引言

溫度和濕度是標(biāo)定環(huán)境不可缺少的參數(shù)，在蔬菜大棚、糧食倉(cāng)庫(kù)等許多場(chǎng)合，對(duì)溫、濕度的要求非常嚴(yán)格，因此對(duì)環(huán)境溫、濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)提出了更高的要求，溫濕度測(cè)試系統(tǒng)[1]在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文介紹的溫濕度測(cè)量?jī)x利用凌陽(yáng)16位單片機(jī)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(shí)時(shí)顯示和語(yǔ)音提示功能。

1、系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

溫濕度測(cè)量?jī)x主要包括兩個(gè)部分：溫度測(cè)量和濕度測(cè)量。其基本構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)利用凌陽(yáng)16位單片機(jī)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(cè)量到的溫度值和濕度值送入單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)按鍵控制測(cè)量結(jié)果的語(yǔ)音播放。

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1.2 SPCE061A單片機(jī)

SPCE061A單片機(jī)是凌陽(yáng)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(shí)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(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，它內(nèi)置2K的RAM和32K的內(nèi)存FLASH，具有14個(gè)中斷源，32位可編程的并行I/O口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)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(qiáng)的語(yǔ)音處理功能[2]。

1.3 溫度測(cè)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(cè)量范圍為-55℃～+125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

由于DS18B20只有一個(gè)串行通信接口，與單片機(jī)的連接電路非常簡(jiǎn)單，只需和單片機(jī)的一個(gè)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(kāi)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(jiàn)，采用外部電源供電。

1.4 濕度測(cè)量

濕度是指空氣中水蒸氣的含量，其表示方法有絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等。日常生活中所指的濕度是相對(duì)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(cè)速度快、高精度、高可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點(diǎn)，適用于一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。在不同的相對(duì)濕度中傳感器的電容值不同，單片機(jī)不能直接讀電容值，需要外接測(cè)量電路。電容式傳感器的測(cè)量電路有電壓輸出式和頻率輸出式兩種，考慮到單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，測(cè)量頻率比較方便，選用頻率輸出測(cè)量電路，如圖3所示。采用555定時(shí)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(jì)算。

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

其中， 為25℃，55%RH時(shí)電路的參考頻率。

1.5 顯示及鍵盤(pán)

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(jìn)行指令/數(shù)據(jù)傳輸。并行口DB0～DB7與單片機(jī)的IOA0～I(xiàn)OA7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(xiě)選擇端與IOB5連接，另外每個(gè)端口都需要外接上拉電阻，如圖4所示。單片機(jī)通過(guò)IOB4～I(xiàn)OB6對(duì)顯示模塊進(jìn)行控制，按照液晶顯示模塊的讀寫(xiě)時(shí)序編程，使顯示模塊正常顯示溫度值和濕度值。

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

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

凌陽(yáng)單片機(jī)支持C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言之間的相互調(diào)用,為提高程序的可讀性與移植性,同時(shí)也便于調(diào)試，采用模塊化的方法編寫(xiě)程序。系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度測(cè)量子程序、濕度測(cè)量子程序、鍵盤(pán)掃描子程序、中斷子程序、語(yǔ)音播放子程序。在主程序中依次調(diào)用這些子程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，主程序流程圖見(jiàn)圖5。

在主程序中，首先要對(duì)單片機(jī)端口進(jìn)行初始化，將IOA端口設(shè)置為高電平輸出，IOB端口設(shè)置為低電平輸出。然后分別調(diào)用測(cè)量溫度子程序和測(cè)量濕度子程序，完成測(cè)量和顯示大約需要1秒鐘的時(shí)間，然后再掃描鍵盤(pán)，判斷是否進(jìn)行語(yǔ)音播放。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)的看門(mén)狗計(jì)數(shù)器每0.75s的時(shí)間內(nèi)會(huì)使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，為防止該情況發(fā)生，需要在0.75s內(nèi)將看門(mén)狗清零。

溫度測(cè)量子程序首先對(duì)DS18B20初始化，如果計(jì)算機(jī)檢測(cè)到單總線上有DS18B20器件存在，就發(fā)出跳過(guò)ROM命令(CCH)。當(dāng)該命令被成功執(zhí)行后，主機(jī)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令(44H)。延時(shí)一段時(shí)間，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，再重新初始化，跳過(guò)ROM命令，然后主機(jī)發(fā)出讀存儲(chǔ)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(shí)間，將傳感器的分辨率改為9位(出廠時(shí)默認(rèn)分辨率為12位)，這樣溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間97.5ms，精度0.5℃。

