 상대습도에 따라 선형적으로 정전용량을 변화시키며 습도를 센싱하는 센서부(20)와, 센서부(20)의 센싱된 습도값을 디지털값으로 변화시키는 인터페이스 회로부(30)와, 습도값을 표시시키는 디지털 표시 및 제어부(40)로 구성된다.

여기서 센서부(20)는 정전용량 습도센서인 커패시터를 사용하여 전류신호를 전압으로 바꾸어주게 되며 본 발명의 정전용량 습도센서 커패시터는 도 2에 도시된 바와 같이 상대습도 0∼100% 까지의 변화에 대하여 약 290pF - 370pF 까지 거의 선형적으로 정전용량이 변하는 커패시터를 사용한다.

인터페이스 회로부(30)는 센싱된 습도값을 디지털값으로 변화시키는 것으로 디지털 습도계 전체의 성능과 크기 및 가격을 결정하기 때문에 전압-전류 변환기인 OTA(Operational transconductance amplifier)를 이용하여 슈미트 트리거 회로로 설계하여 간단하면서도 성능이 우수하도록 하는 한편 센싱된 신호량을 감지하여 디지털 표시 및 제어부(40)로 전송해주고 인터페이스 회로부의 입력단에 있는 스위치를 제어하는 인터페이스 제어회로를 구비시킨다.

디지털 표시 및 제어부(40)는 인터페이스 회로부(30)로 부터의 디지털 값을 받아 7-세그먼트로 습도를 표시하거나 별도의 마이크로프로세서를 이용하여 다양한 제어가 가능하게 한다.

본 발명의 전체 인터페이스 회로는 도3에 도시하였으며 디지털 습도계를 이루는 센서부(20)를 도4의 회로도에 의거 설명한다.

센서부(20)는 동일한 두 개의 회로가 상하로 대칭된 구성을 하고 있는 것으로 전류신호를 정전용량 습도센서인 커패시터(Cr)(Cx)가 받아서 전압으로 바꾸고 이를 인터페이스 회로부(30)에 입력단에 연결시켜주는 구성으로 되어 있으며 트랜지스터(M₁- M₄),(M₅- M₈)로 이루어진 2개의 PMOS 캐스코드 전류미러와, 두 개의 정전용량 습도센서 커패시터(Cr)(Cx)로 구성된다.

센서부(20)는 트랜지스터 전류미러에 기초를 두고 있는 것으로 트랜지스터(M₁- M₄)에서 생성된 전류가 습도 커패시터(Cr)에 흘러들어가는 PMOS 캐스코드 전류미러와 트랜지스터(M₅-M₈)에서 생성된 전류가 습도 커패시터로(Cx)로 흘러 들어가는 PMOS 캐스코드 전류미러로 구성되며 상기 캐스코드 전류미러는 기준전류(Iref)에 흐르는 전류를 복제하는 역할을 하게 된다.

따라서 커패시터(Cr)(Cx)에 흘러들어가는 전류 I의 관계식은 다음과 같이 주어진다.

상기 식(1)에서 R=6MΩ, Vb=6V라면 전류 I=1㎂로 주어지게 된다.

도3의 동작은 도5의 동작 파형도를 참고로 설명한다.

먼저 센서부(20)후단의 인터페이스 회로부(30)에 구성된 2입력 노아게이트(U11)가 1(HIGH)신호를 발생시켜 스위치(S₁)(S₂)가 온(ON)되기 전까지 상기된 PMOS 캐스코드 전류미러에서 생성된 전류를 정전용량 센서 커패시터 (Cr)(Cx)에 충전시킨다.

여기서 스위치 (S₁)(S₂)는 각각 NMOS 트랜지스터(M₉)(M₁₀)로 이루어지고 충전되는 전류는 커패시터(Cr)(Cx)에만 충전되는데 그 이유는 인터페이스 회로부(30)의 입력 임피던스가 이상적으로 무한대라는 사실에 기인한 것이다.

따라서 커패시터(Cr)(Cx)에 충전되는 전류를 적분형태의 충전전압으로 표현하면

이 되며 여기서 커패시터(Cr)는 습도영향을 받지 못하게 비닐코팅하여 사용하고 t는 정전용량 습도센서 커패시터(Cr)(Cx)에 전류가 충전되는 동안 걸린 시간을 나타낸다.

상기된 충전전압(Vr)(Vx)를 다시 표시하면

가 된다.

한편 커패시터(Cr)(Cx)의 충전과 방전시간은 인터페이스 회로부(30)의 스위치(S₁)(S₂)가 온/오프되는 것에 의해 제어되므로 센서부(20)는 인터페이스 회로부(30)에 의해 커패시터(Cr)(Cx)의 충전전압(Vr)(Vx)가 제어되게 된다.

