《毕业论文 语音测湿仪设计》

PAGE23PAGEI摘要:湿度测量在我们的生活及生产中扮演着越来越重要的角色,适当的湿度不但能让人们的生活更加舒适,也是生产优质产品的重要保障,而良好的湿度测量仪器则是实现这一目标的手段。本文介绍了以凌阳16位单片机SPCE061A为控制中心,配合LCD501液晶模组及HS1101电容式湿度传感器,通过SPCE061A的Feedback功能构成RC反馈振荡电路,利用一个按键来启动湿度测量和语音播放。由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4、IOB3、IOB5连接实现从电容到频率的转换，完成湿度传感器从电容到频率的转换,从而实现了湿度的测量。且当湿度值高于或低于设定值时有提示功能,利用按键可控制湿度值的播放及若干湿度值的存储。该设计具有硬件电路相对简单、体积小、可靠性高、发音时间快、受环境影响小、容易读取、价格低廉等特点。关键词：SPCE061A

传感器

湿度

HS1101

FeedbackAbstract：Humiditymeasurementinourlifeandproductionplaysamoreandmoreimportantrole,appropriatehumiditycannotonlyletpeople'slifemorecomfortable,butalsoanimportantguaranteeofproducingqualityproductsandgoodhumiditymeasuringinstrumentisthemeanstoachievingthisgoal.ThispaperintroducesthesunplusSPCE061Awith16-bitsinglechipforcontrolcenter,withLCD501LCDmoduleandHS1101capacitivemoisturesensor,throughtheSPCE061AFeedbackfunctionconstituteRCFeedbackoscillatingcircuit,completehumiditysensorstofrequencyconversionfromcapacitance,thusfulfillingthehumiditymeasurement.Andwhenhumidityvalueaboveorbelowthesetting,usingthekeyshavepromptfunctionscanbecontrolledhumidityvalueplayandcertainhumidityvalueofstorage.Thisdesignhasthehardwarecircuitwasrelativelysimple,smallsize,highreliability,pronunciationtimequick,environmentalinfluencesaresmallandeasytoread,cheapprice,etcKeywords:HS1101SPCE061AsensorhumidityFeedback 目录1绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外研究现状 21.3本课题的研究内容和方法………………….…31.3.1研究内容1.3.2设计方法2系统硬件设计 52.1湿度及其测量方法…………52.1.1、湿度定义2.1.2、湿度测量方法2.1.3、电子式湿度传感器的特点2.2HS1101简介……………82.2.基本参数……………………82.2.2、特性曲线……………………92.2.3.电容式湿度传感器HS1101电路模块2.3SPCE061A芯片简介 112.4