濕度測(cè)量部分采用頻率輸出電路，因此軟件編程時(shí)，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能得到與濕度值有關(guān)的頻率值，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濕度值。單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，利用定時(shí)器TimerB定時(shí)1s，在這段時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器TimerA采用外部中斷源EXT1(下降沿觸發(fā))作為時(shí)鐘源，從0x0000開(kāi)始計(jì)數(shù)，利用定時(shí)中斷，定時(shí)時(shí)間到則進(jìn)入中斷程序，保存計(jì)數(shù)值。執(zhí)行完中斷程序后，停止定時(shí)器定時(shí)和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，此時(shí)保存的計(jì)數(shù)值就是接到IOB2端口的輸出頻率，再根據(jù)頻率與相對(duì)濕度的關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濕度值。

3、語(yǔ)音播放程序設(shè)計(jì)

凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)支持語(yǔ)音播放所要求的硬件和軟件的全部功能。硬件方面：SPCE061A有兩類D/A轉(zhuǎn)換通道，一類是直接采用數(shù)/模轉(zhuǎn)換的DAC方式，另一類是采用脈寬調(diào)制的PWM驅(qū)動(dòng)方式。兩類實(shí)現(xiàn)方式實(shí)質(zhì)都是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。本系統(tǒng)采用雙通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換DAC方式，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，經(jīng)信號(hào)放大后，由揚(yáng)聲器輸出。軟件方面：SPCE061A自帶有多種音頻壓縮算法，可分別實(shí)現(xiàn)高保真音樂(lè)、普通話等語(yǔ)音效果[6]，本系統(tǒng)采用SACM_S480音頻壓縮算法將錄制的語(yǔ)音文件壓縮成凌陽(yáng)音頻格式，語(yǔ)音播放程序調(diào)用語(yǔ)音文件進(jìn)行測(cè)量結(jié)果播報(bào)。

語(yǔ)音播放程序框圖如圖6所示。語(yǔ)音播放程序主要完成D/A轉(zhuǎn)換器、TimerA定時(shí)器和音量的初始化，從ROM里取出預(yù)先壓縮好的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，解壓縮后存放在播放隊(duì)列中，中斷服務(wù)程序定時(shí)地從播放隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，從D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫濕度顯示和播放整數(shù)部分，在程序中分別對(duì)溫度和濕度測(cè)量結(jié)果計(jì)算十位和個(gè)位，判斷十位是否為零，如果十位是零，則直接播放個(gè)位;如果十位不是零，再判斷個(gè)位是否為零，如果個(gè)位是零，則直接返回，播放十位;如果個(gè)位不是零，則播放個(gè)位。

4、測(cè)試結(jié)果及誤差分析

表1是采用本裝置得到的恒溫箱溫度實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)二類水銀溫度計(jì)的測(cè)量溫度值以及誤差。表2是在25℃下室內(nèi)環(huán)境中，通過(guò)空氣加濕器調(diào)節(jié)濕度，采用便攜式露點(diǎn)濕度檢測(cè)儀(精度1% RH)測(cè)量的環(huán)境濕度與本系統(tǒng)測(cè)試的濕度值對(duì)比及誤差。

從表1可以看出，DS18B20的溫度測(cè)量比較穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)中溫度分辨率為0.5℃，如果調(diào)整傳感器的分辨率可將測(cè)溫精度提高到0.1℃。表2的數(shù)據(jù)可以看出，HS1101由于容易受到環(huán)境因素的干擾，誤差控制在5%范圍之內(nèi)，當(dāng)濕度超過(guò)80%時(shí)，由于濕度過(guò)大達(dá)到飽和狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量出濕度。

5、結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的集數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及語(yǔ)音提示一體的便攜式測(cè)量?jī)x，可用于室內(nèi)溫濕度測(cè)量，溫度測(cè)量范圍0～80℃，精度0.5℃;濕度測(cè)量范圍0～80%RH，精度5%RH。溫濕度測(cè)量結(jié)果可通過(guò)液晶模塊實(shí)時(shí)顯示及按鍵控制進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。采用數(shù)字式溫度傳感器、頻率測(cè)量技術(shù)及單片機(jī)智能技術(shù)，本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

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