1 引言

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門(mén)，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制。對(duì)環(huán)境溫、濕度的控制以及對(duì)工業(yè)材料水份值的監(jiān)測(cè)與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一，但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜得多，溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強(qiáng)、溫度）的影響。此外，濕度的校準(zhǔn)也是一個(gè)難題。目前，人們探測(cè)的濕度測(cè)量從原理上有二、三十種之多。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(cè)量于90年代也隨之興起，并在后面這些時(shí)間內(nèi)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。該方案就是利用電子式傳感器配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有語(yǔ)音功能人性化的測(cè)濕儀。

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

本方案系統(tǒng)的主要參數(shù)：

工作溫度：0～70℃；

工作濕度：0～100%RH；

測(cè)量范圍：1%～99%RH；

精度：±5RH%。

1.2 功能簡(jiǎn)介

本方案可以實(shí)現(xiàn)：

按鍵控制啟動(dòng)濕度測(cè)量；

語(yǔ)音播放測(cè)量濕度值；

濕度判斷，并有溫馨提示語(yǔ)，當(dāng)濕度太高時(shí)，播放“潮濕，請(qǐng)打開(kāi)除濕機(jī)”，濕度太低時(shí)，播放“太干，請(qǐng)打開(kāi)加濕器”。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于濕度測(cè)量?jī)x，除了具有一個(gè)控制器控制測(cè)量外，還需要測(cè)量器。本系統(tǒng)中采用SPCE061A作為控制器，電容式濕度傳感器HS1101作為測(cè)量器，利用一個(gè)按鍵來(lái)啟動(dòng)濕度測(cè)量和語(yǔ)音播放。由于電容不能直接和SPCE061A的I/O口連接進(jìn)行測(cè)量，所以需要一個(gè)電路模塊，與SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4，IOB3、IOB5連接，實(shí)現(xiàn)從電容到頻率的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1。

圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

SPCE061A單片機(jī)作為主控芯片，根據(jù)讀到的鍵值判斷是否啟動(dòng)測(cè)量，測(cè)量時(shí)負(fù)責(zé)讀取Feedback電路的工作頻率，根據(jù)頻率計(jì)算HS1101的電容和它所在環(huán)境的濕度，并把濕度通過(guò)喇叭播放出來(lái)。同時(shí)如果濕度值太高或者太低，系統(tǒng)會(huì)播放溫馨提示。

2.1 SPCE061A芯片簡(jiǎn)介

SPCE061A是一款基于 ‘nSP內(nèi)核的16位單片機(jī)，其芯片特性如下：

◆工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD為3.0～3.6V（CPU），I/O口工作電壓VDDH為VDD～5.5V（I/O）；

◆CPU時(shí)鐘：0.32MHz～49.152MHz；

◆內(nèi)置2K字SRAM和32K閃存ROM；

◆系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電小于2μA@3.6V；

◆具備觸鍵喚醒的功能；

◆32位通用可編程輸入/輸出端口；

◆2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）；

◆7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；

◆2個(gè)10位DAC（數(shù)-模轉(zhuǎn)換）輸出通道；

◆14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A / B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；

◆具備串行設(shè)備接口；

◆低電壓復(fù)位（LVR）功和低電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能；

◆內(nèi)置在線(xiàn)仿真（ICE，In- Circuit Emulator）接口。

SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2所示。

圖 2.2 SPCE061A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 濕度傳感器HS1101

2.2.1 濕度測(cè)量簡(jiǎn)介

1、濕度定義

在計(jì)量法中規(guī)定，濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對(duì)濕度，用RH%表示?？傃灾?，即氣體中（通常為空氣中）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。

2、濕度測(cè)量方法

從測(cè)試的輸出參量上區(qū)分，濕度測(cè)量方法主要分為以下幾類(lèi)：利用物質(zhì)幾何尺寸變化的測(cè)濕法（伸縮法），干濕球法，冷凝露點(diǎn)法，氯化鋰露點(diǎn)法，電濕度測(cè)量法（電阻法、電容法），電解法（庫(kù)侖濕度計(jì)）以及其它測(cè)濕方法。這些測(cè)量方法讀者可以找相關(guān)資料進(jìn)行進(jìn)一步了解，限于篇幅，這里不再贅述。下面重點(diǎn)介紹本系統(tǒng)中用到的電濕度測(cè)量法的特點(diǎn)。

3、電子式濕度傳感器的特點(diǎn)

