带语音功能的温湿度测量仪设计

引言

温度和湿度是标定环境不可缺少的参数，在蔬菜大棚、粮食仓库等许多场合，对温、湿度的要求非常严格，因此对环境温、湿度参数的实时检测提出了更高的要求，温湿度测试系统[1]在工业生产和日常生活中的应用也越来越广泛。本文介绍的温湿度测量仪利用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制中心，配合电容式湿度传感器HS1101和一线制数字温度传感器DS18B20采集数据，具有实时显示和语音提示功能。

1、系统工作原理及硬件设计

1.1 系统基本构成

温湿度测量仪主要包括两个部分：温度测量和湿度测量。其基本构成如图1所示。该系统利用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统的控制中心，采用电容式湿度传感器HS1101和一线制数字温度传感器DS18B20，将测量到的温度值和湿度值送入单片机中，经过数据处理后，进行实时显示，并通过按键控制测量结果的语音播放。

1.2 SPCE061A单片机

SPCE061A单片机是凌阳公司以16位微处理器μ’NSPTM为核心生产的一种16位微控制器，其时钟频率范围为0.32MHZ～49.125MHZ，具有较高的处理速度，能快捷的处理各种复杂的数字信号，它内置2K的RAM和32K的内存FLASH，具有14个中断源，32位可编程的并行I/O口，两个16位可编程定时器/计数器，7通道10位A/D转换器和单通道声音A/D转换器，双通道10位D/A转换器和可编程音频处理，具有较强的语音处理功能[2]。

1.3 温度测量

温度传感器选择DALLAS公司生产的一线制数字温度传感器DS18B20，它具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃～+125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

由于DS18B20只有一个串行通信接口，与单片机的连接电路非常简单，只需和单片机的一个I/O端口连接即可，本系统选择了IOB7端口，其连接电路图如图2所示。DS18B20的I/O口属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下呈高电平。该器件内含寄生电源，其供电方式可以选择寄生电源方式，也可以选用外部电源[3]。为方便起见，采用外部电源供电。

1.4 湿度测量

湿度是指空气中水蒸气的含量，其表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点等。日常生活中所指的湿度是相对湿度，即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，用%RH表示[3]。

电容式湿度传感器HS1101具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点，适用于一些对精度要求不高的场合。在不同的相对湿度中传感器的电容值不同，单片机不能直接读电容值，需要外接测量电路。电容式传感器的测量电路有电压输出式和频率输出式两种，考虑到单片机内有两个定时/计数器，测量频率比较方便，选用频率输出测量电路，如图3所示。采用555定时器和湿度传感器HS1101以及一些电阻构成多谐振荡器电路，产生的振荡频率由下式计算。

由湿度传感器HS1101的工作原理知道，测得的频率值与相对湿度值有关，关系如下式：

其中， 为25℃，55%RH时电路的参考频率。

1.5 显示及键盘

系统采用液晶显示模块RT12864M显示温度值和湿度值，该模块有并行和串行两种连接方式，考虑到传输速率，令PSB端接高电平，使用8位并行口进行指令/数据传输。并行口DB0～DB7与单片机的IOA0～IOA7相连接，使能端E与IOB6连接，指令/数据选择端与IOB4连接，读/写选择端与IOB5连接，另外每个端口都需要外接上拉电阻，如图4所示。单片机通过IOB4～IOB6对显示模块进行控制，按照液晶显示模块的读写时序编程，使显示模块正常显示温度值和湿度值。

系统的语音提示功能利用按键来控制，连接电路简单，按键一端接上拉电阻，另一端与单片机IOB3相连，按下键时，IOB3端口输入为高电平。

2、系统软件设计

凌阳单片机支持C语言与汇编语言之间的相互调用,为提高程序的可读性与移植性,同时也便于调试，采用模块化的方法编写程序。系统软件包括主程序、温度测量子程序、湿度测量子程序、键盘扫描子程序、中断子程序、语音播放子程序。在主程序中依次调用这些子程序，实现系统功能，主程序流程图见图5。

在主程序中，首先要对单片机端口进行初始化，将IOA端口设置为高电平输出，IOB端口设置为低电平输出。然后分别调用测量温度子程序和测量湿度子程序，完成测量和显示大约需要1秒钟的时间，然后再扫描键盘，判断是否进行语音播放。因为单片机内的看门狗计数器每0.75s的时间内会使系统自动复位，为防止该情况发生，需要在0.75s内将看门狗清零。

温度测量子程序首先对DS18B20初始化，如果计算机检测到单总线上有DS18B20器件存在，就发出跳过ROM命令(CCH)。当该命令被成功执行后，主机发出温度转换命令(44H)。延时一段时间，待转换结束后，再重新初始化，跳过ROM命令，然后主机发出读存储器命令(BEH)，得到温度数据。为了缩短传感器数据的转换时间，将传感器的分辨率改为9位(出厂时默认分辨率为12位)，这样温度转换时间97.5ms，精度0.5℃。