SPCE061A最小系统 122.5SPLC501液晶显示模组2.5.1主要功能与基本参数2.5.2SPLC501驱动控制器芯片2.5.3字模提取工具DMTool2.5.4SPLC501液晶显示模组电路原理图2.7系统总电路图3系统软件设计 133.1主程序流程 133.2按键扫描模块 143.3湿度测量程序流程 153.4液晶显示模块 163.5语音播放任意整数数据程序 173.6中断服务程序流程图 184结语 20参考文献 21致谢 221绪论在日常生活及科学研究中,常需要对环境温湿度等进行测量及控制,在常规的环境参数中,因为湿度往往受其他因素(如大气压强、温度等)的影响是较难准确测量的一个参数。随着科技的发展和对湿度认识的不断深入,湿度的测量技术和测量方法取得了飞速的发展,电子式湿度传感器及湿度测量技术也随之兴起,并取得了长足的发展。电容式相对湿度传感器是气候、过程湿度检测的主流、并能检测全湿度范围,具有较好的温度特性,经常不用温度补偿就能测量较宽温度范围相对湿度。本系统就是利用电容式湿度传感器配合凌阳单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。1.1课题背景及意义湿度有绝对湿度、相对湿度、露点等多种表示方式。绝对湿度是单位体积空气中所含水蒸气的质量。一般用1立方米空气中所含水蒸气的克数来表示。对于干燥过程的控制热平衡的调整等，都必须了解绝对湿度。相对湿度为空气中实际所含水蒸气的密度与同温度下饱和水蒸气的百分比。它是一个无量纲的数。空气在一定温度时只能吸收一定的水汽，空气中的水蒸气达到饱和状态时的温度叫露点温度。湿度的测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要，为此，人们研制了各种湿度传感器。湿度按其测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等。湿润的空气才能保持生机盎然。为防止家具、木质装修、书籍或乐器老化、变形甚至干裂的情况发生，储存以上物品时室内湿度应保持在45%~55%RH之间，而冬季北方家庭室内湿度仅为10%~15%RH，干燥使我们可能带上2000~7000伏的高压静电，由于家用和办公电器的普及，静电更是无处不在。严重的静电会使人心情烦躁、头晕胸闷、鼻喉不适。只有有效的检测空气湿度后才能运用相应的方法调节空气湿度、有效消除静电、创造森林、海滨般清新的空气。可见空气湿度的检测对于我们身心健康和工作学习的重要性。湿度监测在人们现实生活生产中应用日益广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、建筑、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对湿度的要求非常严格，因此能否有效的对这些领域的湿度进行实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。语音湿度计系统是一个典型的单片机系统，了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统，以便将其更加广泛的应用。利用SPCE061A的Feedback功能给这种测量提供了很大的方便，利用固定电阻和电容式湿度传感器形成RC振荡电路，接在Feedback的输入和输出端，这样通过测量频率，很容易就能得到电容式湿度传感器的电容，根据标定值就可以得到测量湿度。该设计具有硬件电路相对简单、体积小、可靠性高、发音时间快、受环境影响小、容易读取、价格低廉等特点。1.2国内外研究现状湿度测量在我们的生活及生产中扮演着越来越重要的角色,适当的湿度不但能让人们的生活更加舒适,也是生产优质产品的重要保障,而良好的湿度测量仪器则是实现这一目标的手段。在分析湿度测量仪器的市场需求、未来发展趋势的同时,我们要清醒地认识到,国内湿度测量仪器产业还面临着艰难的发展道路。作为湿度计的主要组成部分湿度传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投资偏低，科研设备落后，加之我国科研和生产脱机的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展,进而阻碍了湿度计的发展。高分子传感器的研究始于1938年，由美国的达姆在金属丝状电极的上面涂一层聚乙烯醇和氯化锂的混合感湿膜，而研制出的浸涂式氯化锂湿度传感器。此后电解质、有极高分子、各种感湿材料组成的传感器相继出现。自从1978年芬兰Vaisala公司成功研制了Humicap以来，高分子湿度传感器优异性能在国际上获得了越来越多领域的承认，特别是湿度量程宽，响应时间短，湿滞回差小，制作简单，成本低等优点，成为其他湿度传感器激烈的竞争对象，在气象，纺织，集成电路，家用电器，食品加工及蔬菜保鲜等方面得到了广泛的应用。我国从1980年开始研制高分子湿度传感器。随着应用的深入和扩展，我国研制的高分子湿度传感器的某些性能已经得到了很大的提高，有的接近或赶上了国外有的厂家生产的湿度传感器。敏感元件与传统元件的总体趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化。由于湿度是比较难检测的物理量，而且检测湿度时湿度传感器必须直接暴露于待测环境中，因此至今还没制成抗污染，长期稳定可靠的湿度传感器。在今后比较长的一段时间内，开发具有抗污染和长期稳定性好的湿敏传感器仍然是一项重要的研究课题。1.3本课题的研究内容和方法1.3.1研究内容本课题的总体思路是：通过湿度传感器将空气中的湿度值转换为电信号，利用凌阳单片机作为系统的总控模块，凌阳单片机可以把由湿度检测电路检测出的电信号经A/D转换后的数据利用软件计算出湿度，再把数据传输到LED显示模块，实现湿度的显示，并把湿度通过喇叭播放出来。当湿度超出用户设定的范围时，本系统可以自动执行语音报警。1.3.2设计方法对于湿度测量仪，除了具有一个控制器控制测量外，还需要测量器。本系统中采用SPCE061A作为控制器，电容式湿度传感器HS1101作为测量器，利用一个按键来启动湿度测量和语音播放。由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4、IOB3、IOB5连接，实现从电容到频率的转换，系统的结构框图如图。图1.1

系统的结构框图SPCE061A单片机作为主控芯片，根据读到的键值判断是否启动测量，测量时负责读取Feedback电路的工作频率，根据频率计算HS1101的电容和它所在环境的湿度，并把湿度通过喇叭播放出来。2系统硬件设计2.1湿度及其测量方法2.1.在计量法中规定，湿度定义为"物象状态的量"。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。2.1.从测试的输出参量上区分，湿度测量方法主要分为以下几类：利用物质几何尺寸变化的测湿法（伸缩法），干湿球法，冷凝露点法，氯化锂露点法，电湿度测量法（电阻法、电容法），电解法（库仑湿度计）以及其它测湿方法。这些测量方法读者可以找相关资料进行进一步了解，限于篇幅，这里不再赘述。下面重点介绍本系统中用到的电湿度测量法的特点。2.1.3电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2%-3%RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃”性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十%RH的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃本系统中我们使用电容式湿度传感器HS1101，这种传感器比较常见，适用于一些对精度要求不高的场合。2.2HS1101简介2.2.如图2.1。如果没有特别标注，默认下图的测量温度Tα=25℃图2.1

