基于HMS87C1408B的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀

l 引言
在收購籽棉、菜籽和糧食時，通常需要測試它們的含水量或回潮率用于評定它們的等級。含水量的測量有烘箱法和阻抗法兩種方式。烘箱法雖然準確性好，但耗時長，不適宜作為實時測量。本文介紹的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀采用測量阻抗或電導的方法來得到被測物的含水量。即用兩根固定距離的電極插入到被測物中，將兩根電極之間的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓，然后通過查表即可獲得被測物的水分，并經(jīng)溫度補償?shù)纫幌盗刑幚韺⒔Y(jié)果顯示在液晶屏上。籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀用HMS87C1408B作為主控芯片，外接阻抗變換器和語音電路，可以實時測試籽棉、菜籽和糧食(包括稻谷、玉米、小麥)的水分或回潮率，并提供全程語音提示和語音報數(shù)。

2 HMS87C1408B的特點
HMS87C1408B的主要參數(shù)和性能如下：
8KB OTPROM，192字節(jié)片上RAM(包括堆棧)；
在8 MHz下，指令周期為O.25 μs；
工作電壓2.5 V～5.5 V；
8位雙向多功能I/O口，可直接驅(qū)動LED；
8路8位A/D轉(zhuǎn)換器；
1個8位時間間隔定時器；
4個8位定時/計數(shù)器；
2個10位高速PWM；
看門狗定時器；
1個8位SPI串行接口；
12個中斷源；
1個可編程蜂鳴器驅(qū)動口；
支持省電模式STOP；
可選RC振蕩器。
HMS87C1408B的4個定時器/計數(shù)器不僅可以作為4個8位的定時器/計數(shù)器，通過對定時方式寄存器TM0、TMl和TM2、TM3有關(guān)位的設(shè)置還可以使它們工作在7種其他定時方式，對T0和T1有：
8位計數(shù)器和8位捕捉方式；8位捕捉方式和8位比較輸出方式；8位定時/計數(shù)和10位PWM方式；16位定時器方式；16位計數(shù)器發(fā)生；16位捕捉方式；16位比較輸出方式。對T2和T3定時/計數(shù)器也可以組合成以上7種工作方式。
除了T0、Tl、T2、T3 4個定時器以外，HMS87C1408B還有一個時間間隔定時器BITR，只要上電后它就一直運行不能停止。它的時鐘源可以是RC振蕩器也可以是主振經(jīng)預置分頻系數(shù)分頻后的信號。只要對CKCTLR寄存器中的BTCL位進行置1操作，就可以使BITR清零并重新向上計數(shù)，當計數(shù)到FF并溢出后便產(chǎn)生BIT中斷。它可以在STOP方式下作為片內(nèi)喚醒定時器，也可以作為看門狗定時器用或作其他定時器。
HMS87C1408B的12個中斷是4個外部中斷、4個定時中斷、ADC中斷、WDT中斷、BIT中斷和SPI中斷。這些中斷都具有各自的優(yōu)先級，并且中斷可以嵌套。
HMS87C1408B的蜂鳴器輸出功能使得用戶可以選用無源蜂鳴器，它通過對RBFUN和BUR寄存器的設(shè)置使RBl引腳輸出交替變化的方波用于驅(qū)動蜂鳴器。方波的頻率f=fxin/(2x分頻系數(shù)(BUR+1))，分頻系數(shù)和BUR的值均由BUR寄存器確定。
除了片內(nèi)所具有的看門狗電路外，在片電源跌落檢測(PFD)電路是HMS87C1408B的一個獨特之處。對PFDR寄存器進行適當?shù)脑O(shè)置，若Vdd電壓下降至2.5 V～3.5 V，或在2.O V～3.0 V的范圍內(nèi)持續(xù)時間超過50 ms，該電源跌落檢測電路便使MCU復位。跌落電平是在OTP編程時由CONFIG寄存器的PFD位決定的。這一特點提高了HMS87C1404的抗干擾和抗死機能力。
HMS87C1408B的指令系統(tǒng)類似于Motorola的指令系統(tǒng)，它共有202條指令。指令系統(tǒng)的功能極為豐富，使用方便。它不但包括了乘法和除法指令，還具有7條16位運算操作比較指令(ADDW dp、CMPW dp、DECW dp、INCW dp、LDYA dp、STYAdD、SUBW dp)。大大簡化了一些復雜和多字節(jié)的運算和操作編程，提高了編程的效率。

