【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 電子式濕度傳感器的特點(diǎn) 電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近 20 年才迅速發(fā)展起來(lái)的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器 來(lái) 逐支標(biāo)定，電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到 2％一 3％ RH。 精度下降，濕度傳感器年漂移量一般都在 177。2% 左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會(huì)標(biāo)明 1 次標(biāo)定的有效使用時(shí)間為 1年或 2 年，到期需重新標(biāo)定。 電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長(zhǎng)期穩(wěn) 定性去判斷，一般說(shuō)來(lái)，電子式濕度傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命都不是很好。 濕度傳感器是采用半導(dǎo)體技術(shù)，因此對(duì)使用的環(huán)境溫度有要求，超過(guò)其規(guī)定的使用溫度將對(duì)傳感器造成損壞。所以電子式濕度傳感器測(cè)濕方法更適合于在潔凈及常溫的場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定，國(guó)外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達(dá)到上述性能的產(chǎn)品多為國(guó)外名牌，價(jià)格都較昂貴。市場(chǎng)上出售的一些電容式濕敏元件低價(jià)產(chǎn)品，往往達(dá)不到上述水平，線性度、一致性和重復(fù)性都不甚理想， 30%RH 以下， 80%RH 以上感濕段變形嚴(yán)重。有些產(chǎn)品采用單片機(jī)補(bǔ)償修正，使?jié)穸瘸霈F(xiàn) 階躍 性的跳躍，使精度降低，出現(xiàn)一致性差、線性差的缺點(diǎn)。無(wú)論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長(zhǎng)期使用漂移嚴(yán)重，濕敏電容容值變化為 pF級(jí)， 1%RH 的變化不足，容值的漂移改變往往引起幾十 %RH 的誤差，大多數(shù)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(tǒng)中我們使用電容式濕度傳感器 HS1101，這顆傳感器比較常見(jiàn)，適用于一些對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。 HS1101 簡(jiǎn)介 基本參數(shù) 如圖 。如果沒(méi)有特別標(biāo)注，默認(rèn)下圖的測(cè)量溫度 Tα=25 ℃ ，測(cè)量時(shí) HS1101 工作頻率為 10KHz。 圖 HS1101 參數(shù)圖 特性曲線 如圖 。測(cè)量溫度 Tα=25 ℃ ，測(cè)量時(shí) HS1101 工作頻率為 10KHz。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 HS1101 特性曲線 測(cè)量原理 HS1100 濕度傳感器是一種基于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） 12 HS1101 濕敏傳感器是采用側(cè)面開(kāi)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(guò) 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(kāi)始放電 , 放電回路為 C→ R2→ D→內(nèi)部放電管→地。經(jīng)過(guò) 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)ln2 D =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(guò) 100 106(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(jiàn)表 2。 表 2 輸出頻率與相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)照見(jiàn)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(kāi)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) 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(méi)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)。 如圖 ：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(kāi)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(lái)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 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，華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 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。 注意：在每次測(cè)量前都會(huì)關(guān)斷快速中斷 FIQ，這是因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)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(kāi)了 FIQ 中斷，所以在測(cè)量前需先關(guān)閉，以免在測(cè)量過(guò)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(jiàn)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，一般華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 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(shuō)明取到了正確的鍵值。 圖 按鍵掃描程序流程圖 程序見(jiàn)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(lái)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(lái)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(jiàn)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(lái)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(jiàn)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。 IRQ2 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(shuō)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(jiàn)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(xiě)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(méi)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]羅亞非 .凌陽(yáng) 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 ,20xx. 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