電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來(lái)的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來(lái)逐支標(biāo)定，電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到2％一3％RH。

在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會(huì)標(biāo)明1次標(biāo)定的有效使用時(shí)間為1年或2年，到期需重新標(biāo)定。

電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長(zhǎng)期穩(wěn)定性去判斷，一般說(shuō)來(lái)，電子式濕度傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命都不是很好。

濕度傳感器是采用半導(dǎo)體技術(shù)，因此對(duì)使用的環(huán)境溫度有要求，超過(guò)其規(guī)定的使用溫度將對(duì)傳感器造成損壞。

所以電子式濕度傳感器測(cè)濕方法更適合于在潔凈及常溫的場(chǎng)合使用。

電子式濕度傳感器主要有電容式和電阻式兩種。

電容式濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快、體積小、線(xiàn)性度好、較穩(wěn)定，國(guó)外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達(dá)到上述性能的產(chǎn)品多為國(guó)外名牌，價(jià)格都較昂貴。市場(chǎng)上出售的一些電容式濕敏元件低價(jià)產(chǎn)品，往往達(dá)不到上述水平，線(xiàn)性度、一致性和重復(fù)性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感濕段變形嚴(yán)重。有些產(chǎn)品采用單片機(jī)補(bǔ)償修正，使?jié)穸瘸霈F(xiàn)“階躍”性的跳躍，使精度降低，出現(xiàn)一致性差、線(xiàn)性差的缺點(diǎn)。無(wú)論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長(zhǎng)期使用漂移嚴(yán)重，濕敏電容容值變化為pF級(jí)，1%RH的變化不足0.5pF，容值的漂移改變往往引起幾十%RH的誤差，大多數(shù)電容式濕敏元件不具備40℃以上溫度下工作的性能，往往失效和損壞。

本系統(tǒng)中我們使用電容式濕度傳感器HS1101，這顆傳感器比較常見(jiàn)，適用于一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。

2.2.2 HS1101簡(jiǎn)介

1、基本參數(shù)

如圖 2.3。如果沒(méi)有特別標(biāo)注，默認(rèn)下圖的測(cè)量溫度Tα=25℃，測(cè)量時(shí)HS1101工作頻率為10KHz。

圖 2.3 HS1101參數(shù)圖

2、特性曲線(xiàn)

如圖 2.4。測(cè)量溫度Tα=25℃，測(cè)量時(shí)HS1101工作頻率為10KHz。

圖 2.4 HS1101特性曲線(xiàn)

2.3 硬件電路

2.3.1 SPCE061A最小系統(tǒng)

本方案使用SPCE061A精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板（61板）作為單片機(jī)最小系統(tǒng)。61板包括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，如下圖所示。

圖 2.5 SPCE061A最小系統(tǒng)

2.3.2 電容式濕度傳感器HS1101電路模塊

由于濕度傳感器HS1101是電容式的，所以要想辦法測(cè)量得到它的電容，利用單片機(jī)沒(méi)有辦法直接讀到，但是利用SPCE061A的Feedback功能可以測(cè)得HS1101所在RC電路的工作頻率，這樣就可以計(jì)算得到它的電容。

為了減小誤差，利用一個(gè)固定電容和一個(gè)電阻構(gòu)成另一個(gè)Feedback電路，作為濕度傳感器HS1101的基準(zhǔn)。

如圖 2.6：根據(jù)圖 2.3中的參數(shù)，為了使?jié)穸葌鞲衅鱄S1101的工作頻率盡量接近10KHz，選擇一個(gè)620KΩ的電阻和HS1101形成Feedback1；390pF的電容作為基準(zhǔn)，和另外一個(gè)620KΩ電阻形成Feedback2。

圖 2.6 電容式濕度傳感器電路模塊電路

2.3.3 按鍵電路

本系統(tǒng)直接使用SPCE061A精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板上的按鍵，61板上按鍵電路如圖 2.7。

圖 2.7 61板按鍵電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本方案的軟件系統(tǒng)包括下面模塊：

按鍵掃描：掃描按鍵，判斷是否有鍵按下，在Key.c文件中實(shí)現(xiàn)；

濕度測(cè)量：端口初始化，測(cè)量濕度并返回濕度值，在Hum_Measure.c文件中實(shí)現(xiàn)；

語(yǔ)音播放任意數(shù)字：播放任意的整數(shù)，本系統(tǒng)中用來(lái)播放濕度值，在PlayVoice.c文件中實(shí)現(xiàn)；