이때 제어되는 전압은 임의의 문턱전압에 도달될 때 제어되는 것으로 이를 인터페이스 회로부(30)의 한 구성부분인 슈미트 트리거 회로에 의거 살펴본다.

슈미트 트리거 회로는 도7에 도시된 바와 같이 2개의 OTA(Gm), 2개의 저항(Rs), 그리고 2.5V의 직류전원을 이용하여 구성한다.

상기 슈미트 트리거 회로는 다음과 같이 동작되어 진다.

먼저 인터페이스 입력단 전압 즉 OTA(Gm)의 입력전압 Vr, Vx 가 임의의 문턱전압 레벨 V_TH보다 작다고 가정하면 OTA(Gm)는 플러스쪽으로 포화되어 자신의 바이어스 전류 I_b를 저항 R_S와 2.5V의 직류전압을 통해 접지로 흘릴 것이므로 OTA(Gm)의 출력전압 V_OTA(슈미트 트리거 회로의 출력전압)는

V_OTA= I_bR_s+ 2.5V = L⁺

= 50㎂ × 40KΩ + 2.5V = 4.5V

로 포화될 것이고

문턱전압 V_TH는

V_TH= I_bR_s+ 2.5V

= 50㎂ × 40KΩ + 2.5V = 4.5V

로 주어질 것이다.

이 상태에서 슈미트 트리거의 입력단 전압이 증가하여 V_TH보다 커지면 OTA의 두 입력단자 사이에 마이너스 전압이 나타날 것이고 이에 따라 OTA는 마이너스 쪽으로 포화되어 자신의 바이어스 전류 I_b를 저항 R_s와 2.5V의 직류전압을 통해 접지로 부터 흘러 들어 올 것이다.

따라서 이때의 OTA 출력 전압은

V_OTA= -I_bR_s+ 2.5V = L-

= -50㎂ × 40KΩ + 2.5V = 4.5V

로 바뀔 것이고

문턱 전압 V_TL은

V_TL= -I_bR_s+ 2.5V

= 50㎂ × 50KΩ + 2.5V = 0.5V

로 바뀔 것이다.

이같이 V_r, V_x는 문턱전압에 의해 제어되게 되며 식(3)과 도 5에서 알수 있듯이 센서부(20)의 구성상 기준 커패시터(Cr)이 정전용량 센서 커패시터(Cx)보다 작으면 Vr은 문턱전압 보다 큰 전압이 걸리게 되어 있고 Vx는 문턱 전압과 같은 크기의 전압을 갖게 되어 있다.

Vr, Vx를 뒷단에 나타내는 인터페이스 회로부(30)의 문턱전압으로 표현하면 커패시터(Cr, Cx)의 용량이 다르기 때문에 문턱전압까지 도달하는 시간은 각기 다르게 나타날 것이다.

따라서 인터페이스 회로부(30)에 의해 제어되는 전압을 문턱전압 V_TH로 나타내고 각각의 커패시터 Cr, Cx에 충전되는 전압이 문턱전압에 도달되는 시간을 t_r, t_x로 나타낸다면 다음과 같이 주어질 것이다.

기준 커패시터 Cr과 정전용량 센서 커패시터 Cx 사이의 용량차를 시간으로 나타내기 위해 수식을 다시 표현하면

여기서 I = 1㎂, V_TH= 4.5V, Cr = 300pF 그리고 Cx = 350 pH 라면 t_r, t_x는 각각 1.35msec, 1.575msec이다.

식(9)를 │t_x- t_r│로 나타내면,

식 (10)로 부터 알 수 있듯이 커패시터의 변화량이 전압과 전류의 일정한 비의 곱에 의해 시간의 변화량으로 표현된다.

이 시간의 변화량을 인터페이스 회로부(30)를 걸쳐서 표시부(40)에서 카운팅하여 현재의 상대습도를 표시할 수 있다.

여기서 커패시터의 변화량이 상대습도에 대해서 선형적으로 변화한다면 그에 따른 시간의 변화량도 선형적으로 변하게 된다.

이 결과를 도 6에 나타냈다.

두 번째 블록인 인터페이스 회로부(30)는 도 3에 보인 것 처럼 두 개의 회로가 상하대칭으로 구성되어 있다.

이 회로는 두 개의 OTA(Gm), 두 개의 DF/F(U₉)(U₁₀)(또는 두 개의 R-S F/F), 익스크루시브 오아게이트(U₁₂), 그리고 노아게이트(U₁₁)로 구성되어 있다.

두 개의 OTA는 슈미트 트리거 회로로 구성된다.

이 슈미트 트리거 회로는 OTA의 입력전압 Vr, Vx가 임의의 문턱전압 레벨 V_TH, V_TL에 도달될 때 L-, L+를 출력시키는 회로이다.

