田慶華

(懷化廣播電視大學(xué),湖南懷化418000)

十六位單片機(jī)在語音濕度測試儀中的應(yīng)用＊

田慶華

(懷化廣播電視大學(xué),湖南懷化418000)

濕度作為一個(gè)環(huán)境參量在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)常需要進(jìn)行測量和控制。本文主要以十六位單片機(jī)為控制模塊,詳細(xì)描述以濕度傳感器HS1101為主對濕度進(jìn)行探測的硬件設(shè)計(jì),利用濕度電容以及頻率之間的對應(yīng)關(guān)系,完成濕度的測量使之達(dá)到一定的精度。

濕度;HS1101;十六位單片機(jī)

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門,經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制,但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中,濕度難以被準(zhǔn)確測量,因?yàn)闈穸纫芷渌蛩?大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響,而且濕度的校準(zhǔn)也是一個(gè)難題。目前,人們探測的濕度測量從原理上有二、三十種之多,但隨著20世紀(jì)后半期電子業(yè)的發(fā)展,電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量于上世紀(jì)90年代也隨之興起,其準(zhǔn)確度可以達(dá)到2%-3%RH。該方案的設(shè)計(jì)原理是利用電子式傳感器配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有語音功能人性化的濕度測試儀,來完成濕度測試。

一、語音濕度測試儀設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過于SPCE061A16位單片機(jī)及其各種接口電路來實(shí)現(xiàn)濕度的檢測。其工作原理是:電容式相對濕度傳感器的容值隨著濕度的變化而線性的變化,通過信號(hào)檢測和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的變化的頻率,單片機(jī)對采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過查表得到實(shí)際測量的濕度值,之后通過單片機(jī)的各外部接口電路顯示該濕度值并由語音播放測量濕度值,單片機(jī)還可與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信,一方面接受上位機(jī)的各種指令,另一方面,將測得的濕度值傳送到上位機(jī)進(jìn)行保存,分析處理及打印等操作。

上位機(jī)為PC機(jī),通過串口與下位機(jī)相連。一方面將設(shè)定的指令以及人工干預(yù)信號(hào)發(fā)送給單片機(jī),另一方面,對從單片機(jī)接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?并將其以曲線的形式顯示出來。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(一)SPCE061A最小系統(tǒng)

以SPCE061A精簡開發(fā)板(61板)作為核心控制部件,包括SPCE061A芯片及其外圍的基本模塊,外圍模塊包括:晶振輸入模塊(OSC)、鎖相環(huán)外圍電路(PLL)、復(fù)位電路(RESET)、指示燈(LED)等,如圖2所示。

圖2 SPCE061A最小系統(tǒng)

(二)濕度傳感器模塊

在設(shè)計(jì)中選用的濕度傳感器HS1101感知外界濕度的變化,具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

HS1100/HS1101電容傳感器,在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件,其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。為了將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诮邮盏男盘?hào),將該濕敏電容置于555振蕩電路中,將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào),這樣可直接被控制芯片采集。

集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C,構(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C的放電回路,并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器,便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器,即方波發(fā)生器。另外,R3是防止輸出短路的保護(hù)電阻,R1用于平衡溫度系數(shù)。

圖3 頻率輸出的555測量振蕩電路原理

該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下:首先電源Vs通過R4、R2向C充電,經(jīng)t充電時(shí)間后,Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平,約0.67Vs,此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平,然后通過R2放電,經(jīng)t放電時(shí)間后,Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平,約0.33Vs,此時(shí)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此翻來覆去,形成方波輸出。其中,充放電時(shí)間為

t充電=C(R4+R2)ln2;

t放電=CR2ln2;

因而,輸出的方波頻率為f=1/(t充電+t放電)=1/[C(R4+2R2)ln2)];

本系統(tǒng)將變化電容轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的信號(hào)頻率,通過SPCE061A16位單片機(jī)測量信號(hào)頻率,并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電容值,然后通過查表得到實(shí)際測量的濕度值。表1給出了其中的一組典型濕度與頻率對應(yīng)的測試值。

表1 空氣濕度與電壓頻率的典型值

(三)按鍵電路

本系統(tǒng)直接使用SPCE061A精簡開發(fā)板上的按鍵,用以實(shí)現(xiàn):1)控制啟動(dòng)濕度測量;2)控制LED顯示(相對濕度和絕對濕度);3)功能調(diào)試鍵。61板上按鍵電路如圖4所示。

(四)LED顯示模塊

在本系統(tǒng)中,濕度計(jì)要進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)顯示,所以設(shè)計(jì)了LED顯示電路。該電路由串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器(74LS164)、顯示器(共陰極LED)組成.電路圖如圖5所示。

圖4 按鍵電路圖

圖5 LED顯示電路圖

該顯示控制電路中單片機(jī)串行口工作方式為0,即為8位移位寄存器,TXD為同步信號(hào)輸出端,RXD為串行數(shù)據(jù)輸出端,選用在串行口接串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器74LS164來驅(qū)動(dòng)LED顯示器。由于74LS164在低電平輸出時(shí),允許通過的電流可達(dá)8mA,故不需要再加驅(qū)動(dòng)電路。

三、結(jié)語

濕度測量由于受溫度、大氣壓的影響比較大,測量比較困難。而對于電容式濕度傳感器來說,由于測量電容本身非常復(fù)雜,使整個(gè)測量過程更加困難。本系統(tǒng)通過于SPCE061A16位單片機(jī)及其各種接口電路來實(shí)現(xiàn)濕度的檢測,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),在測量工作溫度:0～70℃,工作濕度:0～100%RH時(shí),測量范圍為1%～99%RH,精度可達(dá)±5RH%。

[1]李曉白.凌陽16位單片機(jī)C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

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2009-12-29

田慶華(1977-),男,湖南麻陽人,講師。