帶語音功能的溫濕度測量儀設計

引言

溫度和濕度是標定環(huán)境不可缺少的參數(shù)，在蔬菜大棚、糧食倉庫等許多場合，對溫、濕度的要求非常嚴格，因此對環(huán)境溫、濕度參數(shù)的實時檢測提出了更高的要求，溫濕度測試系統(tǒng)[1]在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應用也越來越廣泛。本文介紹的溫濕度測量儀利用凌陽16位單片機SPCE061A作為控制中心，配合電容式濕度傳感器HS1101和一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)，具有實時顯示和語音提示功能。

1、系統(tǒng)工作原理及硬件設計

1.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

溫濕度測量儀主要包括兩個部分：溫度測量和濕度測量。其基本構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)利用凌陽16位單片機SPCE061A作為系統(tǒng)的控制中心，采用電容式濕度傳感器HS1101和一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，將測量到的溫度值和濕度值送入單片機中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，進行實時顯示，并通過按鍵控制測量結(jié)果的語音播放。

1.2 SPCE061A單片機

SPCE061A單片機是凌陽公司以16位微處理器μ’NSPTM為核心生產(chǎn)的一種16位微控制器，其時鐘頻率范圍為0.32MHZ～49.125MHZ，具有較高的處理速度，能快捷的處理各種復雜的數(shù)字信號，它內(nèi)置2K的RAM和32K的內(nèi)存FLASH，具有14個中斷源，32位可編程的并行I/O口，兩個16位可編程定時器/計數(shù)器，7通道10位A/D轉(zhuǎn)換器和單通道聲音A/D轉(zhuǎn)換器，雙通道10位D/A轉(zhuǎn)換器和可編程音頻處理，具有較強的語音處理功能[2]。

1.3 溫度測量

溫度傳感器選擇DALLAS公司生產(chǎn)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55℃～+125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

由于DS18B20只有一個串行通信接口，與單片機的連接電路非常簡單，只需和單片機的一個I/O端口連接即可，本系統(tǒng)選擇了IOB7端口，其連接電路圖如圖2所示。DS18B20的I/O口屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下呈高電平。該器件內(nèi)含寄生電源，其供電方式可以選擇寄生電源方式，也可以選用外部電源[3]。為方便起見，采用外部電源供電。

1.4 濕度測量

濕度是指空氣中水蒸氣的含量，其表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點等。日常生活中所指的濕度是相對濕度，即空氣中所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比，用%RH表示[3]。

電容式濕度傳感器HS1101具有檢測速度快、高精度、高可靠性、長期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點，適用于一些對精度要求不高的場合。在不同的相對濕度中傳感器的電容值不同，單片機不能直接讀電容值，需要外接測量電路。電容式傳感器的測量電路有電壓輸出式和頻率輸出式兩種，考慮到單片機內(nèi)有兩個定時/計數(shù)器，測量頻率比較方便，選用頻率輸出測量電路，如圖3所示。采用555定時器和濕度傳感器HS1101以及一些電阻構(gòu)成多諧振蕩器電路，產(chǎn)生的振蕩頻率由下式計算。

由濕度傳感器HS1101的工作原理知道，測得的頻率值與相對濕度值有關(guān)，關(guān)系如下式：

其中， 為25℃，55%RH時電路的參考頻率。

1.5 顯示及鍵盤

系統(tǒng)采用液晶顯示模塊RT12864M顯示溫度值和濕度值，該模塊有并行和串行兩種連接方式，考慮到傳輸速率，令PSB端接高電平，使用8位并行口進行指令/數(shù)據(jù)傳輸。并行口DB0～DB7與單片機的IOA0～IOA7相連接，使能端E與IOB6連接，指令/數(shù)據(jù)選擇端與IOB4連接，讀/寫選擇端與IOB5連接，另外每個端口都需要外接上拉電阻，如圖4所示。單片機通過IOB4～IOB6對顯示模塊進行控制，按照液晶顯示模塊的讀寫時序編程，使顯示模塊正常顯示溫度值和濕度值。

系統(tǒng)的語音提示功能利用按鍵來控制，連接電路簡單，按鍵一端接上拉電阻，另一端與單片機IOB3相連，按下鍵時，IOB3端口輸入為高電平。

2、系統(tǒng)軟件設計

凌陽單片機支持C語言與匯編語言之間的相互調(diào)用,為提高程序的可讀性與移植性,同時也便于調(diào)試，采用模塊化的方法編寫程序。系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度測量子程序、濕度測量子程序、鍵盤掃描子程序、中斷子程序、語音播放子程序。在主程序中依次調(diào)用這些子程序，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主程序流程圖見圖5。

在主程序中，首先要對單片機端口進行初始化，將IOA端口設置為高電平輸出，IOB端口設置為低電平輸出。然后分別調(diào)用測量溫度子程序和測量濕度子程序，完成測量和顯示大約需要1秒鐘的時間，然后再掃描鍵盤，判斷是否進行語音播放。因為單片機內(nèi)的看門狗計數(shù)器每0.75s的時間內(nèi)會使系統(tǒng)自動復位，為防止該情況發(fā)生，需要在0.75s內(nèi)將看門狗清零。

溫度測量子程序首先對DS18B20初始化，如果計算機檢測到單總線上有DS18B20器件存在，就發(fā)出跳過ROM命令(CCH)。當該命令被成功執(zhí)行后，主機發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令(44H)。延時一段時間，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，再重新初始化，跳過ROM命令，然后主機發(fā)出讀存儲器命令(BEH)，得到溫度數(shù)據(jù)。為了縮短傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時間，將傳感器的分辨率改為9位(出廠時默認分辨率為12位)，這樣溫度轉(zhuǎn)換時間97.5ms，精度0.5℃。