HS1101参数图2.2.如图2.2。测量温度Tα=25℃图2.2

HS1101特性曲线2.2.3.由于湿度传感器HS1101是电容式的，所以要想办法测量得到它的电容，利用单片机没有办法直接读到，但是利用SPCE061A的Feedback功能可以测得HS1101所在RC电路的工作频率，这样就可以计算得到它的电容。为了减小误差，利用一个固定电容和一个电阻构成另一个Feedback电路，作为湿度传感器HS1101的基准。如图2.3。根据图2.1中的参数，为了使湿度传感器HS1101的工作频率尽量接近10KHz，选择一个620KΩ的电阻和HS1101形成Feedback1；390pF的电容作为基准，和另外一个620KΩ电阻形成Feedback2。图2.3电容式湿度传感器电路模块电路2.3SPCE061A芯片简介

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的’nSP(TM)（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称’nSP(TM)）。围绕’nSP(TM)所形成的16位’nSP(TM)系列单片机（以下简称’nSP(TM)家族）采用的是模块式集成结构，它以’nSP(TM)内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件nSP(TM)内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本’nSP(TM)家族有以下特点:体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展’nSP(TM)家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。具有较强的中断处理能力’nSP(TM)家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。高性能价格比’nSP(TM)家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，’nSP(TM)的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得’nSP(TM)家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。功能强、效率高的指令系统’nSP(TM)指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。低功耗、低电压’nSP(TM)家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，’nSP(TM)家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。SPCE061A是继’nSP(TM)系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使’nSP(TM)能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以’nSP(TM)为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。性能:16位µ’nSP&8482;微处理器；工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5VCPU时钟：0.32MHz~49.152MHz；内置2K字SRAM；内置32KFLASH：可编程音频处理；晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2µA@3.6V；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。SPCE061A的内部结构框图如图2.4所示。图2.4

SPCE061A内部结构图2.4

SPCE061A最小系统本方案使用SPCE061A精简开发板（61板）作为单片机最小系统。61板包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，如图2.5所示。图2.5

