|
1 引言 工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控制。對環境溫、濕度的控制以及對工業材料水份值的監測與分析都已成為比較普遍的技術條件之一，但在常規的環境參數中，濕度是最難準確測量的一個參數。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的校準也是一個難題。目前，人們探測的濕度測量從原理上有二、三十種之多。隨著20世紀后半期電子業的發展，電子式濕度傳感器產品及濕度測量于90年代也隨之興起，并在后面這些時間內取得了長足的發展。該方案就是利用電子式傳感器配合單片機實現具有語音功能人性化的測濕儀。 1.1 系統參數 本方案系統的主要參數： 工作溫度：0～70℃； 工作濕度：0～100%RH； 測量范圍：1%～99%RH； 精度：±5RH%。 1.2 功能簡介 本方案可以實現： 按鍵控制啟動濕度測量； 語音播放測量濕度值； 濕度判斷，并有溫馨提示語，當濕度太高時，播放"潮濕，請打開除濕機"，濕度太低時，播放"太干，請打開加濕器"。 2 系統硬件設計 對于濕度測量儀，除了具有一個控制器控制測量外，還需要測量器。本系統中采用SPCE061A作為控制器，電容式濕度傳感器HS1101作為測量器，利用一個按鍵來啟動濕度測量和語音播放。由于電容不能直接和SPCE061A的I/O口連接進行測量，所以需要一個電路模塊，與SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4，IOB3、IOB5連接，實現從電容到頻率的轉換，系統的結構框圖如圖 2.1。 圖 2.1 系統結構框圖 SPCE061A單片機作為主控芯片，根據讀到的鍵值判斷是否啟動測量，測量時負責讀取Feedback電路的工作頻率，根據頻率計算HS1101的電容和它所在環境的濕度，并把濕度通過喇叭播放出來。同時如果濕度值太高或者太低，系統會播放溫馨提示。 2.1 SPCE061A芯片簡介 SPCE061A是一款基于 'nSP內核的16位單片機，其芯片特性如下： ◆工作電壓：內核工作電壓VDD為3.0～3.6V(CPU)，I/O口工作電壓VDDH為VDD～5.5V(I/O)； ◆CPU時鐘：0.32MHz～49.152MHz； ◆內置2K字SRAM和32K閃存ROM； ◆系統處于備用狀態下(時鐘處于停止狀態)，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16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)； ◆7通道10位電壓模-數轉換器(ADC)和單通道聲音模-數轉換器； ◆2個10位DAC(數-模轉換)輸出通道； ◆14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒； ◆具備串行設備接口； ◆低電壓復位(LVR)功和低電壓監測(LVD)功能； ◆內置在線仿真(ICE，In- Circuit Emulator)接口。 SPCE061A的內部結構框圖如圖 2.2所示。 圖 2.2 SPCE061A內部結構圖 2.2 濕度傳感器HS1101 2.2.1 濕度測量簡介 1、濕度定義 在計量法中規定，濕度定義為"物象狀態的量"。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用RH%表示。總言之，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、濕度測量方法 從測試的輸出參量上區分，濕度測量方法主要分為以下幾類：利用物質幾何尺寸變化的測濕法（伸縮法），干濕球法，冷凝露點法，氯化鋰露點法，電濕度測量法（電阻法、電容法），電解法（庫侖濕度計）以及其它測濕方法。這些測量方法讀者可以找相關資料進行進一步了解，限于篇幅，這里不再贅述。下面重點介紹本系統中用到的電濕度測量法的特點。 3、電子式濕度傳感器的特點 電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發展起來的。濕度傳感器生產廠在產品出廠前都要采用標準濕度發生器來逐支標定，電子式濕度傳感器的準確度可以達到2％一3％RH。 在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產生老化，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，生產廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年，到期需重新標定。 電子式濕度傳感器的精度水平要結合其長期穩定性去判斷，一般說來，電子式濕度傳感器的長期穩定性和使用壽命都不是很好。 濕度傳感器是采用半導體技術，因此對使用的環境溫度有要求，超過其規定的使用溫度將對傳感器造成損壞。 所以電子式濕度傳感器測濕方法更適合于在潔凈及常溫的場合使用。 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點在于響應速度快、體積小、線性度好、較穩定，國外有些產品還具備高溫工作性能。但是達到上述性能的產品多為國外名牌，價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重復性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感濕段變形嚴重。