田慶華

(懷化廣播電視大學,湖南懷化418000)

十六位單片機在語音濕度測試儀中的應用＊

田慶華

(懷化廣播電視大學,湖南懷化418000)

濕度作為一個環(huán)境參量在現(xiàn)代社會經(jīng)常需要進行測量和控制。本文主要以十六位單片機為控制模塊,詳細描述以濕度傳感器HS1101為主對濕度進行探測的硬件設計,利用濕度電容以及頻率之間的對應關系,完成濕度的測量使之達到一定的精度。

濕度;HS1101;十六位單片機

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,濕度難以被準確測量,因為濕度要受其他因素(大氣壓強、溫度)的影響,而且濕度的校準也是一個難題。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90年代也隨之興起,其準確度可以達到2%-3%RH。該方案的設計原理是利用電子式傳感器配合單片機實現(xiàn)具有語音功能人性化的濕度測試儀,來完成濕度測試。

一、語音濕度測試儀設計方案

系統(tǒng)設計方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過于SPCE061A16位單片機及其各種接口電路來實現(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,通過信號檢測和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對應的變化的頻率,單片機對采集到的信號進行濾波處理并通過查表得到實際測量的濕度值,之后通過單片機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,單片機還可與上位機實時通信,一方面接受上位機的各種指令,另一方面,將測得的濕度值傳送到上位機進行保存,分析處理及打印等操作。

上位機為PC機,通過串口與下位機相連。一方面將設定的指令以及人工干預信號發(fā)送給單片機,另一方面,對從單片機接收到的溫度數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚?并將其以曲線的形式顯示出來。

二、系統(tǒng)硬件設計

(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

在設計中選用的濕度傳感器HS1101感知外界濕度的變化,具體設計如圖3所示。

HS1100/HS1101電容傳感器,在電路構成中等效于一個電容器件,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確地轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诮邮盏男盘?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,這樣可直接被控制芯片采集。

集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C,構成了對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充電時間后,Uc達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平,約0.67Vs,此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平,然后通過R2放電,經(jīng)t放電時間后,Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平,約0.33Vs,此時輸出引腳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)換成與之對應的信號頻率,通過SPCE061A16位單片機測量信號頻率,并轉(zhuǎn)換成對應的電容值,然后通過查表得到實際測量的濕度值。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,用以實現(xiàn):1)控制啟動濕度測量;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,濕度計要進行信息的實時顯示,所以設計了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串行口工作方式為0,即為8位移位寄存器,TXD為同步信號輸出端,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LED顯示器。由于74LS164在低電平輸出時,允許通過的電流可達8mA,故不需要再加驅(qū)動電路。

三、結語

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雜,使整個測量過程更加困難。本系統(tǒng)通過于SPCE061A16位單片機及其各種接口電路來實現(xiàn)濕度的檢測,達到了預期的目標,在測量工作溫度:0～70℃,工作濕度:0～100%RH時,測量范圍為1%～99%RH,精度可達±5RH%。

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2009-12-29

田慶華(1977-),男,湖南麻陽人,講師。