【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電容原理的濕度傳感器,相對(duì)濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,電容值隨著空氣濕度的變化而變化,因此將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率的變化,才能進(jìn)行有效地?cái)?shù)據(jù)采集。用 555 集成電路組成振蕩電路, HS1100 濕度傳感器充當(dāng)振蕩電容,從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換,電路圖如圖 所示。圖 測(cè)量電路圖 測(cè)量方法華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12HS1101 濕敏傳感器是采用側(cè)面開放式封裝,只有 2 個(gè)引腳,有線性電壓輸出和線性頻率輸出 2 種電路。在使用時(shí),將 2 腳接地,這里選用頻率輸出電路。該傳感器采用電容構(gòu)成材料,不允許直流方式供電,所以我們使用 555 定時(shí)器電路組成單穩(wěn)態(tài)電路。具體電路分析如下。電源電壓工作范圍是+～+12V。利用一片 CMOS 定時(shí)器 TLC555 , 配上 HS1101 和電阻 R2 、R4 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路,將相對(duì)濕度值變化轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出。輸出頻率范圍是 7351～6033Hz,所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度為 0～100%。當(dāng) RH=55%時(shí),f=6660Hz。輸出的頻率信號(hào)可送至數(shù)字頻率計(jì)或控制系統(tǒng),經(jīng)整理后送顯示。R3 為輸出端的限流電阻,起保護(hù)作用。通電后,電源沿著 U cc→R4→R2→C 對(duì) HS1101 充電,經(jīng)過t1 時(shí)間后濕敏電容的壓降 Uc 就被充電到 TLC555 的高觸發(fā)電平(Uh = ) ,使內(nèi)部比較器翻轉(zhuǎn), OUT 端的輸出變成低電平。然后 C 開始放電, 放電回路為 C→R2→D→內(nèi)部放電管→地。經(jīng)過 t2 時(shí)間后,Uc 降到低觸發(fā)電平 (Ul =) ,內(nèi)部比較器再次翻轉(zhuǎn),使 OUT 端的輸出變成高電平。這樣周而復(fù)始的進(jìn)行充、放電,形成了振蕩。充電、放電時(shí)間計(jì)算公式分別為:t1 =C(R2+R4)ln2。 t2 =CR2ln2輸出波形的頻率(f)和占空比(D)的計(jì)算公式如下:f =1/T=1/(t1+t2) =1/C(2R2+R4)ln2D =t1/T=t1/(t1+t2) =R2+R4/(2R2+R4)通常取 R4R2 使 D≈50%,輸出接近于方波。例如,取入 R2 =567kΩ,R4 =。濕度傳感器只是保證傳感探頭的精度,在實(shí)際使用中,綜合精度除了與濕度傳感器本身元件有關(guān),還與外圍電路的器件選擇相關(guān)。為了與 HS1101 溫度系數(shù)相匹配,R1 數(shù)值應(yīng)取為 1%精度,且最大溫漂不超過 100106(表示 10 6 當(dāng)溫度變化 1℃,所對(duì)應(yīng)的電阻相對(duì)變化量)。為了保證達(dá)到 6660Hz/55% ,R2 與 555 電路選取參照表 1。表 1　器件參數(shù)選擇表　當(dāng) RH = 55%、 TA = + 25℃時(shí),典型輸出方波頻率與相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)對(duì)照見表 2。表 2　輸出頻率與相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)照見表華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 硬件電路 SPCE061A 最小系統(tǒng)本方案使用 SPCE061A 精簡(jiǎn)開發(fā)板（61 板）作為單片機(jī)最小系統(tǒng)。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(huán)外圍電路（PLL） 、復(fù)位電路（RESET） 、指示燈（LED）等，如下圖所示。華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14圖 SPCE061A 最小系統(tǒng) 電源模塊SPCE061A 的內(nèi)核供電為 ，而 I/O 端口可接 也可以接 5V，所以在電源模塊（61 板上）中有一個(gè)端口電平選擇跳線，如圖中的 J5，下圖為 61 板上的電源模塊圖。