基于单片机的语音湿度计的设计

I摘要本文设计并实现了以凌阳16位单片机SPCE061A为控制中心，配合凌阳LCD501液晶模组及电容式湿度传感器HS1101测量湿度的方案。该湿度测量仪具有实时测量、液晶动态显示和语音播报湿度值功能，可以存储五十组湿度值，且当前湿度值过高或过低时有提示功能，利用按键控制湿度值的播放及存储。本方案利用湿度传感器和一个固定电阻串联，与SPCE061A的IOB3和IOB5连接，巧妙利用SPCE061A的FEEDBACK功能，构成RC反馈振荡电器，实现了湿度传感器从电容到频率的转换，SPCE061A读取FEEDBACK电路的工作频率后，又转换成电容值，根据传感器的电容值与湿度关系得到湿度值。关键词湿度测量；SPCE061A；LCD501；HS1101湿度传感；FEEDBACKIIABSTRACTTHISARTICLEISDESIGNEDANDIMPLEMENTEDTOSUNPLUS16BITMCUSPCE061AFORTHECONTROLCENTER,WITHSUNPLUSLCD501LCDMODULESHS1101CAPACITIVEHUMIDITYSENSORANDHUMIDITYMEASUREMENTPROGRAMTHEHUMIDITYMEASURINGINSTRUMENTWITHREALTIMEMEASUREMENT,LCDDISPLAYANDVOICEBROADCASTFUNCTIONOFHUMIDITY,HUMIDITYVALUESCANBESTOREDIN50GROUPS,ANDTHECURRENTVALUEISTOOHIGHORTOOLOWHUMIDITYPROMPTSWHENUSINGTHEPLAYBACKBUTTONSTOCONTROLTHEHUMIDITYVALUEANDSTORAGETHEPROGRAMUSEDHUMIDITYSENSORANDAFIXEDRESISTORINSERIESWITHSPCE061ATHEIOB3ANDIOB5CONNECTION,THECLEVERUSEOFTHEFEEDBACKFUNCTIONSPCE061ACONSTITUTEELECTRICRCFEEDBACKOSCILLATORTOACHIEVEAHUMIDITYSENSORFROMTHECAPACITANCETOFREQUENCYCONVERSION,SPCE061AREADTHEWORKOFFEEDBACKCIRCUITFREQUENCY,THENCONVERTEDTOCAPACITANCE,CAPACITANCEBASEDSENSORSRELATIONSWITHTHEHUMIDITYKEYWORDSHUMIDITYMEASUREMENT；SPCE061A；LCD501；HS1101HUMIDITYSENSOR；FEEDBACKIII目录1引言111系统参数112功能简介12系统硬件设计121SPCE061A芯片简介222SPLC501液晶显示模组323凌阳语音处理模组624湿度传感器HS1101725硬件电路1026系统总电路图133系统软件设计1331主程序流程1332按键扫描模块1433湿度测量程序流程1534液晶显示模块1635语音播放任意整数数据程序1736中断服务程序流程图184结语20参考文献21致谢22基于单片机的语音湿度计11引言工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。目前，人们探测的湿度测量从原理上有二、三十种之多。随着20世纪后半期电子业的发展，电子式湿度传感器产品及湿度测量于90年代也随之兴起，并在后面这些时间内取得了长足的发展。该方案就是利用电子式传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。11系统参数本方案系统的主要参数工作温度070；工作湿度0100RH；测量范围199RH；精度5RH。12功能简介本方案可以实现按键控制启动湿度测量；语音播放测量湿度值；湿度判断，并有温馨提示语，当湿度太高时，播放“潮湿，请打开除湿机”，湿度太低时，播放“太干，请打开加湿器”。2系统硬件设计对于湿度测量仪，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21。基于单片机的语音湿度计2图21系统结构框图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。同时如果湿度值太高或者太低，系统会播放温馨提示。21SPCE061A芯片简介SPCE061A是一款基于NSP内核的16位单片机，其芯片特性如下工作电压内核工作电压VDD为3036VCPU，I/O口工作电压VDDH为VDD55VI/O；CPU时钟032MHZ49152MHZ；内置2K字SRAM和32K闪存ROM；系统处于备用状态下时钟处于停止状态，耗电小于2A36V；具备触键唤醒的功能；32位通用可编程输入/输出端口；2个16位可编程定时器/计数器可自动预置初始计数值；7通道10位电压模数转换器ADC和单通道声音模数转换器；2个10位DAC数模转换输出通道；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；具备串行设备接口；低电压复位LVR功和低电压监测LVD功能；内置在线仿真ICE，INCIRCUITEMULATOR接口。基于单片机的语音湿度计3SPCE061A的内部结构框图如图22所示。图22SPCE061A内部结构图22SPLC501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23所示基于单片机的语音湿度计4图23液晶显示器系统框图221主要功能与基本参数SPLC501液晶显示模组为12864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12864点阵图形液晶显示器。实物如图24所示图24SPLC501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12864点阵图形液晶显示输入数据兼容68/80系列MPU数据输入基于单片机的语音湿度计5背光黄绿色LED模块尺寸728（长）736（宽）95（高）MM视屏尺寸5884（宽）3579长MM像素尺寸046（宽）056（长）MM点大小042（宽）051（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。222SPLC501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。223字模提取工具DMTOOL如图25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240240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1616和1212两种）；字模数据文件导出。基于单片机的语音湿度计6图25字模提取工具23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SACMA2000压缩比为81，8125，815SACMS480压缩比为803，8045SACMS240压缩比为8015按音质排序A2000S480S240，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SACMS480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26（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。