引言
溫度和濕度是標定環境不可缺少的參數，在蔬菜大棚、糧食倉庫等許多場合，對溫、濕度的要求非常嚴格，因此對環境溫、濕度參數的實時檢測提出了更高的要求，溫濕度測試系統[1]在工業生產和日常生活中的應用也越來越廣泛。本文介紹的溫濕度測量儀利用凌陽16位單片機SPCE061A作為控制中心，配合電容式濕度傳感器HS1101和一線制數字溫度傳感器DS18B20采集數據，具有實時顯示和語音提示功能。
1、系統工作原理及硬件設計
1.1 系統基本構成
溫濕度測量儀主要包括兩個部分：溫度測量和濕度測量。其基本構成如圖1所示。該系統利用凌陽16位單片機SPCE061A作為系統的控制中心，采用電容式濕度傳感器HS1101和一線制數字溫度傳感器DS18B20，將測量到的溫度值和濕度值送入單片機中，經過數據處理后，進行實時顯示，并通過按鍵控制測量結果的語音播放。
語音功能的溫濕度測量儀設計 www.21ic.com" height="180" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/10/10/b834ea80-3c75-42bc-898d-4c3656024c47.jpg" width="271" />
1.2 SPCE061A單片機
SPCE061A單片機是凌陽公司以16位微處理器μ’NSPTM為核心生產的一種16位微控制器，其時鐘頻率范圍為0.32MHZ～49.125MHZ，具有較高的處理速度，能快捷的處理各種復雜的數字信號，它內置2K的RAM和32K的內存FLASH，具有14個中斷源，32位可編程的并行I/O口，兩個16位可編程定時器/計數器，7通道10位A/D轉換器和單通道聲音A/D轉換器，雙通道10位D/A轉換器和可編程音頻處理，具有較強的語音處理功能[2]。
1.3 溫度測量
溫度傳感器選擇DALLAS公司生產的一線制數字溫度傳感器DS18B20，它具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55℃～+125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。
由于DS18B20只有一個串行通信接口，與單片機的連接電路非常簡單，只需和單片機的一個I/O端口連接即可，本系統選擇了IOB7端口，其連接電路圖如圖2所示。DS18B20的I/O口屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態下呈高電平。該器件內含寄生電源，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，采用外部電源供電。
1.4 濕度測量
濕度是指空氣中水蒸氣的含量，其表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點等。日常生活中所指的濕度是相對濕度，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具有檢測速度快、高精度、高可靠性、長期穩定性和使用方便、體積小等特點，適用于一些對精度要求不高的場合。在不同的相對濕度中傳感器的電容值不同，單片機不能直接讀電容值，需要外接測量電路。電容式傳感器的測量電路有電壓輸出式和頻率輸出式兩種，考慮到單片機內有兩個定時/計數器，測量頻率比較方便，選用頻率輸出測量電路，如圖3所示。采用555定時器和濕度傳感器HS1101以及一些電阻構成多諧振蕩器電路，產生的振蕩頻率由下式計算。
由濕度傳感器HS1101的工作原理知道，測得的頻率值與相對濕度值有關，關系如下式：
其中， 為25℃，55%RH時電路的參考頻率。
1.5 顯示及鍵盤
系統采用液晶顯示模塊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位并行口進行指令/數據傳輸。并行口DB0～DB7與單片機的IOA0～IOA7相連接，使能端E與IOB6連接，指令/數據選擇端與IOB4連接，讀/寫選擇端與IOB5連接，另外每個端口都需要外接上拉電阻，如圖4所示。單片機通過IOB4～IOB6對顯示模塊進行控制，按照液晶顯示模塊的讀寫時序編程，使顯示模塊正常顯示溫度值和濕度值。