이 슈미트 트리거 회로의 출력단에서 발생된 전압 V_OTA를 인터페이스 제어회로가 감지하여 디지털 표시부로 전송해 주고 센서부(20)와 인터페이스 회로부(30) 사이에 있는 스위치(S₁)(S₂)를 제어해 준다.

이 인터페이스 제어회로는 MOS 디지털 IC로 구성되어 있다.

인터페이스 제어회로의 동작원리는 다음과 같다.

두 개의 D플립플롭(U₉)(U₁₀)에서는 L+(4.5V) 신호가 입력될 때 클럭과 동기하여 신호 1(high)을 출력시키고 L-(0.5V) 신호가 입력될 때 클럭과 동기하여 신호 0(low)을 출력시킨다.

두 개의 D 플리플롭(U₉)(U₁₀)에서 출력된 신호를 각각 2-입력 익스크루시브 오아게이트(U₁₂)와 2- 입력 노아게이트(U₁₁)에 입력되어 각각 디지털 표시부(40)와 스위치(S₁)(S₂)를 동작시킨다.

여기서 클럭 주파수는 500 kHz를 사용했다. (DF/F을 사용할 경우 클럭을 사용하지 않는다.)

이상과 같은 센서부(20)로 부터 인터페이스 회로부(30)까지는 원칩(one chip)으로 제작할 수 있으며 CMOS 집적회로로 제작할 경우 시스템 면적이 매우 작아지고 대량생산 및 경제성이 우수하게 된다.

한편 디지털 표시부(40)는 센싱된 신호량을 시간으로 받아들이고 이를 카운팅하여 7-세그먼트 등의 디스플레이(display)에 표시하는 것으로 익스크루시브 오아게이트(U₁₂)에서 발생된 신호를 반전시켜 카운터(counter) 및 리셋(reset)신호로 사용하였고 이 반전된 신호가 0인 동안 카운팅된다.

이 때 약 10MHz의 클럭 주파수와 함께 카운터 IC로 12비트카운터를 구동하게 되고 구동된 신호는 1 : 1 병렬로 래치회로로 연결되며 이때의 래치회로는 익스크루시브 오아게이트(U₁₂)에서 발생된 신호를 로드(load)신호로 사용하였다.

래치회로를 통과한 신호는 디스플레이 드라이버 IC 걸쳐서 7-세그먼트에 표시되며 표시 및 제어부(40)의 동작을 나타내는 타이밍도를 그림 8에 나타냈다.

또한 다양한 기능을 위해서는 마이크로 프로세서를 사용하면 된다.

본 발명은 다양한 주위온도의 영향과 오염의 영향을 받지 않고 습도를 정확하고 신뢰성 있게 계측하는 디지털 습도계 회로를 제공하는 것으로 특히 인터페이스 회로가 간단하여 IC화 하기에 유리하고 가격이 저렴하며 부피가 적게 제작할 수 있다.

Claims

두 개의 캐스코드 전류미러와 상대습도에 따라 정전용량이 선형적으로 변하는 정전용량 습도센서 커패시터를 사용하고 습도값을 전압으로 검출하는 센서부와, 센서부의 검출전압을 디지털 값으로 변환시키는 인터페이스 회로부와, 인터페이스 회로부의 디지털 값을 숫자로 표시시키는 표시 및 제어부로 구성된 디지털 습도 조절기 회로.
제1항에 있어서, 인터페이스 회로부는 두 개의 정전용량 습도 센서 커패시터에 충전된 전압의 레벨을 검출하는 슈미트 트리거 회로와, 슈미트 트리거 회로의 출력을 입력으로 하는 D 플립플롭(또는 R-S 플리플롭)과, D 플립플롭(또는 R-S 플립플롭)의 출력을 논리조합하는 익스크루시브 오아게이트 및 노아게이트와, 노아게이트의 출력에 의하여 구동되고 정전용량 습도센서 커패시터의 충방전을 제어하는 스위치와, 가습기와 제습기를 제어하는 스위치로 구성된 디지털 습도 조절기 회로.
제1항에 있어서, 정전용량 습도센서 커패시터는 각기 용량이 다르고 적은 정전용량의 습도센서 커패시터는 습도영향을 받지 못하게 비닐 코팅하여 사용하는 것을 특징으로 하는 디지털 습도 조절기 회로.
제2항에 있어서, 표시부는 인터페이스 회로부의 익스크루시브 오아게이트 출력을 카운트하여 7-세그먼트로 습도 값을 표시시키거나 카운트된 디지털 신호와 설정된 디지털 값을 비교하여 ON/OFF 제어시키는 디지털 습도 조절기 회로.
제2항에 있어서, 슈미트 트리거 회로는 정전용량 습도센서 커패시터의 충전전압을 입력으로 하는 전압-전류 변환기인 2개의 OTA와, 상기 OTA에 연결된 2개의 저항과, 상기 저항을 통하여 공급되는 직류전원으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 디지털 습도 조절기 회로.