1 引言

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè)材料水份值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一，但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。這是因為測量濕度要比測量溫度復(fù)雜得多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的校準(zhǔn)也是一個難題。目前，人們探測的濕度測量從原理上有二、三十種之多。隨著20世紀(jì)后半期電子業(yè)的發(fā)展，電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量于90年代也隨之興起，并在后面這些時間內(nèi)取得了長足的發(fā)展。該方案就是利用電子式傳感器配合單片機實現(xiàn)具有語音功能人性化的測濕儀。

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

本方案系統(tǒng)的主要參數(shù)：

工作溫度：0～70℃；

工作濕度：0～100%RH；

測量范圍：1%～99%RH；

精度：±5RH%。

1.2 功能簡介

本方案可以實現(xiàn)：

按鍵控制啟動濕度測量；

語音播放測量濕度值；

濕度判斷，并有溫馨提示語，當(dāng)濕度太高時，播放“潮濕，請打開除濕機”，濕度太低時，播放“太干，請打開加濕器”。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

對于濕度測量儀，除了具有一個控制器控制測量外，還需要測量器。本系統(tǒng)中采用SPCE061A作為控制器，電容式濕度傳感器HS1101作為測量器，利用一個按鍵來啟動濕度測量和語音播放。由于電容不能直接和SPCE061A的I/O口連接進行測量，所以需要一個電路模塊，與SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4，IOB3、IOB5連接，實現(xiàn)從電容到頻率的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1。

圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

SPCE061A單片機作為主控芯片，根據(jù)讀到的鍵值判斷是否啟動測量，測量時負責(zé)讀取Feedback電路的工作頻率，根據(jù)頻率計算HS1101的電容和它所在環(huán)境的濕度，并把濕度通過喇叭播放出來。同時如果濕度值太高或者太低，系統(tǒng)會播放溫馨提示。

2.1 SPCE061A芯片簡介

SPCE061A是一款基于 ‘nSP內(nèi)核的16位單片機，其芯片特性如下：

◆工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD為3.0～3.6V（CPU），I/O口工作電壓VDDH為VDD～5.5V（I/O）；

◆CPU時鐘：0.32MHz～49.152MHz；

◆內(nèi)置2K字SRAM和32K閃存ROM；

◆系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電小于2μA@3.6V；

◆具備觸鍵喚醒的功能；

◆32位通用可編程輸入/輸出端口；

◆2個16位可編程定時器/計數(shù)器（可自動預(yù)置初始計數(shù)值）；

◆7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；

◆2個10位DAC（數(shù)-模轉(zhuǎn)換）輸出通道；

◆14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；

◆具備串行設(shè)備接口；

◆低電壓復(fù)位（LVR）功和低電壓監(jiān)測（LVD）功能；

◆內(nèi)置在線仿真（ICE，In- Circuit Emulator）接口。

SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2所示。

圖 2.2 SPCE061A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 濕度傳感器HS1101

2.2.1 濕度測量簡介

1、濕度定義

在計量法中規(guī)定，濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用RH%表示。總言之，即氣體中（通常為空氣中）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。

2、濕度測量方法

從測試的輸出參量上區(qū)分，濕度測量方法主要分為以下幾類：利用物質(zhì)幾何尺寸變化的測濕法（伸縮法），干濕球法，冷凝露點法，氯化鋰露點法，電濕度測量法（電阻法、電容法），電解法（庫侖濕度計）以及其它測濕方法。這些測量方法讀者可以找相關(guān)資料進行進一步了解，限于篇幅，這里不再贅述。下面重點介紹本系統(tǒng)中用到的電濕度測量法的特點。

3、電子式濕度傳感器的特點

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)生器來逐支標(biāo)定，電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以達到2％一3％RH。

在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標(biāo)明1次標(biāo)定的有效使用時間為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)合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，電子式濕度傳感器的長期穩(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)，因此對使用的環(huán)境溫度有要求，超過其規(guī)定的使用溫度將對傳感器造成損壞。

所以電子式濕度傳感器測濕方法更適合于在潔凈及常溫的場合使用。

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)點在于響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定，國外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達到上述性能的產(chǎn)品多為國外名牌，價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產(chǎn)品，往往達不到上述水平，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)品采用單片機補償修正，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。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長期使用漂移嚴(yán)重，濕敏電容容值變化為pF級，1%RH的變化不足0.5pF，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，適用于一些對精度要求不高的場合。

2.2.2 HS1101簡介

1、基本參數(shù)

如圖 2.3。如果沒有特別標(biāo)注，默認下圖的測量溫度Tα=25℃，測量時HS1101工作頻率為10KHz。

圖 2.3 HS1101參數(shù)圖

2、特性曲線

如圖 2.4。測量溫度Tα=25℃，測量時HS1101工作頻率為10KHz。

圖 2.4 HS1101特性曲線

2.3 硬件電路

2.3.1 SPCE061A最小系統(tǒng)

本方案使用SPCE061A精簡開發(fā)板（61板）作為單片機最小系統(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。