系統的語音提示功能利用按鍵來控制，連接電路簡單，按鍵一端接上拉電阻，另一端與單片機IOB3相連，按下鍵時，IOB3端口輸入為高電平。
2、系統軟件設計
凌陽單片機支持C語言與匯編語言之間的相互調用,為提高程序的可讀性與移植性,同時也便于調試，采用模塊化的方法編寫程序。系統軟件包括主程序、溫度測量子程序、濕度測量子程序、鍵盤掃描子程序、中斷子程序、語音播放子程序。在主程序中依次調用這些子程序，實現系統功能，主程序流程圖見圖5。
在主程序中，首先要對單片機端口進行初始化，將IOA端口設置為高電平輸出，IOB端口設置為低電平輸出。然后分別調用測量溫度子程序和測量濕度子程序，完成測量和顯示大約需要1秒鐘的時間，然后再掃描鍵盤，判斷是否進行語音播放。因為單片機內的看門狗計數器每0.75s的時間內會使系統自動復位，為防止該情況發生，需要在0.75s內將看門狗清零。
溫度測量子程序首先對DS18B20初始化，如果計算機檢測到單總線上有DS18B20器件存在，就發出跳過ROM命令(CCH)。當該命令被成功執行后，主機發出溫度轉換命令(44H)。延時一段時間，待轉換結束后，再重新初始化，跳過ROM命令，然后主機發出讀存儲器命令(BEH)，得到溫度數據。為了縮短傳感器數據的轉換時間，將傳感器的分辨率改為9位(出廠時默認分辨率為12位)，這樣溫度轉換時間97.5ms，精度0.5℃。
濕度測量部分采用頻率輸出電路，因此軟件編程時，利用單片機的定時/計數功能得到與濕度值有關的頻率值，再轉換成相應的濕度值。單片機中有兩個定時/計數器，利用定時器TimerB定時1s，在這段時間內，計數器TimerA采用外部中斷源EXT1(下降沿觸發)作為時鐘源，從0x0000開始計數，利用定時中斷，定時時間到則進入中斷程序，保存計數值。執行完中斷程序后，停止定時器定時和計數器計數，此時保存的計數值就是接到IOB2端口的輸出頻率，再根據頻率與相對濕度的關系轉換成相應的濕度值。
3、語音播放程序設計
凌陽SPCE061A單片機支持語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轉換通道，一類是直接采用數/模轉換的DAC方式，另一類是采用脈寬調制的PWM驅動方式。兩類實現方式實質都是將數字信號轉換成模擬信號輸出。本系統采用雙通道數/模轉換DAC方式，將數字信號轉換成模擬信號輸出，經信號放大后，由揚聲器輸出。軟件方面：SPCE061A自帶有多種音頻壓縮算法，可分別實現高保真音樂、普通話等語音效果[6]，本系統采用SACM_S480音頻壓縮算法將錄制的語音文件壓縮成凌陽音頻格式，語音播放程序調用語音文件進行測量結果播報。
語音播放程序框圖如圖6所示。語音播放程序主要完成D/A轉換器、TimerA定時器和音量的初始化，從ROM里取出預先壓縮好的語音數據，解壓縮后存放在播放隊列中，中斷服務程序定時地從播放隊列中讀取數據，從D/A轉換器轉換后送揚聲器發出聲音。本系統設計溫濕度顯示和播放整數部分，在程序中分別對溫度和濕度測量結果計算十位和個位，判斷十位是否為零，如果十位是零，則直接播放個位;如果十位不是零，再判斷個位是否為零，如果個位是零，則直接返回，播放十位;如果個位不是零，則播放個位。
4、測試結果及誤差分析
表1是采用本裝置得到的恒溫箱溫度實測值與標準二類水銀溫度計的測量溫度值以及誤差。表2是在25℃下室內環境中，通過空氣加濕器調節濕度，采用便攜式露點濕度檢測儀(精度1% RH)測量的環境濕度與本系統測試的濕度值對比及誤差。
從表1可以看出，DS18B20的溫度測量比較穩定，本設計中溫度分辨率為0.5℃，如果調整傳感器的分辨率可將測溫精度提高到0.1℃。表2的數據可以看出，HS1101由于容易受到環境因素的干擾，誤差控制在5%范圍之內，當濕度超過80%時，由于濕度過大達到飽和狀態，系統無法測量出濕度。
5、結論
本文開發的集數據采集、處理、顯示及語音提示一體的便攜式測量儀，可用于室內溫濕度測量，溫度測量范圍0～80℃，精度0.5℃;濕度測量范圍0～80%RH，精度5%RH。溫濕度測量結果可通過液晶模塊實時顯示及按鍵控制進行語音播報。采用數字式溫度傳感器、頻率測量技術及單片機智能技術，本系統具有較高的穩定性和準確性。
參考文獻
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