圖 電源模塊61 板上的主要功能模塊如下：●SPCE061A 單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路模塊；●電源輸入模塊；●音頻電路（包含 MIC 輸入、DAC 音頻功放輸出）模塊；●I/O 端口接口模塊；●調(diào)試、下載接口模塊； 電容式濕度傳感器 HS1101 電路模塊由于濕度傳感器 HS1101 是電容式的，所以要想辦法測(cè)量得到它的電容，利用單片機(jī)沒有辦法直接讀到，但是利用 SPCE061A 的 Feedback 功能可以測(cè)得 HS1101 所在 RC電路的工作頻率，這樣就可以計(jì)算得到它的電容。為了減小誤差，利用一個(gè)固定電容和一個(gè)電阻構(gòu)成另一個(gè) Feedback 電路，作為濕度傳感器 HS1101 的基準(zhǔn)?！　∪鐖D ：根據(jù)圖 中的參數(shù)，為了使?jié)穸葌鞲衅?HS1101 的工作頻率盡量接近10KHz，選擇一個(gè) 620KΩ 的電阻和 HS1101 形成 Feedback1；390pF 的電容作為基準(zhǔn)，和另外一個(gè) 620KΩ 電阻形成 Feedback2。華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15圖 電容式濕度傳感器電路模塊電路 按鍵電路　　本系統(tǒng)直接使用 SPCE061A 精簡(jiǎn)開發(fā)板上的按鍵，61 板上按鍵電路如圖 。圖 61 板按鍵電路三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本方案的軟件系統(tǒng)包括下面模塊：按鍵掃描：掃描按鍵，判斷是否有鍵按下，在 文件中實(shí)現(xiàn)；濕度測(cè)量：端口初始化，測(cè)量濕度并返回濕度值，在 文件中實(shí)現(xiàn)；語(yǔ)音播放任意數(shù)字：播放任意的整數(shù)，本系統(tǒng)中用來播放濕度值，在 文件中實(shí)現(xiàn)；中斷服務(wù)：語(yǔ)音播放中斷服務(wù)程序和 IRQ2 中斷讀計(jì)數(shù)值程序，在 文件中定義。 主程序華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16主程序流程如圖 ：調(diào)用按鍵掃描程序讀取鍵值，如果是 KEY1 鍵按下則啟動(dòng)測(cè)量，調(diào)用濕度測(cè)量函數(shù)測(cè)量濕度，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)播放；如果不是 KEY1 鍵按下，返回繼續(xù)掃描按鍵?！　∽⒁猓涸诿看螠y(cè)量前都會(huì)關(guān)斷快速中斷 FIQ，這是因?yàn)樵跍y(cè)量過程中用到了定時(shí)/計(jì)數(shù)器 TimerA，而在語(yǔ)音播放時(shí)打開了 FIQ 中斷，所以在測(cè)量前需先關(guān)閉，以免在測(cè)量過程中 CPU 一直相應(yīng) FIQ 中斷，造成不必要的麻煩。圖 主程序流程圖程序見附錄 按鍵掃描模塊　　本系統(tǒng)中只用到了一個(gè)按鍵61 板上的 KEY1 鍵，這個(gè)鍵和 IOA0 連接。按鍵掃描華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17程序流程如圖 所示。利用延時(shí)去抖的方法，先取一次端口數(shù)據(jù)，延時(shí)一段時(shí)間，一般延時(shí)幾十 ms 即可，再取一次端口數(shù)據(jù)，如果二者相同，說明取到了正確的鍵值。圖 按鍵掃描程序流程圖程序見附錄 濕度測(cè)量程序流程圖濕度測(cè)量程序流程如圖 ，為了減少誤差，確保測(cè)量的正確性，測(cè)量四次，去掉一個(gè)最高值和一個(gè)最低值，如果中間兩個(gè)數(shù)相差不大于 10，則中間兩個(gè)數(shù)的平均值就是測(cè)量的最終數(shù)據(jù)，程序中這個(gè)數(shù)據(jù)為 TimerA 的計(jì)數(shù)值。由于用 Feedback 功能測(cè)量傳感器的電容，如圖 。事實(shí)上利用 Feedback 功能直接能測(cè)到傳感器工作的頻率，根據(jù)這個(gè)頻率來才能計(jì)算傳感器的電容值。　　測(cè)量傳感器工作頻率的方法：利用 TimeB 作為定時(shí)器，TimeA 作為計(jì)數(shù)器；根據(jù)TimeB 定時(shí)時(shí)間內(nèi) TimeA 計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)來測(cè)得傳感器的工作頻率。華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18圖 濕度測(cè)量程序流程圖程序見附錄 語(yǔ)音播放任意整數(shù)數(shù)據(jù)程序　　語(yǔ)音播放任意三位整數(shù)程序流程如圖 。這個(gè)程序可以定義形式參數(shù)來傳遞任意三位數(shù)。