3 綜合測試儀的系統(tǒng)設(shè)計
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

阻抗變換器將兩根電極之間的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓送至HMS87C1408B進行A/D轉(zhuǎn)換，HMS87C-1408B將轉(zhuǎn)換值進行處理后送LCD顯示，并由語音電路輸出報數(shù)信息或超標提示。由于測試儀常常需要在室外陽光下和傍晚時操作，因此可用自動背光控制電路自動調(diào)節(jié)LCD顯示的亮度。自動背光通過光敏電阻感應(yīng)外界環(huán)境的光照度，并將其轉(zhuǎn)換成電壓直接去控制背光源的電流，實現(xiàn)自動背光控制。按鍵用于設(shè)置待測試物的種類或品種、選擇語音提示或語音報數(shù)的方式、超標閾值、因為溫度變化需要修正的值以及通過按鍵來顯示平均值等等。電源電路用于將6 V的電池電壓轉(zhuǎn)換成3.9 V的系統(tǒng)供電，當電池電壓下降到4.5 V時，由低電壓檢測電路檢測并提供電平轉(zhuǎn)換信號給主控芯片，由主控芯片通過語音電路播出“請更換電池”語音。

4 阻抗變換器
阻抗變換器電路是本系統(tǒng)的一個重要電路，它的性能關(guān)系到測試數(shù)據(jù)的精度和測試數(shù)據(jù)的有效范圍。本系統(tǒng)選擇單電源供電、低漂移、高阻運算放大器TLC27L2B結(jié)合外圍電阻構(gòu)成阻抗變換器電路。TLC27L2B的輸入阻抗高達1012 Ω，而被測物籽棉、菜籽和糧食(包括稻谷、玉米、小麥)的阻抗范圍在幾百KΩ到10 GΩ，所以，TLC27L2B適合用作阻抗變換器，并且其功耗極低。阻抗變換器電路如圖2。它實際上是一個電壓跟隨器電路。電壓跟隨器具有高阻輸入低阻輸出的特點，它的增益為：

Rc、Rd分別是運放的差分輸入電阻和共模輸入電阻；K是運放的開環(huán)增益。
輸出電壓：

Rm為被測阻抗，當電子開關(guān)Kd閉合時R12=R1//R2，當Kd打開時R12=R1。Kd用于調(diào)節(jié)被測阻抗的范圍。當R1選擇30 MΩ時，被測阻抗可高達lO GΩ。Usc經(jīng)分壓后送主控芯片作A/D轉(zhuǎn)換可得到含水量。

5 軟件驅(qū)動LCD
綜合測試儀要求低成本和小體積。本系統(tǒng)通過軟件由主控芯片直接驅(qū)動LCD，省掉了LCD驅(qū)動芯片。由于LCD必須交流驅(qū)動，所以必須在LCD的每一個段上產(chǎn)生交替變化的正向和反向驅(qū)動電壓。綜合測試儀的LCD有三位數(shù)字顯示，共有8x3=24個顯示段。被配置成4個com和6個seg用于動態(tài)掃描。
圖3通過coml與segl、com2與segl的輸入來說明對應(yīng)的顯示段是否被顯示。如果希望coml與segl對應(yīng)的顯示段點亮，而com2與segl對應(yīng)的顯示段熄滅，則coml與segl應(yīng)有相反的輸出電平，反之com2與segl應(yīng)有相同的輸出電平。合成的波形如圖3的第三行。LCD顯示的閥值應(yīng)設(shè)置略微大于Vdd/2，用于減少或消除可能出現(xiàn)的鬼影。com口l/2電平由主控芯片將I/O口設(shè)置成輸入口，由外接上拉和下拉電阻分壓而產(chǎn)生。

6 語音電路
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀提供全程語音提示和語音報數(shù)。選用具有32段語音存儲能力的AP8842用作語音報數(shù)。由于需要播報的語音比較多，因此，必須將所有需要播報的語音分解成32個獨立的語音段存儲在AP8842語音電路中，需要播報的時候再將有關(guān)的語音段逐一連接起來形成句子。例如：“籽棉”“含水”“二”“十”“一”“點”“五”由7個獨立的語音段合成。通過這種方法，使可能播報的句子大大超過了32句。
AP8842語音電路某個語音段的調(diào)用是通過一個5位的地址(S1～S5)線和一個STB線來實現(xiàn)的。當5位的地址線輸出穩(wěn)定后，STB由低到高上跳變時，該5位地址對應(yīng)的語音段信號即通過COUT腳輸出放大后送喇叭播報。當這一段語音播報完后，如果需要的話，緊跟著輸出另一個5位的地址和一個STB播下一段語音。其輸入調(diào)用和輸出波形的對應(yīng)關(guān)系見圖4。

7 結(jié)束語
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀使用HMS87C1408B作為主控芯片，將阻抗變換器輸出的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換和相關(guān)處理后將含水率顯示在LCD上，并通過語音電路播報相應(yīng)的信息。其含水率精確到O.1％，性能穩(wěn)定，重復性好，可測試的品種也比較多，受到用戶的歡迎。