有些產品采用單片機補償修正，使濕度出現"階躍"性的跳躍，使精度降低，出現一致性差、線性差的缺點。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩定性都不理想，多數長期使用漂移嚴重，濕敏電容容值變化為pF級，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。 本系統中我們使用電容式濕度傳感器HS1101，這顆傳感器比較常見，適用于一些對精度要求不高的場合。 2.2.2 HS1101簡介 1、基本參數 如圖 2.3。如果沒有特別標注，默認下圖的測量溫度Tα=25℃，測量時HS1101工作頻率為10KHz。 圖 2.3 HS1101參數圖 2、特性曲線 如圖 2.4。測量溫度Tα=25℃，測量時HS1101工作頻率為10KHz。 圖 2.4 HS1101特性曲線 2.3.1 SPCE061A最小系統 本方案使用SPCE061A精簡開發板（61板）作為單片機最小系統。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）、鎖相環外圍電路（PLL）、復位電路（RESET）、指示燈（LED）等，如下圖所示。 圖 2.5 SPCE061A最小系統 由于濕度傳感器HS1101是電容式的，所以要想辦法測量得到它的電容，利用單片機沒有辦法直接讀到，但是利用SPCE061A的Feedback功能可以測得HS1101所在RC電路的工作頻率，這樣就可以計算得到它的電容。 為了減小誤差，利用一個固定電容和一個電阻構成另一個Feedback電路，作為濕度傳感器HS1101的基準。 如圖 2.6：根據圖 2.3中的參數，為了使濕度傳感器HS1101的工作頻率盡量接近10KHz，選擇一個620KΩ的電阻和HS1101形成Feedback1；390pF的電容作為基準，和另外一個620KΩ電阻形成Feedback2。 圖 2.6 電容式濕度傳感器電路模塊電路 本系統直接使用SPCE061A精簡開發板上的按鍵，61板上按鍵電路如圖 2.7。 圖 2.7 61板按鍵電路 本方案的軟件系統包括下面模塊： 按鍵掃描：掃描按鍵，判斷是否有鍵按下，在Key.c文件中實現； 濕度測量：端口初始化，測量濕度并返回濕度值，在Hum_Measure.c文件中實現； 語音播放任意數字：播放任意的整數，本系統中用來播放濕度值，在PlayVoice.c文件中實現； 中斷服務：語音播放中斷服務程序和IRQ2中斷讀計數值程序，在isr.asm文件中定義。 3.1 各模塊程序說明 3.1.1 主程序 主程序流程如圖 3.1：調用按鍵掃描程序讀取鍵值，如果是KEY1鍵按下則啟動測量，調用濕度測量函數測量濕度，并根據測量結果進行相應播放；如果不是KEY1鍵按下，返回繼續掃描按鍵。 注意：在每次測量前都會關斷快速中斷FIQ，這是因為在測量過程中用到了定時/計數器TimerA，而在語音播放時打開了FIQ中斷，所以在測量前需先關閉，以免在測量過程中CPU一直相應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 本系統中只用到了一個按鍵--61板上的KEY1鍵，這個鍵和IOA0連接。按鍵掃描程序流程如圖 3.2所示。利用延時去抖的方法，先取一次端口數據，延時一段時間，一般延時幾十ms即可，再取一次端口數據，如果二者相同，說明取到了正確的鍵值。 圖 3.2 按鍵掃描程序流程圖 3.1.3 濕度測量程序流程圖 濕度測量程序流程如圖 3.3，為了減少誤差，確保測量的正確性，測量四次，去掉一個最高值和一個最低值，如果中間兩個數相差不大于10，則中間兩個數的平均值就是測量的最終數據，程序中這個數據為TimerA的計數值。 由于用Feedback功能測量傳感器的電容，如圖 2.6。事實上利用Feedback功能直接能測到傳感器工作的頻率，根據這個頻率來才能計算傳感器的電容值。 測量傳感器工作頻率的方法：利用TimeB作為定時器，TimeA作為計數器；根據TimeB定時時間內TimeA計數的個數來測得傳感器的工作頻率。 圖 3.3 濕度測量程序流程圖 語音播放任意三位整數程序流程如圖 3.4。這個程序可以定義形式參數來傳遞任意三位數。先計算這個數據的百、十、個位，再分別進行播放，播放的流程如下： 圖 3.4 語音播放任意三位數流程圖 3.1.5 中斷服務程序流程圖 FIQ的中斷服務程序如圖 3.5。FIQ中斷服務程序主要功能是調用F_FIQ_Service_SACM_S480函數解碼并輸出。 IRQ2中斷服務程序如圖 3.6。IRQ2中斷服務程序有兩個功能：一是保存TimerA的計數值；二是為了配合濕度測量函數，設置定時時間溢出標志，如果進入這個中斷服務程序，說明定時溢出。 圖 3.6 IRQ2中斷服務程序流程圖 4 結語 濕度測量本身比溫度測量復雜的多，主要是由于濕度受溫度、大氣壓的影響。對于電容式濕度傳感器來說，更是難上加難，因為測量電容本身也是一個非常復雜的過程。SPCE061A的Feedback功能給這種測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，這樣通過測量頻率，很容易就能得到電容式濕度傳感器的電容，根據標定值就可以得到測量濕度。 |