先計(jì)算這個(gè)數(shù)據(jù)的百、十、個(gè)位，再分別進(jìn)行播放，播放的流程如下：華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19圖 語(yǔ)音播放任意三位數(shù)流程圖程序見附錄 中斷服務(wù)程序流程圖FIQ 的中斷服務(wù)程序如圖 。FIQ 中斷服務(wù)程序主要功能是調(diào)用F_FIQ_Service_SACM_S480 函數(shù)解碼并輸出?！　RQ2 中斷服務(wù)程序如圖 。IRQ2 中斷服務(wù)程序有兩個(gè)功能：一是保存 TimerA 的計(jì)數(shù)值；二是為了配合濕度測(cè)量函數(shù)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間溢出標(biāo)志，如果進(jìn)入這個(gè)中斷服務(wù)程序，說明定時(shí)溢出。華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 FIQ 中斷服務(wù)程序流程圖圖 IRQ2 中斷服務(wù)程序流程圖程序見附錄華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21結(jié)束語(yǔ)本文提出基于 SPCE061A 單片機(jī)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并完成了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，以語(yǔ)音語(yǔ)言學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，涉及多學(xué)科領(lǐng)域。語(yǔ)音處理技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。重點(diǎn)闡述語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型、特征參數(shù)的提取方法以及語(yǔ)音識(shí)別的算法等。軟件設(shè)計(jì)主要是依據(jù)語(yǔ)音處理技術(shù)理論．選擇適合識(shí)別系統(tǒng)的語(yǔ)音處理方法，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言，編寫提取語(yǔ)音特征參數(shù)并進(jìn)行識(shí)別的程序。硬件電路設(shè)計(jì)，以 SPCE061A 單片機(jī)為核心進(jìn)行了語(yǔ)音播報(bào)、濕度測(cè)量的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過語(yǔ)音命令控制實(shí)現(xiàn) LED 亮滅，采用 SPCE061A 單片機(jī)的語(yǔ)音壓縮技術(shù)，本系統(tǒng)是一個(gè)高度集成的語(yǔ)音識(shí)別片上系統(tǒng)。濕度測(cè)量本身比溫度測(cè)量復(fù)雜的多，主要是由于濕度受溫度、大氣壓的影響。對(duì)于電容式濕度傳感器來說，更是難上加難，因?yàn)闇y(cè)量電容本身也是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。SPCE061A 的 Feedback 功能給這種測(cè)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(cè)量頻率，很容易就能得到電容式濕度傳感器的電容，根據(jù)標(biāo)定值就可以得到測(cè)量濕度。但是因?yàn)楸旧項(xiàng)l件的限制，沒能在具體的硬件上進(jìn)行實(shí)際的操作。因此，本方案也只是一個(gè)理論上的研究，最終的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一定的差錯(cuò)。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22參考文獻(xiàn)[1] 16 位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2022.[2] 16 位單片機(jī) C 語(yǔ)言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2022.[3]薛鈞義,張彥斌,虞鶴松等. 凌陽(yáng)十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出社,2022.[4][M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2022.[5] C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2022.[6][M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2022.[7]黃淼云, 張學(xué)忠, 王福成. 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