中斷服務(wù)：語(yǔ)音播放中斷服務(wù)程序和IRQ2中斷讀計(jì)數(shù)值程序，在isr.asm文件中定義。

3.1 各模塊程序說(shuō)明

3.1.1 主程序

主程序流程如圖 3.1：調(diào)用按鍵掃描程序讀取鍵值，如果是KEY1鍵按下則啟動(dòng)測(cè)量，調(diào)用濕度測(cè)量函數(shù)測(cè)量濕度，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)播放；如果不是KEY1鍵按下，返回繼續(xù)掃描按鍵。

注意：在每次測(cè)量前都會(huì)關(guān)斷快速中斷FIQ，這是因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中用到了定時(shí)/計(jì)數(shù)器TimerA，而在語(yǔ)音播放時(shí)打開(kāi)了FIQ中斷，所以在測(cè)量前需先關(guān)閉，以免在測(cè)量過(guò)程中CPU一直相應(yīng)FIQ中斷，造成不必要的麻煩。

圖 3.1 主程序流程圖

3.1.2 按鍵掃描模塊

本系統(tǒng)中只用到了一個(gè)按鍵--61板上的KEY1鍵，這個(gè)鍵和IOA0連接。按鍵掃描程序流程如圖 3.2所示。利用延時(shí)去抖的方法，先取一次端口數(shù)據(jù)，延時(shí)一段時(shí)間，一般延時(shí)幾十ms即可，再取一次端口數(shù)據(jù)，如果二者相同，說(shuō)明取到了正確的鍵值。

圖 3.2 按鍵掃描程序流程圖

3.1.3 濕度測(cè)量程序流程圖

濕度測(cè)量程序流程如圖 3.3，為了減少誤差，確保測(cè)量的正確性，測(cè)量四次，去掉一個(gè)最高值和一個(gè)最低值，如果中間兩個(gè)數(shù)相差不大于10，則中間兩個(gè)數(shù)的平均值就是測(cè)量的最終數(shù)據(jù)，程序中這個(gè)數(shù)據(jù)為T(mén)imerA的計(jì)數(shù)值。

由于用Feedback功能測(cè)量傳感器的電容，如圖 2.6。事實(shí)上利用Feedback功能直接能測(cè)到傳感器工作的頻率，根據(jù)這個(gè)頻率來(lái)才能計(jì)算傳感器的電容值。

測(cè)量傳感器工作頻率的方法：利用TimeB作為定時(shí)器，TimeA作為計(jì)數(shù)器；根據(jù)TimeB定時(shí)時(shí)間內(nèi)TimeA計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)得傳感器的工作頻率。

圖 3.3 濕度測(cè)量程序流程圖

3.1.4 語(yǔ)音播放任意整數(shù)數(shù)據(jù)程序

語(yǔ)音播放任意三位整數(shù)程序流程如圖 3.4。這個(gè)程序可以定義形式參數(shù)來(lái)傳遞任意三位數(shù)。先計(jì)算這個(gè)數(shù)據(jù)的百、十、個(gè)位，再分別進(jìn)行播放，播放的流程如下：

圖 3.4 語(yǔ)音播放任意三位數(shù)流程圖

3.1.5 中斷服務(wù)程序流程圖

FIQ的中斷服務(wù)程序如圖 3.5。FIQ中斷服務(wù)程序主要功能是調(diào)用F_FIQ_Service_SACM_S480函數(shù)解碼并輸出。

IRQ2中斷服務(wù)程序如圖 3.6。IRQ2中斷服務(wù)程序有兩個(gè)功能：一是保存TimerA的計(jì)數(shù)值；二是為了配合濕度測(cè)量函數(shù)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間溢出標(biāo)志，如果進(jìn)入這個(gè)中斷服務(wù)程序，說(shuō)明定時(shí)溢出。

圖 3.6 IRQ2中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

濕度測(cè)量本身比溫度測(cè)量復(fù)雜的多，主要是由于濕度受溫度、大氣壓的影響。對(duì)于電容式濕度傳感器來(lái)說(shuō)，更是難上加難，因?yàn)闇y(cè)量電容本身也是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。SPCE061A的Feedback功能給這種測(cè)量提供了很大的方便，利用固定電阻和電容式濕度傳感器形成RC振蕩電路，接在Feedback的輸入和輸出端，這樣通過(guò)測(cè)量頻率，很容易就能得到電容式濕度傳感器的電容，根據(jù)標(biāo)定值就可以得到測(cè)量濕度。

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