基于单片机的语音湿度计7图26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24V即可工作（两节电池即可工作）；LM386输出功率199MW以下，SPY003约700MW。24湿度传感器HS1101241湿度测量简介1、湿度定义在计量法中规定，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、湿度测量方法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基于单片机的语音湿度计8电湿度测量法的特点。3、电子式湿度传感器的特点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23RH。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，30RH以下，80RH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，1RH的变化不足05PF，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以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。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。242HS1101简介1、基本参数如图27。如果没有特别标注，默认下图的测量温度T25，测量时HS1101工作频率为10KHZ。基于单片机的语音湿度计9图27HS1101参数图2、特性曲线如图28。测量温度T25，测量时HS1101工作频率为10KHZ。图28HS1101特性曲线基于单片机的语音湿度计1025硬件电路251SPCE061A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29所示。图29SPCE061A最小系统基于单片机的语音湿度计11252SPLC501液晶显示模组电路原理图图210SPLC501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”都是接地引脚。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）DB0DB78位数据总线基于单片机的语音湿度计12VR端口输出电压C86C86H选择6800MPU系列C86L选择8080MPU系列PS串、并行时序选择253电容式湿度传感器HS1101电路模块由于湿度传感器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211。根据图27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620K的电阻和HS1101形成FEEDBACK1；390PF的电容作为基准，和另外一个620K电阻形成FEEDBACK2。图211电容式湿度传感器电路模块电路254按键电路本系统直接使用SPCE061A精简开发板上的按键，61板上按键电路如图212。图21261板按键电路基于单片机的语音湿度计1326系统总电路图3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KEYC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_MEASUREC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PLAYVOICEC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ISRASM文件中定义。31主程序流程主程序流程如图31。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/基于单片机的语音湿度计14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31主程序流程图32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32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。基于单片机的语音湿度计15图32按键扫描程序流程图33湿度测量程序流程湿度测量程序流程如图33。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26。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，TIMEA作为计数器；根据TIMEB定时时间内TIMEA计数的个数来测得传感器的工作频率。基于单片机的语音湿度计16图33湿度测量程序流程图34液晶显示模块基于5个液晶驱动文件SPLC501DRIVER_IOINC、SPLC501DRIVER_IOASM、DATAOSFORLCDASM、SPLC501USERH、SPLC501USERC。SPLC501DRIVER_IOINC该文件为底层驱动程序的头文件，主要对使用到的寄存器（如端口控制寄存器等）进行定义，还对SPCE061A与SPLC501液晶显示模组的接口进行配置；用户可以根据自已的需求来配置此文件，但要使端口的分配符合实际硬件的接线。基于单片机的语音湿度计17SPLC501DRIVER_IOASM该文件为底层驱动程序，负责与SPLC501液晶显示模组进行数据传输的任务，主要包括端口初始化、写控制指令、写数据、读数据等函数；这些函数仅供SPLC501USERC调用，不建议用户在应用程序中调用这些函数。DATAOSFORLCDASM该文件中提供了一些供API功能函数调用的数据处理子程序，主要完成显示效果的叠加、画圆偏差量的计算等。SPLC501USERH该文件为用户API功能函数文件的头文件，主要对一些记住符进行定义，以及配置LCD的一些设置，另外该文件里还对SPLC501USERC中的函数作了外部声明，用户需要使用LCD的API功能函数时，需要把该文件包含在用户的C文件中，好可调用。SPLC501USERC文件中定义了针对LCD显示的各种API功能函数。将字模工具形成的C和H文件包含到工程里，调用以下函数可完成显示单个汉字或数字VOIDLCD501_BITMAP（UNSINGEDINTX，UNSINGEDINTY，UNSINGEDINTWORD）其中参数X为显示字模的起始列（0128），Y为要显示的字模的起始行（064），WORD为要显示的汉字字模的数据首地址。35语音播放任意整数数据程序语音播放任意三位整数程序流程如图34。这个程序可以定义形式参数来传递任意三位数。先计算这个数据的百、十、个位，再分别进行播放，播放的流程如下基于单片机的语音湿度计18图34语音播放任意三位数流程图36中断服务程序流程图FIQ的中断服务程序如图35。FIQ中断服务程序主要功能是调用F_FIQ_SERVICE_SACM_S480函数解码并输出。IRQ2中断服务程序如图36。IRQ2中断服务程序有两个功能一是保存TIMERA的计数值；二是为了配合湿度测量函数，设置定时时间溢出标志，如果进入这个中断服务程序，说明定时溢出。基于单片机的语音湿度计19图35FIQ中断服务程序流程图图36IRQ2中断服务程序流程图基于单片机的语音湿度计204结语湿度测量本身比温度测量复杂的多，主要是由于湿度受温度、大气压的影响。对于电容式湿度传感器来说，更是难上加难，因为测量电容本身也是一个非常复杂的过程。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。基于单片机的语音湿度计21参考文献1罗亚非凌阳16位单片机应用基础M北京