SPCE061A最小系统2.5SPLC501液晶显示模组SPLC501液晶显示模组主要有以下几个主要部件：1.液晶显示器（带驱动、控制器的液晶面板）；2.复位按键；3.电源指示灯；4.模组接口及跳线；注：电源指示灯和背光跳线的位置由于产品批次的不同可能与上面框图所示位置不同。SPLC501液晶显示模组采用GPG12063YS3LCD模块，此模块内嵌SPLC501A芯片，采用先进的COG技术，将芯片嵌在LCD玻璃上，其系统框图如图2.6所示：图2.6液晶显示器系统框图2.5.1主要功能与基本参数SPLC501液晶显示模组为128×64点阵，面板采用STN（SuperTwistedNematic）超扭曲向列技术制成并且由128Segment和64Common组成。模组上的液晶显示器采用凌阳科技的SPLC501芯片作为LCD驱动和控制器，为128×64点阵图形液晶显示器。实物如图2.7所示：图2.7SPLC501液晶显示模组实物图其基本参数为：显示模式：黄色模式STN液晶显示格式：128×64点阵图形液晶显示输入数据：兼容68/80系列MPU数据输入背光：黄绿色LED模块尺寸：72.8（长）×73.6（宽）×9.5（高）mm视屏尺寸：58.84（宽）×35.79(长)mm像素尺寸：0.46（宽）×0.56（长）mm点大小：0.42（宽）×0.51（长）mm特点：接口简单，应用方便，功耗低，且可以完成较多液晶特效功能。该液晶模组可以显示字符、汉字、图形等，且灰度编程可调。2.5.2SPLC501驱动控制器芯片SPLC501液晶显示模组采用的驱动控制芯片为凌阳科技的SPLC501A芯片，SPLC501A为液晶显示控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体，广泛应用于小规模液晶显示模块。SPLC501A单芯片液晶驱动，可以直接与其他微控制器接口总线相连。微控制器可以将显示数据通过8位数据总线或者串行接口写到SPLC501A的显存中。SPLC501A芯片的特点：内置8580位显示RAM，RAM中的一位数据控制液晶屏上的一个像素点的亮、暗状态。“1”亮“0”暗；具有65行驱动输出和132列驱动输出（模组中的液晶显示面板仅为64行、128列）；可以直接与80系列和68系列微处理器相连；内置晶振电路，也可以外接晶振；工作温度范围为-40摄氏度～+85摄氏度。2.5.3字模提取工具DMTool如图2.8所示，利用液晶显示汉字或字母时，只需要用该DMTool字模提取工具将汉字或字母输入，该工具可生成对应该汉字或字母的.c文件和.h文件。DM（DotMatrix）Tool工具是BMP图像和字符编辑、字模数据生成工具。DMTool工具的主要功能如下：字符（汉字、ASCII码）导入；字符（汉字、ASCII码）编辑；单色BMP图像（小于或等于240×240点）导入；单色BMP图像编辑；图像、字符和字模数据生成（单个字点阵支持16×16和12×12两种）；字模数据文件导出。图2.8字模提取工具2.5图2.9SPLC501液晶显示模组电路原理图SPLC501液晶显示模组中，接口引脚：“+”、“V3”分别为电源输入端和高电平引针（供时序选择跳线用），而“-”、“GND”CS1：片选，低有效RES：复位脚AO：数据命令选择脚R/W：对于6800系列MPU的读写信号（R/W）对于8080系列MPU的写信号（W/R）EP：对于6800系列MPU的时钟信号使能脚对于8080系列MPU的读信号（RD）DB0-DB7：8位数据总线VR：端口输出电压C86：C86=’H’选择6800MPU系列C86=’L’选择8080MPU系列PS：串、并行时序选择2.6凌阳语音处理模组凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种：SACM-A2000：压缩比为8:1，8:1.25，8:1.5SACM-S480：压缩比为80:3，80:4.5SACM-S240：压缩比为80:1.5按音质排序：A2000>S480>S240，利用CompressTool工具可单个或批量对wav文件进行不同形式压缩。凌阳SPCE061A具有DSP功能，有很强大的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32k闪存，事先把所需要的语音信号用凌阳CompressTool工具录制好，本系统共包括十多个语音资源，整个语音信号经凌阳SACM＿S480压缩算法压缩只占用较少的存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经SPY003音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图2.6（只列出了DAC1、DAC2类似）。在DAC1、DAC2后面接仪的简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。图2.10音频放大电路电路中的SPY003放大倍数被固定为20倍。音量的大小可以通过电位器调整。SPY003也是凌阳公司的产品。和LM386相比，SPY003还是比较有优势的，比如LM386工作电压需在4V以上，SPY003仅需2.4V即可工作（两节电池即可工作）；LM386输出功率199mw以下，SPY003约700mw。2.7系统总电路图图2.113系统软件设计本方案的软件系统包括下面模块：按键扫描：扫描按键，判断是否有键按下，在Key.c文件中实现；湿度测量：端口初始化，测量湿度并返回湿度值，在Hum_Measure.c文件中实现；语音播放任意数字：播放任意的整数，本系统中用来播放湿度值，在PlayVoice.c文件中实现；中断服务：语音播放中断服务程序和IRQ2中断读计数值程序，在isr.asm文件中定义。3.1主程序流程主程序流程如图3.1。调用按键扫描程序读取键值，如果是KEY1键按下则启动测量，调用湿度测量函数测量湿度，并根据测量结果进行相应播放；如果不是KEY1键按下，返回继续扫描按键。注意：在每次测量前都会关断快速中断FIQ，这是因为在测量过程中用到了定时/计数器TimerA，而在语音播放时打开了FIQ中断，所以在测量前需先关闭，以免在测量过程中CPU一直相应FIQ中断，造成不必要的麻烦。图3.1

主程序流程图3.2按键扫描模块本系统中只用到了一个按键--61板上的KEY1键，这个键和IOA0连接。按键扫描程序流程如图3.2所示。利用延时去抖的方法，先取一次端口数据，延时一段时间，一般延时几十ms即可，再取一次端口数据，如果二者相同，说明取到了正确的键值。图3.2

按键扫描程序流程图3.3湿度测量程序流程湿度测量程序流程如图3.3。为了减少误差，确保测量的正确性，测量四次，去掉一个最高值和一个最低值，如果中间两个数相差不大于10，则中间两个数的平均值就是测量的最终数据，程序中这个数据为TimerA的计数值。由于用Feedback功能测量传感器的电容，如图2.6。事实上利用Feedback功能直接能测到传感器工作的频率，根据这个频率来才能计算传感器的电容值。测量传感器工作频率的方法：利用TimeB作为定时器