基于HS1101语音湿度测量仪

基于HS1101的语音湿度测量仪

[摘要] 以凌阳16位单片机spce061a为控制中心,配合lcd501液晶模组及hs1101电容式湿度传感器,通过spce061a的feedback 功能构成rc反馈振荡电路,完成湿度传感器从电容到频率的转换,从而实现了湿度的测量。且当湿度值高于或低于设定值时有提示功能,利用按键可控制湿度值的播放及若干湿度值的存储。

[关键词] hs1101spce061alcd501feedback

在日常生活及科学研究中,常需要对环境温湿度等进行测量及控制,在常规的环境参数中,因为湿度往往受其他因素(如大气压强、温度等)的影响是较难准确测量的一个参数。随着科技的发展和对湿度认识的不断深入,湿度的测量技术和测量方法取得了飞速的发展,电子式湿度传感器及湿度测量技术也随之兴起,并取得了长足的发展。电容式相对湿度传感器是气候、过程湿度检测的主流、并能检测全湿度范围,具有较好的温度特性,经常不用温度补偿就能测量较宽温度范围相对湿度。本系统就是利用电容式湿度传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。

一、湿度及其测量方法

1、湿度的定义

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(relative humidity),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,用rh%表示。湿度测量方法主要分为伸缩法、干湿

球法、冷凝露点法、氯化锂露点法、电湿度测量法以及电解法等等。电湿度测量法主要是利用湿度传感器通过检测电参数的变化值而

获得湿度值。其中,电容式湿度传感器由于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定被广泛应用。本系统采用了hs1101电容式湿度传感器,能够实现:±2%rh的高精度、 1～99%rh的量程、-40～100℃的工作温度范围。

2、湿度值的计算

在测量温度ta =25℃,工作频率为10khz情况下,电容值和湿度值之间多项式关系近似为

c(pf)=c1*(1.25*10-7*rh3-1.36*0-5*rh2+2.19*10-3*rh+9.0*1 0-1)

其中,c1为传感器在10khz、55%rh下的电容值,按图1可取183pf。例如,当rh=50时,若取c1=183pf,则此时传感器等效电容值近似为c=183*(1.25*10-7*503-1.36*10-5*502+2.19*10-3*50+9.0*10-1)= 181.375875pf

在实际测量中,由于工作频率不同导致电容值和湿度之间关系会产生误差,图1中电容测量都是在10khz条件下测的,但是传感器并没有限制必须工作在10khz,因而进行适当的频率补偿,可以用以下的公式做校正

ca(pf) = c2* (1.027-0.01185*log(f))

其中,c2为10khz、55%rh下电容值可取183pf,ca为补偿后电容值,,f单位khz。根据电容和湿度值之间的关系,可以通过下式计算

相对湿度值。

rh = (c-0.91*ca)/(0.001*ca*2.19)

二、系统设计

本系统以凌阳十六位单片机spce061a作为主控制器,以凌阳

lcd501液晶模组作为显示模块,以电容式湿度传感器hs1101作为测量模块,配合凌阳语音处理模块及喇叭播放语音。在测量模块中,把湿度传感器等效为一电容,故串联一固定值电阻使其构成rc回路,通过spce061a的feedback接口iob2(iob3)、iob4(iob5)构成rc 振荡电路,实现从电容到频率的转换。为减小误差,测量模块中加入基准电容和电阻,根据频率关系及基准电容值便可以确定湿度传感器电容值,再根据电容值与湿度关系可以得到当前空气湿度值。通过液晶模组实时显示,利用一个按键来启动语音播放,另一按键实

现湿度存储。同时如果湿度值太高或者太低,系统会播放温馨提示。系统的结构框图如图1所示。

三、硬件电路设计

1、spce061a最小系统

spce061a单片机具有很强的语音信息处理能力,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compress tool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sacm_s480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转换输出的模拟量电流信号分别通过aud1和aud2管脚输出, dac 输出为电流型输出,经spy0030音频放大,即可驱动喇叭放音,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。

2、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,利用单片机无法直接读到,但是通过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。

feedback电路,是由其io口特殊结构决定的,如图2所示。该振荡电路振荡频率为:f=1/(2*pi*r*c)

为了使湿度传感器hs1101的工作频率尽量接近10khz,减小测量误差,利用一个固定

图2feedback反馈图

的390pf电容和一个620k电阻构成feedback1电路,作为湿度传感器hs1101的基准,另一个620kω的电阻和hs1101形成feedback2。

由于f=1/(2*pi*r*c),f’=1/(2*pi*r*c’),故c’=c*f/f’

3、液晶显示模组

splc501 液晶显示模组为128x64 点阵,面板采用stn超扭曲向列技术制成,并且由128 segment 和64 common 组成。splc501 液晶显示模组采用的驱动控制芯片为splc501a 芯片,splc501a集行、列驱动器和控制器于一体,可以直接与单片机接口。其特点是接口简单,应用方便,功耗低,且可以完成较多液晶特效功能,如可以显示字符、汉字、图形等,且灰度编程可调。

4、系统总电路图

图3 系统总电路图

四、系统软件设计

系统软件用于完成测量、显示、控制等功能。主要包括按键扫描模块,用于扫描按键,判断是否有键按下,并返回按键值;湿度测量模块,进行端口初始化,测量湿度并返回湿度值;液晶显示模块,实现湿度值的动态显示;语音播放模块,播放湿度值及提示语;历史记录存取模块,存取当前湿度值,并根据需要读取若干组湿度值;中断服务模块。

1、主程序

主程序流程如图 4所示。首先是各端口初始化以及液晶初始化,然后调用湿度测量函数测量湿度值,接着通过液晶显示出当前湿度值。调用按键扫描程序读取键值,如果是key1键按下则根据测量结果进行相应播放;如果是key2键按下,则调用历史记录存取程序记录当前湿度值;如果是key3键按下,则显示历史记录,由于液晶屏幕