田庆华

(怀化广播电视大学,湖南怀化418000)

十六位单片机在语音湿度测试仪中的应用＊

田庆华

(怀化广播电视大学,湖南怀化418000)

湿度作为一个环境参量在现代社会经常需要进行测量和控制。本文主要以十六位单片机为控制模块,详细描述以湿度传感器HS1101为主对湿度进行探测的硬件设计,利用湿度电容以及频率之间的对应关系,完成湿度的测量使之达到一定的精度。

湿度;HS1101;十六位单片机

工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制,但在常规的环境参数中,湿度难以被准确测量,因为湿度要受其他因素(大气压强、温度)的影响,而且湿度的校准也是一个难题。目前,人们探测的湿度测量从原理上有二、三十种之多,但随着20世纪后半期电子业的发展,电子式湿度传感器产品及湿度测量于上世纪90年代也随之兴起,其准确度可以达到2%-3%RH。该方案的设计原理是利用电子式传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的湿度测试仪,来完成湿度测试。

一、语音湿度测试仪设计方案

系统设计方案框图如图1所示。

图1 系统框图

本系统通过于SPCE061A16位单片机及其各种接口电路来实现湿度的检测。其工作原理是:电容式相对湿度传感器的容值随着湿度的变化而线性的变化,通过信号检测和转换电路将变化的电容转换成与之对应的变化的频率,单片机对采集到的信号进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值,之后通过单片机的各外部接口电路显示该湿度值并由语音播放测量湿度值,单片机还可与上位机实时通信,一方面接受上位机的各种指令,另一方面,将测得的湿度值传送到上位机进行保存,分析处理及打印等操作。

上位机为PC机,通过串口与下位机相连。一方面将设定的指令以及人工干预信号发送给单片机,另一方面,对从单片机接收到的温度数据进行适当的处理,并将其以曲线的形式显示出来。

二、系统硬件设计

(一)SPCE061A最小系统

以SPCE061A精简开发板(61板)作为核心控制部件,包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块,外围模块包括:晶振输入模块(OSC)、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET)、指示灯(LED)等,如图2所示。

图2 SPCE061A最小系统

(二)湿度传感器模块

在设计中选用的湿度传感器HS1101感知外界湿度的变化,具体设计如图3所示。

HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。为了将电容的变化量准确地转变为易于接收的信号,将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,这样可直接被控制芯片采集。

集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R3是防止输出短路的保护电阻,R1用于平衡温度系数。

图3 频率输出的555测量振荡电路原理

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先电源Vs通过R4、R2向C充电,经t充电时间后,Uc达到芯片内比较器的高触发电平,约0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平,然后通过R2放电,经t放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电平,约0.33Vs,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去,形成方波输出。其中,充放电时间为

t充电=C(R4+R2)ln2;

t放电=CR2ln2;

因而,输出的方波频率为f=1/(t充电+t放电)=1/[C(R4+2R2)ln2)];

本系统将变化电容转换成与之对应的信号频率,通过SPCE061A16位单片机测量信号频率,并转换成对应的电容值,然后通过查表得到实际测量的湿度值。表1给出了其中的一组典型湿度与频率对应的测试值。

表1 空气湿度与电压频率的典型值

(三)按键电路

本系统直接使用SPCE061A精简开发板上的按键,用以实现:1)控制启动湿度测量;2)控制LED显示(相对湿度和绝对湿度);3)功能调试键。61板上按键电路如图4所示。

(四)LED显示模块

在本系统中,湿度计要进行信息的实时显示,所以设计了LED显示电路。该电路由串行输入/8位并行输出的移位寄存器(74LS164)、显示器(共阴极LED)组成.电路图如图5所示。

图4 按键电路图

图5 LED显示电路图

该显示控制电路中单片机串行口工作方式为0,即为8位移位寄存器,TXD为同步信号输出端,RXD为串行数据输出端,选用在串行口接串行输入/8位并行输出的移位寄存器74LS164来驱动LED显示器。由于74LS164在低电平输出时,允许通过的电流可达8mA,故不需要再加驱动电路。

三、结语

湿度测量由于受温度、大气压的影响比较大,测量比较困难。而对于电容式湿度传感器来说,由于测量电容本身非常复杂,使整个测量过程更加困难。本系统通过于SPCE061A16位单片机及其各种接口电路来实现湿度的检测,达到了预期的目标,在测量工作温度:0～70℃,工作湿度:0～100%RH时,测量范围为1%～99%RH,精度可达±5RH%。

[1]李晓白.凌阳16位单片机C语言开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[2]张培仁,张志坚,高修峰.十六位单片微处理器原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]雷思孝,李伯成,雷向莉.单片机原理及实用技术:凌阳16位单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[4]刘海成,秦进平,韩喜春.MCU-DSP型单片机原理与应用——基于凌阳16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

2009-12-29

田庆华(1977-),男,湖南麻阳人,讲师。