圖 2.5 SPCE061A最小系統(tǒng)

2.3.2 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，所以要想辦法測量得到它的電容，利用單片機沒有辦法直接讀到，但是利用SPCE061A的Feedback功能可以測得HS1101所在RC電路的工作頻率，這樣就可以計算得到它的電容。

為了減小誤差，利用一個固定電容和一個電阻構(gòu)成另一個Feedback電路，作為濕度傳感器HS1101的基準(zhǔn)。

如圖 2.6：根據(jù)圖 2.3中的參數(shù)，為了使?jié)穸葌鞲衅鱄S1101的工作頻率盡量接近10KHz，選擇一個620KΩ的電阻和HS1101形成Feedback1；390pF的電容作為基準(zhǔn)，和另外一個620KΩ電阻形成Feedback2。

圖 2.6 電容式濕度傳感器電路模塊電路

2.3.3 按鍵電路

本系統(tǒng)直接使用SPCE061A精簡開發(fā)板上的按鍵，61板上按鍵電路如圖 2.7。

圖 2.7 61板按鍵電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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Key.c文件中實現(xiàn)；

濕度測量：端口初始化，測量濕度并返回濕度值，在Hum_Measure.c文件中實現(xiàn)；

語音播放任意數(shù)字：播放任意的整數(shù)，本系統(tǒng)中用來播放濕度值，在PlayVoice.c文件中實現(xiàn)；

中斷服務(wù)：語音播放中斷服務(wù)程序和IRQ2中斷讀計數(shù)值程序，在isr.asm文件中定義。

3.1 各模塊程序說明

3.1.1 主程序

主程序流程如圖 3.1：調(diào)用按鍵掃描程序讀取鍵值，如果是KEY1鍵按下則啟動測量，調(diào)用濕度測量函數(shù)測量濕度，并根據(jù)測量結(jié)果進行相應(yīng)播放；如果不是KEY1鍵按下，返回繼續(xù)掃描按鍵。

注意：在每次測量前都會關(guān)斷快速中斷FIQ，這是因為在測量過程中用到了定時/計數(shù)器TimerA，而在語音播放時打開了FIQ中斷，所以在測量前需先關(guān)閉，以免在測量過程中CPU一直相應(yīng)FIQ中斷，造成不必要的麻煩。

圖 3.1 主程序流程圖

3.1.2 按鍵掃描模塊

本系統(tǒng)中只用到了一個按鍵--61板上的KEY1鍵，這個鍵和IOA0連接。按鍵掃描程序流程如圖 3.2所示。利用延時去抖的方法，先取一次端口數(shù)據(jù)，延時一段時間，一般延時幾十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 3.2 按鍵掃描程序流程圖

3.1.3 濕度測量程序流程圖

濕度測量程序流程如圖 3.3，為了減少誤差，確保測量的正確性，測量四次，去掉一個最高值和一個最低值，如果中間兩個數(shù)相差不大于10，則中間兩個數(shù)的平均值就是測量的最終數(shù)據(jù)，程序中這個數(shù)據(jù)為TimerA的計數(shù)值。

由于用Feedback功能測量傳感器的電容，如圖 2.6。事實上利用Feedback功能直接能測到傳感器工作的頻率，根據(jù)這個頻率來才能計算傳感器的電容值。

測量傳感器工作頻率的方法：利用TimeB作為定時器，TimeA作為計數(shù)器；根據(jù)TimeB定時時間內(nèi)TimeA計數(shù)的個數(shù)來測得傳感器的工作頻率。

圖 3.3 濕度測量程序流程圖

3.1.4 語音播放任意整數(shù)數(shù)據(jù)程序

語音播放任意三位整數(shù)程序流程如圖 3.4。這個程序可以定義形式參數(shù)來傳遞任意三位數(shù)。先計算這個數(shù)據(jù)的百、十、個位，再分別進行播放，播放的流程如下：

圖 3.4 語音播放任意三位數(shù)流程圖

3.1.5 中斷服務(wù)程序流程圖

FIQ的中斷服務(wù)程序如圖 3.5。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 3.6。IRQ2中斷服務(wù)程序有兩個功能：一是保存TimerA的計數(shù)值；二是為了配合濕度測量函數(shù)，設(shè)置定時時間溢出標(biāo)志，如果進入這個中斷服務(wù)程序，說明定時溢出。

圖 3.6 IRQ2中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)語

濕度測量本身比溫度測量復(fù)雜的多，主要是由于濕度受溫度、大氣壓的影響。對于電容式濕度傳感器來說，更是難上加難，因為測量電容本身也是一個非常復(fù)雜的過程。SPCE061A的Feedback功能給這種測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)定值就可以得到測量濕度。

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